合成氨工业废水处理中膜处理技术的应用分析

合成氨工业废水处理中膜处理技术的应用分析

瞿觉，吴惠华，袁河清，王霞俊

长沙环境保护职业技术学院

摘要：为解决合成氨工业废水处理过程中存在的高能耗、低效率和水资源重复利用率不高等问题，本文以膜处理技术为例，对合成氨工业废水中的膜处理技术应用进行了研究，提出了膜技术在处理合成氨废水中的优势、面临的挑战以及解决措施等，以期为相关人员和工程提供参考，并为未来的研究方向提供指导。

关键词：合成氨工业废水；膜处理技术；微滤；超滤；纳滤；反渗透

1引言

在工业化进程的加速过程中，合成氨行业生产活动中产生的废水得到了较高的重视，也成为了当前环境保护的一大挑战。合成氨废水中含有大量的氨氮、硝酸盐、有机物等污染物，若未经处理或处理不当直接排放，将会对水体造成严重污染，同时也会对生态平衡与公共健康造成极大的威胁。传统的物理、化学及生物处理技术在处理效率、能源消耗和水资源回收方面存在不同的限制，难以满足当前严格的环保要求以及可持续发展需求，我们迫切地需要寻找一种既高效又经济的废水处理新方法来解决这一问题[1]。近年来，膜处理技术以它较高的去除效率、较低的能耗和出色的出水质量逐渐进入了人们的视野，并在水处理领域受到了广泛的关注，因此本文就选取这一技术作为研究对象，深入探讨膜处理技术在合成氨工业废水处理中的应用，希望能够为环境治理与资源回收等行业提供一些具有价值的参考与借鉴。

2膜处理技术概述

2.1 膜处理技术的定义与原理

膜处理技术是一种利用半透膜的选择性分离原理来处理废水的技术，所谓的半透膜是指一种具有选择性透过性质的膜材料，它能够在允许某些组分通过的同时阻止其他组分的通过。在废水处理中，这种性质使得膜能够根据处理对象的物理大小、化学性质或者两者的组合因素来分离出水中的杂质，尤其是悬浮颗粒、细菌、病毒、有机分子和离子等[2]。膜处理的基本原理涉及溶质和溶剂的运输，其中溶剂（通常是水）通过膜而溶质被膜截留，这种分离过程是基于施加压力、温度差、浓度差或电势差来实现的，这些外部驱动力推动水分子和某些溶解物质穿过膜，而其他物质则被膜所阻隔。

2.2 主要的膜处理技术种类

在废水处理中，膜处理技术会根据膜的孔径大小和操作条件被分为微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）四种类型。

2.2.1 微滤（MF）

微滤是一种使用较大孔径膜的膜分离技术，孔径通常在0.1至10微米之间，这种膜能够截留悬浮固体、细菌、某些病毒和大的胶体颗粒，但对于溶解的有机物和离子的去除效果却十分有限。微滤通常在较低的压力下进行，能够有效去除水中的浊度和微生物并提高水质，为后续的处理步骤（如反渗透）减轻负担。在合成氨废水处理中，微滤可以作为预处理步骤而采用，它可以减少后续过程中膜的污染和压力损失，提高整个系统的效率和稳定性。

2.2.2 超滤（UF）

超滤的孔径范围比微滤小，一般在0.01至0.1微米之间，该技术可以截留细菌、病毒、蛋白质和其他高分子量的物质，且对于分子量大于1000道尔顿的溶质具有较高的截留率。超滤操作的压力高于微滤操作，但是稍低于反渗透操作，应用于合成氨工业废水处理中可有效去除高分子有机物和悬浮物，为反渗透等深度处理技术提供了更为清洁的预处理水源，同时也可以从废水中回收一些有机氮化合物之类的有价值的物质。

2.2.3 纳滤（NF）

纳滤的孔径处于超滤和反渗透之间，大约在1纳米左右，因此它能够去除比超滤和微滤更小的物质，如某些溶解性有机物和具有一定分子量的有机污染物，同时它对离子也具有一定的截留能力[3]。纳滤通常用于去除一些硬度控制和有机物，因此应用于合成氨废水处理中可以有效降低水体硬度，使颜色、味道和某些有害物质被有效去除。

2.2.4 反渗透（RO）

反渗透是膜处理技术中孔径最小的一种，能够去除大多数的无机盐、金属离子、微生物和有机物。在反渗透过程中，水在高压作用下被推动穿过孔径约为0.0001微米的膜，从而实现对废水的深度净化[4]。RO技术在合成氨废水处理中的应用非常关键，它可以有效地去除几乎所有的溶解性污染物，并使处理过的水达到回用标准，从而实现废水的零排放。尽管反渗透技术的能耗和运行成本相对较高，但它对于保护环境和节约水资源来说是一个不可或缺的废水深度处理手段。

3膜处理技术的优点

3.1 高效的去除率

膜处理技术之所以在众多水处理技术中脱颖而出，很大程度上归功于它的高效去除率。膜技术能够在分子水平上进行物质的分离，可以根据不同类型的膜选择适宜的孔径，从而实现对特定污染物的高效截留。例如，在合成氨废水处理中，反渗透（RO）技术能够去除包括离子、细菌、病毒在内的大多数溶解性物质，去除率可达99%以上。纳滤（NF）则可以有效移除某些特定的有机污染物和硬度成分。这种高效的去除能力使得膜技术成为提升出水水质、保障排放标准和回收有价值物质的理想选择。对于工业废水处理而言，高效去除率不仅意味着满足严格的环境排放标准，还意味着能够从废水中回收和再利用某些物质，如氨氮、磷等，从而为企业带来经济上的附加价值。

3.2 节省能源和资源

虽然膜处理技术在某些情况下的能耗相对较高（如反渗透），但整体而言，膜技术在水处理过程中的能源和资源利用效率要高于传统的处理技术。膜分离是一种物理过程，不需要添加化学试剂，因此可以减少化学消耗和后续处理化学污泥的成本[5]。与传统的蒸发或者焚烧等方法相比，膜处理的能耗相对较低，尤其是在微滤和超滤这类对压力要求不高的膜过程中。此外，通过优化膜系统的设计和运行参数，可以进一步降低能耗，如采用能量回收装置和优化清洗周期，从而减少整体操作成本。在资源回收方面，膜技术还能够回收水处理过程中的部分水资源，如通过反渗透浓缩液的进一步处理，可以提高整体的水回用率，节省宝贵的水资源。

3.3 降低处理成本

在长远的视角下，膜处理技术能够显著降低水处理的总成本。首先，由于膜技术提供了较高的去除率和处理效率，可以减少水处理系统的总体规模，从而节约初期投资成本。其次，由于膜处理在很大程度上减少了化学试剂的需求，因此减少了化学试剂购买和后续处理的成本。再者，随着膜技术的不断成熟和市场竞争的加剧，膜材料的价格已经有了显著下降，进一步降低了成本。最后，膜处理技术还有助于减少因废水处理不当而可能引发的环境污染处罚成本，为企业提供了经济上的安全保障。

3.4 提高水质和复用可能性

膜处理技术不仅能够有效去除水中的污染物，还能够显著提高处理后水的质量，增加水的复用可能性。这对于水资源紧张和环境保护要求日益严格的今天来说尤其重要。通过精确控制膜的孔径和工作条件，可以生产出符合特定标准的高纯度水，这对于某些对水质要求极高的工业用途，如电子行业、制药行业等，提供了技术保障[6]。此外，通过将膜技术与其他水处理技术结合，可以进一步提高水质，实现废水的高效回用，如将膜生物反应器（MBR）与反渗透（RO）组合使用，可以提供高品质的再生水，用于农业灌溉、市政景观、甚至是直接回用于工业生产过程。这种复用不仅减少了对新鲜水资源的依赖，也为企业和社会带来了可观的经济和环境效益。

4膜处理技术在合成氨工业废水处理中的应用

4.1 应用现状及发展趋势

合成氨工业生产中产生的废水包含有多种有机和无机污染物，传统的生物处理和物理化学方法往往难以满足日益严格的排放标准。近年来，膜处理技术由于其高效的污染物去除能力，在合成氨废水处理中得到了广泛应用。当前，膜技术已经成为合成氨废水深度处理和回用的关键技术之一。在这一领域内，膜技术的发展趋势体现在两个方面：一是膜材料和工艺的持续创新，例如耐污染、长寿命的膜材料的研发，以及低能耗、高回收率的工艺优化；二是膜处理与其他处理技术的集成，通过组合不同的处理技术来提升废水处理效率和经济性。

4.2 应用实例分析

4.2.1 某合成氨工厂的实际案例研究

在某合成氨工厂的实际案例中，该工厂面临着高浓度氨氮废水的处理问题。为了解决这一问题，该工厂采用了包括反渗透（RO）技术在内的膜处理技术。通过预处理来去除悬浮物和部分大分子有机物之后，废水被送入RO系统，RO系统能够有效去除水中的溶解性无机盐分和细小颗粒物，从而使出水水质大幅提升，满足了排放标准。同时，反渗透产生的浓缩液可以进行进一步的资源回收利用，实现了废水零排放的目标。

