淺析膜法水處理與污水處理技術(shù)

【摘要】我國(guó)水環(huán)境污染和水資源緊缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，飲用水安全受到廣泛重視，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格。目前，微濾、超濾、納濾和反滲透以及各種基于膜技術(shù)的組合工藝研究和工程應(yīng)用不斷取得進(jìn)展，成為應(yīng)對(duì)、緩解水環(huán)境污染和水資源危機(jī)的有效技術(shù)手段。

【關(guān)鍵詞】膜技術(shù)；微濾；超濾；納濾；反滲透

前言

目前，隨著我國(guó)工業(yè)化、城市化進(jìn)程的不斷加快，水污染問(wèn)題和水資源短缺形勢(shì)日益嚴(yán)重，要破解此困局，一方面要研發(fā)新型的水處理技術(shù)，提高處理水水質(zhì)；另一方面要不斷開(kāi)發(fā)新的水資源，如污水再生利用、海水淡化、廢水處理后循環(huán)利用等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)和國(guó)際上膜技術(shù)的發(fā)展迅速，微濾、超濾、納濾和反滲透以及各種基于膜技術(shù)的組合工藝的研究和在工程上的應(yīng)用不斷取得突破性進(jìn)展。在以壓力驅(qū)動(dòng)的膜技術(shù)中，低壓膜-微濾（MF）和超濾（UF）主要用于飲用水凈化和工業(yè)廢水處理等；高壓膜-納濾（NF）和反滲透（RO）主要用于廢水深度處理、海水淡化、再生水處理等。本文就目前幾種主要的膜技術(shù)以及其在水處理及污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用情況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹和分析。

1.微濾技術(shù)

微濾（MF）又稱微孔過(guò)濾，它屬于精密過(guò)濾，其基本原理是篩孔分離過(guò)程。微濾膜的孔徑一般為0.05～5μm，操作壓力<0.1MPa。由于其孔徑較大，只能截留粒徑>0.1μm的顆粒物質(zhì)，在單純采用微濾膜過(guò)濾時(shí)，往往處理效果欠佳，且膜污染受原水水質(zhì)的影響較大。組合微濾則能較好地克服這一缺點(diǎn)，通過(guò)沉淀、吸附、混凝以及微生物技術(shù)與微濾技術(shù)的組合，可有效去除水中的污染物，針對(duì)性強(qiáng)，適用范圍廣，且靈活可靠，是微濾技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，可廣泛用于飲用水和污（廢）水的處理。

1.1 混凝+微濾工藝應(yīng)用于水處理

混凝+微濾組合工藝應(yīng)用于飲用水處理，與傳統(tǒng)工藝相比具有較大的優(yōu)勢(shì)。混凝工藝能夠提高水中顆粒的粒徑，從而減緩因小于膜孔徑微粒所造成的污染，并且能夠在膜表面形成多孔的濾餅層，在一定程度上截留病毒和有機(jī)物，提高出水水質(zhì)。采用微濾膜替代傳統(tǒng)的沉淀池或澄清池，不僅能降低混凝劑投加量，大幅提高水質(zhì)，還能去除微生物、降低消毒副產(chǎn)物前體物。

1.2 傳統(tǒng)工藝+混凝+微濾工藝應(yīng)用于污水處理

通過(guò)與傳統(tǒng)工藝的結(jié)合，混凝+微濾工藝也可用于生活污水的深度處理。王波等[2]和王秀麗等[3]分別采用SBR+化學(xué)絮凝+微濾分離膜和SAF+化學(xué)絮凝+微濾分離膜對(duì)高濃度生活污水進(jìn)行處理，結(jié)果表明化學(xué)絮凝對(duì)磷酸鹽的去除效果較好，微濾膜能有效去除濁度和懸浮物。因此，出水水質(zhì)優(yōu)良，可滿足市政雜用水和生活雜用水的水質(zhì)要求。

2.超濾技術(shù)

超濾技術(shù)是通過(guò)膜表面的微孔結(jié)構(gòu)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行選擇性分離，其過(guò)濾孔徑為0.001～0.01μm，操作壓力<0.25MPa，過(guò)膜壓差控制在0.1MPa～0.15MPa。當(dāng)水在一定壓力下流經(jīng)膜表面時(shí)，小分子物質(zhì)透過(guò)膜，而水中的細(xì)菌和某些病原微生物等大分子物質(zhì)則被截留去除。

超濾技術(shù)在水處理領(lǐng)域主要應(yīng)用在飲用水深度處理、地表水處理、海水淡化、中水回用等方面。超濾技術(shù)能有效去除水中的微粒、膠體、細(xì)菌、病毒及部分有機(jī)物，具有占地面積小、處理效率高等特點(diǎn)。

2.1 超濾技術(shù)在飲用水和污水深度處理中的應(yīng)用

超濾膜本身具有微孔結(jié)構(gòu)，受孔徑限制僅能截留分子量相對(duì)較大的物質(zhì)，對(duì)于溶解性有機(jī)物、鹽和部分小分子有機(jī)物的去除效果并不理想。因而同微濾技術(shù)類似，工程實(shí)際應(yīng)用中一般不單獨(dú)采用超濾工藝，而是將其與混凝、粉末活性炭吸附等預(yù)處理技術(shù)組成復(fù)合工藝使用，可以有效的發(fā)揮超濾膜的優(yōu)勢(shì)。

目前超濾膜凈水廠的工藝可劃分為，微絮凝-直接超濾工藝（如蘇州市渡村水廠）；混合-絮凝-超濾工藝（如天津市楊柳青水廠、新加坡的Chestnut Avenue水廠）；混合-絮凝-沉淀-超濾工藝（如美國(guó)明尼蘇達(dá)州的Columbia Heights水廠）以及常規(guī)處理-臭氧活性炭-超濾工藝（如加拿大的Lakeview水廠）等幾種類型。前幾種工藝主要用于提高給水廠的產(chǎn)水能力、降低出水濁度和有機(jī)物含量、去除藻類及兩蟲(chóng)和病原微生物等。最后一種工藝可以在溶解性有機(jī)物含量較高時(shí)采用，以提高出水水質(zhì)。

另外超濾膜技術(shù)在再生水廠中也有應(yīng)用，如已投產(chǎn)的北京市清河再生水廠，原水來(lái)自清河污水處理廠，出水經(jīng)過(guò)加壓泵從超濾膜箱底部進(jìn)入過(guò)濾孔徑僅為0.02微米的超濾膜，再經(jīng)過(guò)活性炭處理，臭氧消毒，出水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家IV類水體標(biāo)準(zhǔn)，供應(yīng)奧運(yùn)公園景觀用水及市政雜用水。

2.2 超濾技術(shù)在海水淡化處理中的應(yīng)用

海水超濾預(yù)處理技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的膜法預(yù)處理技術(shù)，主要用于海水反滲透的預(yù)處理過(guò)程。超濾可以大幅度降低原水SDI、濁度和TOC等，避免了傳統(tǒng)的預(yù)處理過(guò)程出水水質(zhì)不穩(wěn)定、膠體和溶解有機(jī)物去除效果差以及使用多種化學(xué)試劑等諸多缺點(diǎn)和不足，從而可大幅度提高反滲透裝置的水回收率，延長(zhǎng)反滲透膜的壽命，降低海水淡化的成本和能耗，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.納濾技術(shù)

納濾（NF）是介于超濾與反滲透之間的一種膜分離技術(shù)，其截留分子量在80-1000的范圍內(nèi)，孔徑為幾納米，因此稱納濾。在過(guò)去的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，納濾膜被稱為超低壓反滲透膜，或稱選擇性反滲透膜或松散反滲透膜。現(xiàn)在，納濾技術(shù)已經(jīng)從反滲透技術(shù)中分離出來(lái)，成為介于超濾和反滲透技術(shù)之間獨(dú)立的分離技術(shù)，己經(jīng)廣泛應(yīng)用于海水淡化、超純水制造、食品工業(yè)、環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域。

3.1 納濾技術(shù)在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用

在金屬加工和電鍍工業(yè)中，清洗水和電鍍液中常含有濃度較高的Cu、Cd、Ni、Fe等重金屬離子，應(yīng)用納濾技術(shù)可將這些重金屬離子濃縮10倍，并能回收90%以上。電鍍廢水經(jīng)抗污染膜超濾-高壓納濾組合工藝處理，可達(dá)電鍍清洗水標(biāo)準(zhǔn)，回用率達(dá)到85%。納濾技術(shù)對(duì)紡織工業(yè)廢水也有很好的適用性，可有效去除色度、高濃度有機(jī)碳、COD及各種染料等。在食品工業(yè)廢水處理中，納濾膜可以去除廢水中的蛋白質(zhì)、色素、有機(jī)物和微生物，處理后的水基本無(wú)色，BOD、COD值極低。

3.2 納濾技術(shù)在垃圾滲濾液處理中的應(yīng)用

垃圾滲濾液是一種成分復(fù)雜的高濃度有機(jī)廢水，含有BOD、COD、含氮化合物等，不僅氣味惡臭，還含有不少致癌物。采用物化法處理垃圾滲濾液成本較高，目前主要采用生物法處理，但生物法出水水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)，因此對(duì)滲濾液進(jìn)行深度處理成為需要迫切解決的問(wèn)題。與其他技術(shù)相比，以納濾和反滲透為主體的膜分離技術(shù)具有分離性能好、可去除多種污染物及病原體、出水水質(zhì)穩(wěn)定、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，且納濾技術(shù)更具有操作壓力低（350～1000kPa）、成本低、濃縮液易于處理的特點(diǎn)。

4.反滲透技術(shù)

反滲透是用足夠的壓力使溶液中的溶劑（一般常指水）通過(guò)反滲透膜（一種半透膜）而分離出來(lái)，與自然滲透方向相反，可使用大于滲透壓的反滲透法進(jìn)行分離、提純和濃縮溶液。利用反滲透技術(shù)可以有效的去除水中的溶解鹽、膠體，細(xì)菌、病毒、細(xì)菌內(nèi)毒素和大部分有機(jī)物等雜質(zhì)。反滲透是最先進(jìn)的也是最節(jié)能、環(huán)保的一種脫鹽方式，也已成為了主流的預(yù)脫鹽工藝。

反滲透技術(shù)主要用于生產(chǎn)高品質(zhì)再生水、苦咸水處理、海水淡化等領(lǐng)域，這些技術(shù)已經(jīng)在水資源緊缺的中東、日本、新加坡等地區(qū)得到廣泛運(yùn)用。

4.1 反滲透技術(shù)應(yīng)用于再生水處理

再生水回用技術(shù)目前已頗為成熟，中東、日本等沿海缺水地區(qū)都力圖將市政二級(jí)出水進(jìn)一步凈化達(dá)到各類行業(yè)的用水標(biāo)準(zhǔn)。例如在科威特，主要的污水處理廠都采用生物二級(jí)處理，Sulaibiya處理廠是當(dāng)前世界上規(guī)模最大的膜再生水廠（規(guī)模為60×104m3/d），通過(guò)UF/RO膜工藝將該廠及周邊污水處理廠的二級(jí)出水處理達(dá)到工業(yè)回用和農(nóng)業(yè)灌溉用水的要求。

4.2 反滲透技術(shù)應(yīng)用于苦咸水、海水處理

我國(guó)西北甘肅、寧夏部分地區(qū)水資源匱乏，地表水和地下水水質(zhì)普遍較差，苦咸水廣泛分布，表現(xiàn)為高濃度鹽堿（高礦化度）成分，尤以Cl-和SO42-含量最高，遠(yuǎn)超出《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）中氯鹽和硫酸鹽含量≤250mg/L的要求。Cl-和SO42-的傳統(tǒng)去除方法具有消耗大、成本高、引入雜質(zhì)離子等局限性，因此找到一種可行性高的脫除方法是十分必要的。反滲透技術(shù)可用于脫除水溶液中除H+、OH-以外的其他無(wú)機(jī)離子，廣泛用于海水、苦咸水的淡化、除鹽處理。

反滲透海水淡化技術(shù)至上世紀(jì)70年代商業(yè)化以來(lái)，其高效、低能耗、清潔、少污染、操作管理方便等特點(diǎn)使其成為當(dāng)今先進(jìn)的脫鹽技術(shù)。經(jīng)過(guò)50多年的研究開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，反滲透海水淡化膜及膜組件性能得到大幅度的提高，其脫鹽率已高達(dá)99.8%，而產(chǎn)水量提高了2～3倍多。能耗及制水噸水成本的降低促進(jìn)了反滲透海水淡化的快速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在亞洲地區(qū)，2000年總產(chǎn)能為41.2×104m3/d，2009年則達(dá)到了210×104m3/d，其中中國(guó)的總產(chǎn)能比例由2000年的3%提高到了目前的23%，也就是說(shuō)我國(guó)反滲透海水淡化產(chǎn)能已經(jīng)超過(guò)48×104m3/d（包括在建），相比2000年提高了38倍多。

5.微濾+反滲透雙膜工藝

微濾+反滲透雙膜工藝對(duì)于水中溶解性有機(jī)物質(zhì)、溶解鹽類、金屬離子、微生物病毒和膠體物質(zhì)等均具有很強(qiáng)的去除能力。目前，微濾+反滲透雙膜工藝已被廣泛應(yīng)用于市政污水、工業(yè)廢水的深度處理回用領(lǐng)域。美國(guó)、新加坡及國(guó)內(nèi)天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)再生水工程、北京燕山石化再生水項(xiàng)目等工程實(shí)踐已經(jīng)充分證明了雙膜工藝在高品質(zhì)再生水生產(chǎn)過(guò)程中的適宜性。

北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)東區(qū)再生水廠一期工程以小紅門(mén)污水處理廠出水為再生水水源，經(jīng)微濾+反滲透雙膜工藝深度處理后，出水水質(zhì)達(dá)到高品質(zhì)再生水水質(zhì)要求，通過(guò)配套管網(wǎng)直接供給京東方“八代線”項(xiàng)目作為工藝生產(chǎn)用水水源，用于替代傳統(tǒng)自來(lái)水水源。該項(xiàng)目的順利投產(chǎn)，節(jié)約了大量的工業(yè)用自來(lái)水，提高了水資源循環(huán)利用率，緩解了開(kāi)發(fā)區(qū)用水緊張的現(xiàn)狀，進(jìn)一步推動(dòng)了開(kāi)發(fā)區(qū)國(guó)家級(jí)節(jié)水示范區(qū)的建設(shè)，是一次非常有益的污水資源再生利用工程實(shí)踐。

6.結(jié)論

我國(guó)水環(huán)境污染問(wèn)題和水資源緊缺并存，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格化，污水再生回用和飲用水的安全性受到越來(lái)越多的重視。由于能降低能耗，有效去除水中的病毒、微量有機(jī)物等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性高的污染物，高/低壓膜組合工藝、膜技術(shù)和其他技術(shù)的復(fù)合工藝成為研究熱點(diǎn)。膜法水處理和污水處理技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用對(duì)于解決以上問(wèn)題具有十分重要的意義。

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