膜分离技术在水处理中的应用及存在问题分析.doc
摘要：本文介绍了膜分离技术在废水处理、饮用水和高纯水制备中的应用，阐述了在分离过程中存在的问题及相关解决途径。
关键词：膜 膜分离 水处理
1 引言
膜分离技术是近年来在全球迅速崛起的一项新技术，近半个世纪以来,膜分离技术得到了迅速的发展。膜分离技术作为新的分离净化和浓缩方法，与传统的分离操作相比,具有能耗低、分离效果高、无二次污染、工艺简单的特点[1-2]，因此在水处理、生物化工、食品工业、造纸工业、制药工业等领域得到广泛应用[3-4]。
一些发达国家，膜分离技术应用领域尤为广泛。根据有关数据的统计显示：美国占50 % , 日本占18%，西欧占23% [5]。膜的工业应用领域如表1所示[6]。
表1.膜分离的工业应用
工业领域 应用
化学工业 有机物除去或回收，污染控制，气体分离，药剂回收和再利用
水处理 海水、苦咸水淡化，超纯水制备，电厂锅炉水净化，废水处理
食品及生化工业 净化，浓缩，消毒，代替蒸馏，副产品回收
金属工艺 金属回收，污染控制，富氧燃烧
纺织及制革工业 余热回收，药剂回收，污染控制
造纸工业 代替蒸馏，污染控制，纤维及药剂回收
医药工业 人造器官，控制释放，血液分离，消毒
国防工业 舰艇淡水供应，战地污染水源净化，野战供水
2 在水处理中的应用
目前，环境问题日趋严重, 其中较为突出的是废水的处理。尽管废水治理达标排放的方法很多，但不容置疑, 膜技术应用最为普遍。我国水资源很贫乏,不少城市都存在用水严重紧张的问题, 同时随着人民生活水平的提高,对水质也提出更高的要求,希望能够饮用到更优质的水。此外，海水的淡化处理和高纯水的生产，这些都是社会发展的需要，以上问题我们都可以通过膜分离技术来解决。
2.1 废水的处理
废水处理一直是我国乃至世界在环保方面一直关注和亟待解决的问题，而膜处理技术在这方面能做到很好的处理，既能得到可达标的水源，又能有效的利用废水中的有价成分。
徐新阳等人[7]报道了利用反渗透法处理垃圾填埋场渗沥液，用反渗透膜处理后的渗沥液，可同时去除有机和无机成分，滤过液可作为工艺循环水使用或排放。残留液通过蒸发,可以获得固态废物，这些废物可返回填埋场进行填埋。申欢等[8]采用氨氮吹脱与厌氧工艺进行预处理后,采用膜生物反应器法处理城市垃圾填埋场产生的渗沥液,获得了较好的效果。
纺织印染业工艺过程中会产生大量高盐度(﹥5 %) 、高色度(数万至十几万) 、高化学需氧量（CODCr数万至十几万）、可生化性差的废水[9]，经过超滤只能部分去除色度、不能被去除小分子有机染料。所以超滤处理后还不能循环使用，不过经过超滤后的渗透液可以达标排放，但如果再通过纳滤处理就可以使废水达到回用标准，纳滤处理后，水在硬度、有机物浓度和色度等可以接近地下水的水平[7]。
造纸工业是我国国民经济的支柱产业之一，也是投资大、能耗高、污染严重的行业。薛建军等人[10]提出了用MAE单阳膜技术控制造纸黑液的污染，探讨了这种膜技术从造纸黑液中回收氢氧化钠等有用化学品的途径；通过该技术不但能回收有用的化学品，还可将黑液的CODCr值从112000 mg/L 处置到2000 mg/L左右。
在钢铁工业的压延、金属切削、研磨以及石油炼制及管道运输等产业经常产生含油废水，其特点是数量大，杂质多。处理含油废水的目的主要是除油同时去除COD及BOD。对含油废水的膜处理主要是采用不同材质的超滤膜和微滤膜进行。唐燕辉[10]等设计、组装的膜处理装置，考察了多种制膜方法，实验表明用加压制膜法制备的超滤膜(A4 膜) ，分离机械加工排放的含油污水时，可以使CODCr 从728.64 mg/L 降至87.8 mg/L, 含油质量浓度从5000 mg/L 降至2.5 mg/L，脱除率分别达到87.95%和99.95%，分离后排水已达到国家规定的排放标准。
重金属废水也是常见的废水之一，如电镀、冶金、化工、电子、矿山等许多工业过程中都会产生含镍、铬、铜、铅、镉等金属离子的废水[11], 利用膜技术不仅可以使得废水达标排放, 而且可以回收有用物质。A.Hafiarle 等[12]对纳滤分离铬酸盐进行了研究后指出, 使用TFC—S系列纳滤膜替代常规方法去除溶液中的Cr( Ⅵ) 是可行的。许振良[13]等利用3种单皮层聚醚酰亚胺( PEI) 中空纤维超滤膜, 对水溶液中重金属离子(镉和铅, 质量浓度均为100 mg/L)的脱除进行了胶束强化超滤研究。
2.2 饮用水的制取
近年来，膜分离技术在饮用水制取方面得到了广泛应用，而且处理规模也越来越大。仅应用超滤工艺的水厂中净化规模在20×104 m3/d以上的已有数座，超滤水厂的总处理量已超过800×104 m3/d[14]。还有许多厂家利用微滤工艺进行处理，从上可见，膜处理法已经成为饮用水制取最常见的方法。
微滤可以有效去除小颗粒有机物和悬浮固体，但天然和人工合成的有机物仅用微滤的方法是不能去除的，需要与其他方法相结合，微滤结合混凝、吸附预处理处理饮用水越来越引起人们的关注，赵鹏[15]等人用两个PAC结合微滤技术处理河水，在两个反应器中维持很高的出水通量达到167L/m2•h，实验证明不同粒径的PAC，在高通量下都对有机物有很好的去除率。韩国的Jeong-ik Oh[16]等人研究微滤结合在线快速搅拌器加混凝剂生产饮用水，当加入混凝剂为1.1mg/L 时，膜阻力最小，电势接近于零，此时具有很好的处理效果。
超滤技术20 世纪80年代{学}开始用于饮用水处理。法国于1988 年建成的Amoncourt水厂是世界上第1个采用UF工艺的水厂,我国在20 世纪90年代中期开始超滤水处理实验研究,2005年5月在苏州市第一座超滤水处理厂投入运行[17]。吴光等人[18]的研究发现UF在国内的制水成本是0.23 元/m3, 耗电0.18 kW/m3。深圳水务集团的研究表明,在常规工艺的基础上增加臭氧—活性炭深度处理工艺会使制水成本增加0.30 元/m3。这些研究表明超滤工艺的制水成本比常规工艺+ 臭氧+活性炭深度处理工艺的制水成本低。颜翠平[19]等人报道了“日本21 世纪膜计划”研究表明超滤膜过滤技术能有效过滤地表水,达到市政用水的要求, 南非在不同地区应用低压膜技术制造饮用水,试验研究显示超滤膜技术是一个简单有效的饮用水生产方法,采用的低压聚砜毛细管超滤膜能去除天然有机物、去色、减少部分细菌。
2.3 海水的淡化
海水淡化主要是去除海水中所含的无机盐，通过一系列的过程转变为低盐度的淡水。利用海水淡化技术从海水中制取淡水，缓解日趋严重的世界性水危机，不仅已在全球科技界形成共识，成为人们取得淡水的一种重要手段，也已成为各临海国家的政府主张与开发新水源的对策。
据报道[20]，世界上装机应用的海水淡化方法主要有多级闪蒸（Multi Stage Flash，MSF）、多效蒸发（Multi-Effect Distillation，MED）和反渗透法（Reverse Osmosis，RO）。反渗透海水淡化厂的最大规模为每天30万吨，建在沙特阿拉伯；反渗透苦咸水淡化厂的最大规模为每天38万吨，建在美国；蒸馏淡化厂的最大规模为每天30万吨，建在阿布扎比。
我国研究海水淡化技术起步较早，也是世界上少数几个掌握海水淡化等资源利用先进技术的国家之一。目前，从事海水、苦咸水淡化技术研究、设计的单位有30多家，生产设备的厂家近100家[20],山东省荣成成功建成了万吨级反渗透海水淡化示范工程第一期工程[21]，使我国海水淡化技术上一个新的台阶，标志着我国已具有建设大型反渗透海水淡化工程的能力。2006年，王玉红[22]提出了通过纳滤膜截留二价离子的能力，有效的脱除了海水中的钙、镁、硫酸根和碳酸根等易结垢的二价离子，为海水进一步淡化提供更有利的进水水质, 对海水淡化产业的发展起推动作用。黄英[23]等人报道了用反渗透法将海水和苦咸水淡化的技术，通过该方法，使反渗透系统回收率达75%，将NaCl含量从13000 mg/L左右的苦咸水脱盐至500 mg/L，淡水质量符合国家标准。
2.4 超纯水的制备
超纯水在电子工业主要是用于电子元器件的生产，其品质已成为影响电子元器件产品质量、生产成品率及生产成本的重要因素之一。
国家海洋局二所与中科院上海冶金研究所合作开发的采用反渗透技术制备超纯水[24]，使超纯水水质由7×106—7×107Ω•cm提高到1.5×106—1.7×107Ω•cm达到了国家ASTM-EM级水质标准。电去离子（Electrodeionization,简称EDI）技术是国际上20世纪90年代才逐步成熟的纯水生产技术，是一项纯水生产领域具有革命性的技术突破。王冬云[25]等人在制备高纯水过程中通过EDI的实验研究，表明提高EDI膜堆的操作电流可以得到高质量的纯水，EDI膜堆进水电导率越低，产水水质越好。
3 存在的问题及分析
在用膜技术处理水的应用过程中，产生膜的污染是在所避免的，产生膜的污染的原因很多，膜污染原因比较复杂，但究其主要原因是浓差极化和膜污染。浓差极化是膜表面局部浓度增加引起边界层流体阻力增加，导致传质推动力下降的现象，而膜污染是指料液中的微粒、胶体粒子或溶质分子由于与膜之间存在物理化学作用而在膜表面及膜孔中沉积，使膜孔堵塞或变小，膜阻增大，膜的渗透速率下降的现象[26]。
多年来，国内外在膜污染的理论研究和应用实践的基础上，积累了不少行之有效的经验和方法，在此介绍几种方法。
3.1 改变膜材料质量及其表面性能
Malogorzata 等人[27]研究发现膜的亲水性越好, 膜污染越轻。因此选择亲水性强膜组件可以减轻膜污染。
3.2 减小水中盐浓度
水中溶解度小的金属氢氧化物或盐会直接在膜表面沉积，引起膜污染；此外,Malogo-
rzata等人[27]在对含腐殖酸和钙盐的溶液进行超滤时, 发现钙离子浓度增加会使腐殖酸产生一种“收缩”，和金属离子生成的络合体会阻塞膜孔。由铁锰等引起的污染,用HCl等酸性药剂进行清洗，可使膜通量得到较好的恢复效果。
3.3 改变水的pH 值
Kerry[28]的研究发现, 原水偏酸性( pH ﹤ 6) 或偏碱性( pH = 9) 条件下膜污染比中性条件下轻。把原水调到适当的pH 值进行处理也是减轻膜污染的措施之一。
3.4 减少水中有机物种类
Crozes 等人[29]研究发现超滤膜污染的主要因素是疏水性有机物的吸附污染; Cheng- Fang Lin 等人[30]研究发现天然有机物中腐殖酸是UF膜的主要污染源,并且发现腐殖酸的羧基基团的含量越高越容易导致膜的污染。可以通过在超滤前采用适当的预处理工艺减轻这类膜污染。由有机物引起的膜污染可以用NaClO 或NaOH进行化学清洗恢复膜通量。
4 结束语
膜分离技术在水处理中应用很广泛，但是廉价、性能完备的膜的制备和膜污染问题影响着膜分离技术在水处理过程中广泛应用。为此，研究新材料与开发制膜新工艺、开发性能完备的集成膜分离技术以及开发膜分离与传统的分离技术相结合的新型膜分离过程将是未来一段时期内的主要研究方向。
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