4.2.2 膜处理技术与其他技术结合的案例

在另一项研究中，膜生物反应器（MBR）技术与反渗透（RO）技术相结合，对合成氨废水进行处理。MBR技术集成了生物处理和膜分离过程，高效地去除有机物和悬浮固体，同时提供了高质量的出水，为后续的RO处理降低了负荷。RO技术进一步去除了MBR处理后水中的溶解性盐类和小分子有机物。这种组合技术不仅提高了废水处理的效率，而且提升了水资源的循环利用率，为合成氨行业提供了一种高效、经济、环保的废水处理方案。此类集成技术的应用表明了膜处理技术在合成氨废水处理中的巨大潜力和广阔的发展前景。

5膜处理技术的局限性及挑战

5.1 膜污染与膜寿命问题

膜处理技术虽然具有许多优势，但在实际操作中常常遭遇膜污染问题，这是影响膜分离性能和膜寿命的主要因素之一。污染物质如悬浮固体、微生物、有机物质和无机盐分，在长期的运行过程中会逐渐在膜表面积累，形成污染层，这会导致膜孔堵塞，膜通量下降，甚至会引发膜材料结构的破坏。此外，污染层的存在可能增加膜表面的生物活性，导致生物膜的形成，进一步恶化膜的性能。为了缓解膜污染问题，需要定期对膜进行化学清洗或者采用物理清洗方法，这不仅增加了维护成本，也影响了膜的使用寿命。长期以往，膜污染可能导致膜系统的频繁更换，给操作者带来了不小的经济负担。

5.2 运行成本

尽管膜处理技术能够提供高质量的水处理效果，但其运行成本是一个不可忽视的挑战。膜技术的运行成本主要包括能源消耗、膜替换、化学清洗剂的使用及维护人工成本等。特别是在高压力运行的反渗透（RO）系统中，能源消耗占据了较大比重，成为主要的运行成本之一。而在废水处理应用中，由于污染物浓度较高，膜系统常常需要较高的工作压力以维持膜通量，这无疑增加了能源的消耗。此外，膜材料的选择和膜系统设计也是影响成本的关键因素。高性能的膜材料往往价格昂贵，而系统设计不合理则可能导致膜更换频繁，增加了额外的成本。

5.3 膜的选择与系统优化的复杂性

膜的选择对于膜处理技术的效果至关重要。膜材料的化学稳定性、机械强度、抗污染能力以及分离性能都是决定一个膜系统成功与否的关键。在复杂的工业废水处理中，需要根据不同废水的特性选择适合的膜材料和膜类型，这对技术人员提出了很高的要求。同时，为了达到最优的处理效果和经济效益，系统的设计和优化也是一个复杂的过程。这包括膜组件的配置、操作参数的优化、预处理工艺的设计等。系统优化需要基于大量的实验数据和实际运行经验，这不仅需要耗费时间和资源，也需要丰富的技术知识和经验。此外，膜系统的规模化与工业化应用还需考虑到系统的可扩展性和模块化设计，以适应不断变化的处理需求和条件，这又进一步增加了系统设计的复杂性。

6结论及未来展望

综上所述，膜处理技术在合成氨工业废水处理领域已展现出巨大的潜力和良好的发展前景，通过本次研究，我们可以看出膜技术在去除效率上的显著优势以及在能源消耗、处理成本及在经济效益和环境效益方面的卓越表现。但在此过程中，我们也不能忽视膜处理技术所面临的技术挑战，在未来的研究与实践中，必须持续探索和创新，寻求这些挑战的应对措施。此外，作为社会的重要组成部分，相关企业也要加入水资源短缺和环境污染问题的应对中，并投入更多的研发资源去推动膜技术的实际应用，促进经济效益和环境保护的双赢局面。未来，膜处理技术有望成为合成氨工业废水处理中的主流技术，在绿色、环保、可持续发展的工业环境建设中贡献一份重要的力量。

参考文献：

[1]宋晓娜.合成氨废气综合利用制天然气工艺设计[J].大氮肥,2021,44(01):70-72.

[2]魏维刚,刘岚.MBR工艺在合成氨工业废水处理中的应用[J].化肥工业,2015,42(03):56-59+63.

[3]龚为进,魏君宇.应用复合型生物脱氮技术的合成氨工业废水处理工程设计[J].工业用水与废水,2015,46(03):55-58.

[4]李伟,路海彬,雷立新等.合成氨装置冷凝液处理技术研究与应用[J].大氮肥,2014,37(02):123-125+131.

[5]朱剑莉,马桂林,占忠亮.阳极支撑BZCY电解质及GBFN阴极膜在常压合成氨中的性能研究[J].中国稀土学报,2012,30(06):744-749.

[6]王会强,张俊庆.甲醇及合成氨工业废水的处理技术[J].化学工业与工程技术,2010,31(02):44-46.

   作者简介：瞿觉，男，湖南湘阴人，硕士，工程师。

吴惠华，女，湖南株洲人，本科。  

袁河清，女，湖南宁乡人，本科，高级工程师，高级实验师。  

王霞俊，女，湖南宁远人，本科，助理研究员。