膜分離技術在飲用水處理中的應用綜述

成芃榮，周云超

(1 揚州大學環境科學與工程學院，江蘇 揚州 225100；2 中衡設計集團股份有限公司，江蘇 蘇州 215000)

1 膜分離技術簡述

1.1 膜分離技術的誕生

近年來，我國許多城市都存在水資源短缺問題。隨著經濟發展，人們的生活水平質量不斷提高，對水污染問題越來越重視，對飲用水的水質要求越來越高。尤其是很多傳統的常規處理工藝具有一定的局限性，傳統的工業廢水處理方法有氧化還原法、生物處理法等，尤其在實際應用的過程中，這些常規處理方法存在很多不足，比如前期投資過高、操作過程過于復雜等。很多常規處理工藝只能去除水中22%～30%的有機污染物，已經無法保障飲用水的安全性。膜分離技術作為一種新型的給水分離技術如今發展非常迅速。膜分離的現象廣泛存在于自然界中，然而人類對它的認識和研究卻經過了漫長的道路。膜分離技術起源于20世紀30年代，60年代開始在商業上得到應用，在水資源可持續利用方面的應用越來越廣泛，甚至被稱為21世紀的水處理技術。

1.2 膜分離技術的原理

膜分離技術的最核心元件是天然或者人工合成的薄膜，它具有良好的選擇透過性，通過外界能量或者化學位差作為推動力，對雙組分或多組分溶質和溶劑進行分離、提純和富集的方法[1]，最后將具有不同物理性質或者化學性質的混合物分離開來。

1.3 膜分離技術的特點

膜分離技術作為一種更加新型的分離凈化方法，它最顯著的優點就是處理效率高，膜的選擇透過性決定了它能選擇性地讓一些物質透過，而隔絕另一些物質。合適的膜可以更加高效對物質進行分離。膜分離技術的過程基本可以實現在常溫下操作，自動化程度高，展現出低能耗、低成本的優點，整個過程消耗能源較常規工藝要少很多。膜分離工藝的設備運行相對穩定、裝置操作方便，對環境基本無二次污染，在對水進行凈化的過程中同時又不污染環境[2]。綜上所述，膜分離技術在飲用水處理中具有分離率高、耗能低、沒有二次污染等優點。

2 膜分離技術分類

2.1 微濾膜分離

微孔過濾主要利用孔徑為0.1～10 μL的對稱微孔膜，主要的驅動力為壓力差，過濾的溶液一般含高分子量，從而與溶液分離。壓力差范圍為50～100 kPa，其傳質分離機理為篩分截留效應，一般被截留的物質為微粒、大分子溶質及懸浮物質。基于微濾膜的特性，微濾膜分離技術主要用于截留細小粒子、菌體及其他懸浮性污染物，從而使水質凈化。

微濾膜具有很多優良的特點，最顯著的特點就是其膜孔分布均勻，過濾的效果非常好。制作微濾膜的材料一般具備熱穩定性，通常采用聚氯乙烯這類高分子材料制作濾膜。微孔濾膜過濾過程中不易脫落，濾膜使用壽命較長。但微孔濾膜對于微粒的容量較小，分離時容易產生堵塞現象[3]。因此在對物質進行分離前，需進行預過濾，以避免產生堵塞。

2.2 超濾膜分離

超濾膜采用超濾技術，與微濾膜分離的過程類似，同樣采用非對稱膜，壓力差范圍一般為100～1000 kPa。在外界的壓力影響下，溶液中分子和水利用多孔膜進行分離，孔徑約為2.5～45 nm，其傳質分離機理為篩分截留效應，一般透過超濾膜的為溶劑和小分子物質，被截留的為生物大分子及膠體物質[4]。超濾膜能夠有效除去水中微生物、膠體等物質，如今在飲用水凈化具有廣泛的應用。

由于超濾膜結構特殊，在分離過程中不易引起膜孔堵塞，使得超濾膜的使用壽命顯著提高。超濾膜的過濾精密度較高，可以除去膠體、藻類等物質[5]。超濾膜在使用過程中會使膜污染，因而會降低其分離效率，不過超濾膜機械強度較好，耐化學腐蝕性能好，可以反復清洗以除去污染物和恢復通量。

2.3 納濾膜分離

納濾膜主要利用非對稱膜或復合膜，溶劑與低價小分子物質可以透過納濾膜，納濾膜一般可以截留的溶質粒子粒徑小于1 nm[6]。對有機廢水中的小分子量物質有較好的去除效果，能耗低并且不會產生二次污染，不影響分離物質的固有性質。納濾膜的分離性能明顯優于微濾和超濾，納濾膜分離技術在礦泉水的純化和飲用水的軟化中具有廣泛的應用。

當今采用納濾膜分離技術處理飲用水，能夠去除飲用水中微量有害離子并保留人體所需礦物質，去除水中有機微污染物。納濾膜多為復合膜，常用荷電化法、界面聚合法等制備，機械強度大、耐高壓。需要注意的是納濾膜在飲用水處理中需要根據其使用情況定期進行清洗，以免膜污染導致對污染物截留率降低及膜通量下降。陶潤先等[7]進行的以生物活性炭作為預處理工藝制備飲用水的實驗結果表明，經預處理和保安過濾器截留后，在操作壓力0.32～0.37 MPa下連續運行兩個月，膜污染程度很低。

2.4 反滲透膜分離

反滲透膜分離技術主要是以壓力差范圍為0.1～10 MPa作為傳質驅動力，如果溶液側施加外壓大于滲透壓時，溶劑分子會由純溶劑側向溶液側變為由溶液側向溶劑側流動。因此透過反滲透膜的大多數是溶劑，所截留的物質一般為溶液或懸浮物質、無機離子、大分子溶質[8]。在進行反滲透膜分離操作之前，一般都會對原料液要進行預處理，一般采用微濾或者超濾的預處理方法去除原液中的微小粒子，以免對反滲透膜產生損害[9]。目前反滲透膜分離在飲用水處理中主要應用于淡化海水，當然在純水制備中也有很廣泛的應用。

3 膜分離技術在飲用水處理中應用現狀

3.1 飲用水純化

膜分離技術與傳統工藝相比，可以解決許多傳統工藝中存在的復雜問題，綜合運用膜分離技術可以消除水中的微污染物和消毒副產物，現已被大量用于飲用水處理中。特別是以納濾膜為核心的處理工藝因為其雜質去除率高，運行壓力低等優點，在市政供水行業的優勢已經逐步體現。福州市長樂二水廠的取水口會受到海水倒灌的影響，使得原水中氯化物指標不斷升高，出廠水中的氯化物指標呈階段性、季節性超標，特別是到了秋季咸潮時，市民家里自來水會“發咸”。為保障供水水質安全，福州市長樂二水廠在不更換外部水源及不增加外部管網接入的前提下，升級改造了現有的處理工藝進行。如今已建成國內規模最大的以納濾膜為核心的“超濾+納濾+濃水反滲透”的全膜法水處理工藝的自來水廠并實現穩定運行[10]。長樂二水廠設計產水規模為10萬 m3/d，預處理采用超濾達到去除水中微小顆粒及膠體物質的目的，深度處理部分采用納濾+濃水反滲透的全膜法工藝[10]。出廠水中的氯化物含量及各項指標都能滿足飲用水標準，在提高水資源利用率的同時并能有效提升出廠水的水質，保障居民用水安全。

3.2 海水淡化

海水是許多沿海城市重要的水資源，但海水含有較高的微溶無機鹽離子，比如鈣離子、磷、鎂等無機離子，用一般方法難以去除。因此需要對海水進行脫鹽處理才能利用，淡化海水工程最具競爭力且技術相對比較成熟的為反滲透法。在反滲透淡化海水工程中，通過反滲透膜技術并同時添加阻垢劑和酸能夠有效去除進水中的碳酸根和重碳酸根[11]，目前這種方法已經應用于某些沿海城市缺水城市。

三沙市永興島的海水淡化廠建設之前，補給船定期補給島上居民的飲用水，船運的補給淡水用運水車運送至居民自建的水窖儲存，水量非常有限。并且其他生活用水水源主要是島上降雨，即依靠匯集屋頂雨水儲存在自建的雨水窖中。基于永興島上用水規模小，所有物資均需船運，島上可用地面積較小的特點，最終采用反滲透技術進行海水淡化。三沙市永興島海水淡化廠每天產水1000 m3，運行過程不投加混凝劑，水質滿足標準，永興島海水淡化廠占地面積小、工程量小、自動化程度高、安全可靠、運行過程耗材種類少用量小，很好地滿足了島上居民的生活用水需求。通過資料了解到永興島海水淡化廠運行系統主要由納米催化絮凝沉淀系統、海水淡化膜系統等系統組成。海水通過取水系統進入電解機，出水進入斜板沉淀池，再經過超濾過濾，最后作為海水淡化膜系統的進水[12]。在反滲透海水淡化膜分離設備進行脫鹽處理，脫鹽處理后的淡水作為飲用水供給島上居民使用，濃縮海水直接排放入海。

4 膜分離技術的未來展望

如今，膜分離技術現在是世界水處理領域研究的熱點之一，特別是在飲用水處理過程中膜分離技術展現出很多優點，正是這些優點很好地解決了常規工藝無法解決的問題，并且很好地緩解了如今資源緊張、環境污染所帶來的困擾。由于膜分離技術的優越性能，目前已經得到世界各國的普遍重視。膜分離技術因具有出水水質優良、占地小、自動化程度高等特點，已成為了目前最有效的飲用水深度處理技術之一。膜分離技術在未來必將成為自來水廠飲用水深度處理的主流工藝。雖膜分離技術獲得了成功，但它畢竟還處于發展階段，還有許多問題等待解決。盡管膜技術有著很大優勢，但依舊需要在簡化工藝、和提高運行穩定性等方面進一步完善。我國膜分離技術由于開發起步晚，與其他國家的先進水平還存在較大差距，需要我國研究人員進一步的研究開發完善[13]。未來膜分離技術將會

被進一步改進和完善，不斷擴充原有的應用領域，使膜分離技術發揮更大的作用。