膜技術(shù)在飲用水處理上的應(yīng)用與發(fā)展

胥標(biāo)，王晶

（1重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400045 2重慶市江北嘴中央商務(wù)區(qū)開(kāi)發(fā)投資有限公司 重慶 400024）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量的生活和工業(yè)廢水排入水體，使人類賴以生存的水源日益受到污染。限于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平，系統(tǒng)地改造現(xiàn)有水廠的設(shè)施，推廣深度處理工藝以全面提高管網(wǎng)水的水質(zhì)，目前尚難以實(shí)現(xiàn)。因此，尋找一種占地面積小、維護(hù)管理方便、處理水質(zhì)穩(wěn)定的工藝方法，獲得優(yōu)質(zhì)的飲用水是解決目前我國(guó)城市飲水問(wèn)題的一個(gè)重要途徑。膜技術(shù)作為飲用水處理的一個(gè)獨(dú)立工藝，是水處理領(lǐng)域近十年來(lái)最重要的技術(shù)突破。隨著膜工藝日漸成熟，價(jià)格逐年降低，其在未來(lái)飲用水處理中具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 膜技術(shù)簡(jiǎn)介

國(guó)際理論與應(yīng)用聯(lián)合會(huì)(IUPAC)將膜定義為“一種三維結(jié)構(gòu)，三維中的一度(如厚度方向)尺寸要比其余兩度小得多，并可以通過(guò)多種推動(dòng)力進(jìn)行質(zhì)量傳遞”，該定義強(qiáng)調(diào)了維度的相對(duì)大小和功能。膜也可以定義為兩個(gè)均相之間的一個(gè)不連續(xù)區(qū)間，即有選擇性的屏蔽。膜的分離作用也就是借助膜在分離過(guò)程中的選擇滲透作用。[1]由于膜與滲透組分之間的物理或化學(xué)性質(zhì)的不同，膜可以使某一特定組分更容易通過(guò)。

1.1 常用膜技術(shù)及特點(diǎn)

按膜孔大小應(yīng)用于飲用水處理的膜可分為微濾 (MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和反滲透(RO)。

（1） 微濾（MF）

微濾是一種以壓力為動(dòng)力，以濾膜的截留作為基礎(chǔ)的高精密過(guò)濾技術(shù)。微孔濾膜孔徑范圍一般為0.1～10μm。

微濾膜過(guò)濾技術(shù)特點(diǎn)是：膜孔徑均一，過(guò)濾精度高，濾速快，吸附量少，無(wú)介質(zhì)脫落等。

（2） 超濾（UF）

超濾是以壓力為驅(qū)動(dòng)力，利用超濾膜的高精度截留性能進(jìn)行固液分離或者使不同分子量物質(zhì)分級(jí)的膜分離技術(shù)。

超濾技術(shù)特點(diǎn)是：在以壓力驅(qū)動(dòng)的膜過(guò)程中，超濾是一種能同時(shí)進(jìn)行濃縮和分離大分子或膠體物質(zhì)的技術(shù)。與反滲透相比操作壓力低，設(shè)備投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用低。無(wú)相變，能耗低，膜選擇性高。

（3） 納濾（NF）

納濾是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程。納濾膜對(duì)單價(jià)離子和分子量低于200的有機(jī)物截留較差，而對(duì)二價(jià)或多價(jià)離子及分子量介于200～500之間的有機(jī)物有較高脫除率。

（4） 反滲透（RO）

反滲透系統(tǒng)由反滲透裝置及其預(yù)處理和后處理三部分組成，是將溶液中的溶劑，在壓力下用一種對(duì)溶劑有選擇透過(guò)性的半透膜使其進(jìn)入膜的低壓側(cè)，而溶液中的其它成分被阻留在膜的高壓側(cè)得到濃縮的過(guò)程。

反滲透技術(shù)特點(diǎn)是：無(wú)相變，能耗低，膜選擇性高，裝置結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)便易維修和不污染環(huán)境等。

1.2 分離機(jī)理

微濾和超濾過(guò)程只是簡(jiǎn)單的機(jī)械篩分和擴(kuò)散作用，通常能截留分子量500以上、106以下的膜分離過(guò)程稱為超濾；只能截留更大分子（通常被稱為分散顆粒）的膜分離過(guò)程被稱為微濾。納濾膜具有離子選擇性，因此分離過(guò)程中除了包括物理截流和篩分作用外，靜電相互作用也起到不可估量的作用。在反滲透過(guò)程中，占主導(dǎo)地位的分離機(jī)理為水優(yōu)先吸附毛細(xì)管流動(dòng)溶解—擴(kuò)散理論，即溶質(zhì)的滲透分為兩個(gè)階段：首先溶質(zhì)被膜吸收或溶解，然后經(jīng)擴(kuò)散或?qū)α魍ㄟ^(guò)膜。

2 膜技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用

2.1 超濾、微濾技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用

超濾、微濾技術(shù)可有效去除顆粒狀物質(zhì)，包括微生物，如隱胞子蟲(chóng)、賈第蟲(chóng)、細(xì)菌和病毒，并且通過(guò)預(yù)處理膜過(guò)濾前的混凝或粉末活性炭，可以一定程度地降低消毒副產(chǎn)物前體物濃度和限制消毒過(guò)程中氧化劑需求量來(lái)減少消毒副產(chǎn)物。張捍民、張威等[2]進(jìn)行超濾膜去除飲用水中污染物的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明超濾膜能夠有效地去除懸浮固體及膠體，試驗(yàn)中出水濁度始終保持在0.25NTU以下，并且出水中檢不出細(xì)菌。薛罡、趙洪賓等[3]的研究也證明了這一點(diǎn)，并且發(fā)現(xiàn)超濾膜除鐵、錳的效率高，兩者的去除率均達(dá)到85%以上。

超濾、微濾技術(shù)與反滲透和納濾膜不同，它不需預(yù)處理就可直接處理高懸浮固體濃度的原水。處理能力小的凈水廠通常采用單獨(dú)的膜組件，而處理能力大的凈水廠（≥1萬(wàn)立方米/天）通常由框架和共用的附屬設(shè)備組成，膜組件的設(shè)計(jì)隨處理水量的增加而更加優(yōu)化。目前，在美國(guó)、英國(guó)、日本、法國(guó)、荷蘭、澳大利亞和南非等都已相繼建立了生產(chǎn)性的微濾、超濾凈水廠。

2.2 納濾技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用

納濾膜能有效去除水中致突變物質(zhì)，使Ames試驗(yàn)陽(yáng)性水變?yōu)殛幮?，TOC去除率可高達(dá)90%。納濾膜還可有效地去除硬度，完全去除色度。有研究表明[5]，納濾膜對(duì)于三鹵甲烷前體物(THMFP)、鹵乙酸前體物(HAAFP)和水合氯醛前體物(CHFP)有高去除率，分別為97%、94%和86%。納濾膜對(duì)細(xì)菌也有很好的去除效果，作為物理消毒以取代常規(guī)化學(xué)消毒是可行的。

A Gaid等[4]研究了法國(guó)Mery-Sur-Oise水廠納濾工藝的運(yùn)行效能，結(jié)果表明該工藝對(duì)有機(jī)物有著很好的去除效果，溶解性有機(jī)碳(DOC)平均去除率為60%，農(nóng)藥如莠去津(Atrazine)和西瑪津(Simazine)去除率達(dá)90%以上，出水中殘留的微污染物絕大部分低于分析檢測(cè)限度。李靈芝等[5][6]研究納濾循環(huán)制水試驗(yàn)工藝的效果表明，循環(huán)試驗(yàn)工藝與一段一段納濾工藝相比，在同樣較低的壓力下，出水率較高，并且能耗降低，減少濃水排放。

2.3 反滲透技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用

反滲透技術(shù)為開(kāi)發(fā)海水、苦咸水資源提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的途徑。1997年，在我國(guó)舟山嵊山建成日產(chǎn)500m3級(jí)反滲透海水淡化站，運(yùn)行結(jié)果表明，反滲透膜元件脫鹽率大于99%，可將含鹽量27000mg/L的海水淡化至200mg/L以下。繼嵊山之后，在遼寧省、浙江省、山東省都相繼建成了幾個(gè)大型反滲透海水淡化站。這標(biāo)志著我國(guó)反滲透海水淡化已步入產(chǎn)業(yè)化。2000年9月在河北滄州市建成18000t/d苦咸水反滲透淡化廠，該系統(tǒng)淡水水質(zhì)符合GB5749-85生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，其中溶解固體<500mg/L。

3 膜技術(shù)的發(fā)展

3.1 應(yīng)用前景廣闊

除上述飲用水應(yīng)用領(lǐng)域外，膜技術(shù)還可用于食品、化工、生物制劑、中草藥制劑、飲料、氣體分離和凈化等多種領(lǐng)域。近幾年應(yīng)用實(shí)踐證明，我國(guó)膜技術(shù)已步入大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用階段，市場(chǎng)潛力很大，應(yīng)用前景廣闊。

3.2 加強(qiáng)高性能膜和組器開(kāi)發(fā)

通過(guò)國(guó)家重點(diǎn)科技項(xiàng)目攻關(guān)，國(guó)產(chǎn)反滲透、超濾、微濾和納濾膜及組器開(kāi)發(fā)取得了豐碩成果，部分膜和組器性能達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平，但高性能的反滲透和納濾組器與世界先進(jìn)水平尚有一定差距。所以，近年來(lái)大量國(guó)外反滲透膜組器涌入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。

在當(dāng)前形勢(shì)下，我們應(yīng)堅(jiān)持引進(jìn)、消化吸收和自我開(kāi)發(fā)并重的原則，大力開(kāi)發(fā)復(fù)合膜用新材料和高性能復(fù)合膜成膜工藝，特別要加強(qiáng)高性能卷式和中空纖維反滲透及納濾膜組器開(kāi)發(fā)。盡快使國(guó)產(chǎn)組器全部替代進(jìn)口膜組器，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。

3.3 加強(qiáng)管理及標(biāo)準(zhǔn)的制定

我國(guó)于1986年組織制定了第一個(gè)膜法水處理行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——電滲析技術(shù)。其內(nèi)容包括電滲析術(shù)語(yǔ)、離子交換膜、電滲析器、電滲析除鹽工藝、電滲析用于鍋爐給水技術(shù)條件等；隨后又制定了電滲析用水鍋爐補(bǔ)給水的標(biāo)準(zhǔn)圖集；近年來(lái)又制定了部分反滲透、超濾和微濾行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使我國(guó)膜分離技術(shù)開(kāi)發(fā)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化管理階段。目前國(guó)家有關(guān)部門(mén)正在著手制定國(guó)家膜技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。建議加快這些標(biāo)準(zhǔn)的制定，把膜技術(shù)生產(chǎn)及應(yīng)用管理推向更高水平。

4 結(jié)語(yǔ)

膜技術(shù)被稱為“21世紀(jì)的水處理技術(shù)”，在凈水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景，但大規(guī)模的應(yīng)用還有一段時(shí)間。就目前而言，膜處理工藝較適合于小水量的凈水廠。但隨著膜工藝的日趨成熟，新膜的不斷開(kāi)發(fā)必將促進(jìn)膜處理在凈水處理中更廣泛的應(yīng)用，再加上其價(jià)格逐年降低，必將成為未來(lái)飲用水處理中最重要、最有效的處理技術(shù)。

[1]顧國(guó)維，何義亮.膜生物反應(yīng)器一在污水處理中的研究和應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]張捍民，張威，王寶貞.膜技術(shù)處理飲用水的研究[J].給水排水，2002，28(3).

[3]薛罡，趙洪賓，魏希柱等.超濾膜在制酒原水制備中的應(yīng)用[J].給水排水，1999，25(12).

[4]A Gaid， G Bablon， G Turner， J Franchet， J C Protais.Performance of 3 year’s of nanofiltration plants.Water Supply，1999，17(1):65～74.

[5]李靈芝，張淑琪，王占生.納濾 (NF)膜在飲用水處理中的應(yīng)用[J].給水排水，1997，23(5).

[6]李靈芝，李建渠，周蓉，等.納濾(NF)膜制取飲用水的研究[J].水處理技術(shù)，1998，24(2).