成芃榮，周云超

(1 揚州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225100；2 中衡設(shè)計集團股份有限公司，江蘇 蘇州 215000)

1 膜分離技術(shù)簡述

1.1 膜分離技術(shù)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(jīng)濟發(fā)展，人們的生活水平質(zhì)量不斷提高，對水污染問題越來越重視，對飲用水的水質(zhì)要求越來越高。尤其是很多傳統(tǒng)的常規(guī)處理工藝具有一定的局限性，傳統(tǒng)的工業(yè)廢水處理方法有氧化還原法、生物處理法等，尤其在實際應(yīng)用的過程中，這些常規(guī)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(fù)雜等。很多常規(guī)處理工藝只能去除水中22%～30%的有機污染物，已經(jīng)無法保障飲用水的安全性。膜分離技術(shù)作為一種新型的給水分離技術(shù)如今發(fā)展非常迅速。膜分離的現(xiàn)象廣泛存在于自然界中，然而人類對它的認識和研究卻經(jīng)過了漫長的道路。膜分離技術(shù)起源于20世紀30年代，60年代開始在商業(yè)上得到應(yīng)用，在水資源可持續(xù)利用方面的應(yīng)用越來越廣泛，甚至被稱為21世紀的水處理技術(shù)。

1.2 膜分離技術(shù)的原理

膜分離技術(shù)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(xué)位差作為推動力，對雙組分或多組分溶質(zhì)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(zhì)或者化學(xué)性質(zhì)的混合物分離開來。

1.3 膜分離技術(shù)的特點

膜分離技術(shù)作為一種更加新型的分離凈化方法，它最顯著的優(yōu)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(zhì)透過，而隔絕另一些物質(zhì)。合適的膜可以更加高效對物質(zhì)進行分離。膜分離技術(shù)的過程基本可以實現(xiàn)在常溫下操作，自動化程度高，展現(xiàn)出低能耗、低成本的優(yōu)點，整個過程消耗能源較常規(guī)工藝要少很多。膜分離工藝的設(shè)備運行相對穩(wěn)定、裝置操作方便，對環(huán)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(huán)境[2]。綜上所述，膜分離技術(shù)在飲用水處理中具有分離率高、耗能低、沒有二次污染等優(yōu)點。

2 膜分離技術(shù)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(qū)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(zhì)分離機理為篩分截留效應(yīng)，一般被截留的物質(zhì)為微粒、大分子溶質(zhì)及懸浮物質(zhì)?；谖V膜的特性，微濾膜分離技術(shù)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(zhì)凈化。

微濾膜具有很多優(yōu)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(wěn)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(chǎn)生堵塞現(xiàn)象[3]。因此在對物質(zhì)進行分離前，需進行預(yù)過濾，以避免產(chