膜分離技術在污水處理中的應用

廖鈺茹

摘 要：隨著社會經濟和化學工業的迅速發展，水污染問題也日益突出，引起人們的廣泛關注。相比于傳統的污水處理方法，膜分離技術由于具有操作簡便、低能耗、有利于資源回收的巨大優勢而倍受科學界和產業界關注。本文通過檢索文獻的方法探究了膜分離技術的基本原理與發展前景，分別介紹了微濾、超濾、納濾、反滲透等技術，并以其應用實例體現了膜分離技術在污水處理中的優勢所在，并結合薄膜的清洗和污染說明了其瓶頸。由此闡述說明充分開發、推廣和應用膜分離技術的重要性。

關鍵詞：污水處理;膜分離;膜污染

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0014-02

0 引言

我國是世界上水污染最嚴重的國家之一，隨著我國工業水平的不斷發展，工業污水重金屬及有害物質含量超標。水體富營養化以及城市生活中的污水不能得到完全的無害化處理已經引起全社會的日益重視。為改善我國水資源現狀，加強污水處理措施成為必由之路。傳統的污水處理方法有化學沉淀法，氧化還原法，蒸發濃縮法等，但其存在能耗大，處理效果不佳，高投資等缺點。與傳統方法相比，膜分離法作為新型水處理技術，以高分子薄膜作為分離介質，更加高效、操作簡單、能耗低且能夠回收一定可用資源，不僅能夠更好地處理污水，也完美符合循環經濟的概念，是具有廣闊發展前景的一種污水處理方法。

1 膜分離技術概述與分類

膜分離技術的傳質原理是，由于待分離物的分子粒徑不同，在通過半透膜時發生分離，從而實現液體或氣體的高度分離純化。針對不同的分離要求和所含雜質的成分，膜分離技術又可分為微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）和反滲透（RO）等幾類，其孔徑由大至小直到無孔膜，在不同污水處理領域中都有廣泛的應用。圖1展示了幾種膜分離技術的分離范圍。

1.1 微濾（MF）膜分離

微濾是最常見的一種膜分離過程，由于微濾膜的孔徑較大，在多級分離裝置中，常作為預處理工藝進行使用。微濾膜孔徑約為0.02微米至1.2微米，主要用于截留溶液中的大尺度膠體等懸浮顆粒或固體。

1.2 超濾（UF）膜分離

超濾的孔徑尺寸介于微濾和納濾之間，其濾膜孔徑在0.05微米至1納米之間，一般而言，其操作壓力為0.1-0.5Mpa。超濾膜主要用于去除污水中的懸浮微粒、膠體、細菌病毒等大分子物質。

1.3 納濾（NF）膜分離

納濾是一種比超濾更為精細的膜分離過程，它的孔徑極小，約為1nm至3nm。在多重過濾中納濾的作用主要是用于過濾廢水中的重金屬離子和有機物。

1.4 反滲透（RO）膜分離

將相同液面高度的含有同一溶質的濃稀溶液分別置于半透膜兩側，稀溶液的溶劑將自動向濃溶液一側滲透。此時，如果對濃溶液一側施加壓力，當壓力大于滲透壓時，溶劑將會向自然滲透方向相反方向移動，即從濃溶液一側向稀溶液一側滲透，從而在濃溶液一側達到濃縮溶液的效果，而稀溶液則被進一步稀釋。在實際中，反滲透膜常用于海水淡化，在低壓側得到淡水。然而，由于反滲透膜是半透無孔膜，其傳質過程涉及溶解相關機理，因此對它的污染往往是不可逆的，在污水處理過程中，通常需要對經過反滲透膜處理的污水進行預處理。

2 膜分離技術的應用實例

圖2展示了膜透過程原理。近年來，膜分離技術因其操作簡單，減少能耗，能夠回收有用資源，優化資源配置等特性獲得了廣泛的研究，新的工藝和應用場合被不斷開發。以下筆者將從工業污水中的油田廢水與城市污水兩個角度出發，給出兩個膜分離技術在污水處理中應用的實際案例。

2.1 在工業污水中的應用

在油田開采等石油化工過程中，常常需要處理含油廢水，在這類廢水中，分離難度最大的油質是乳化油。傳統方法使用電解法破乳使油凝聚，除了能耗大以外，費用也較高。而超濾技術不需要破乳即可將油粒子分離。廢水的油脂含量逐漸減少，最后去除量可達90%以上，達到排放標準。另一方面，隨著油脂的濃度增加，油粒子的體積越來越大，逐漸凝聚成漂浮油，在撇油裝置將其撇除后，經過進一步加工處理，可作為成品油向外出售。不僅保證了資源的循環利用，還提升了經濟效益。

2.2 在城市生活污水中的應用

隨著科技的不斷發展，人們的生活水平也在不斷提高，但用水需求的不斷上升伴隨著城市污水處理迫在眉睫。運用膜分離技術，可以更加高效便捷的處理城市生活污水。相比于其他處理方式，膜分離技術處理城市生活污水能更好的節省成本節約資源，達到資源二次利用的效果，依據不同的分離程度，得到各種不同用途的水資源。通過微濾、超濾、納濾、反滲透等多級分離裝置，膜分離技術能有效去除蟲卵、溶解鹽等雜質，減少水質濁度與色度。經處理的水可以用以補充地表水與地下水，也可用于農田灌溉、消防、綠化等。在美歐等發達國家，管道直飲水系統的建設為眾多城市提供了安全可靠的飲用水源。可見使用膜分離技術處理城市生活污水，可以極大地幫助解決城市中水資源匱乏的問題。

3 膜分離技術的發展瓶頸

圖3展示了膜分離裝置。在實際中，膜分離技術的發展也遭遇了很多的限制和瓶頸，濾膜的污染和清洗問題就是其中之一。它指的是薄膜在使用的過程中通量逐漸減小從而需要頻繁清洗，導致其操作成本增高的現象。

薄膜被污染的原因很多，其中具有典型性的包括：難溶物質或者凝膠附著在膜表面使得溶液無法通過，粒徑小于孔徑的顆粒在孔內聚集導致孔堵塞等等。清洗濾膜需要多次的酸堿化學清洗，縮短的清洗周期可能會損傷薄膜導致其使用壽命縮減，從而降低了經濟效益。要使膜分離技術在污水處理領域進一步得到推廣和商業化，膜的污染和清洗問題必須得到解決。

4 結語

隨著社會經濟的迅速發展，人們的生活水平得以提高的同時，對水污染等環保問題也越來越重視。相比傳統的污水處理方式，膜分離技術因其分離效果好，操作簡便，更有利于資源的循環利用和經濟效益的提升等優點，作為新型水處理技術受到廣泛關注。世界各國的許多科研機構與政府部門都致力于膜分離技術的開發和推廣。膜分離技術在處理城市生活污水和工業廢水等方面都發揮了重要的作用，其廣闊的用途促進了這項技術的發展。但目前仍有一些困難限制著膜分離技術的發展，其局限性體現在嚴重的膜污染和頻繁的清洗造成薄膜的性能變差，為此需要開發廉價簡便的清洗方式。另外，膜分離技術在污水處理領域中，攔截效率較高的是有機大分子和重金屬等，但污水中所含雜質種類繁多，對于酸堿類和含氨類廢水的截留效果不理想。隨著膜材質的改進，相信這些問題會逐漸得到解決，膜分離技術在污水處理中的應用前景將會更加廣泛。

參考文獻

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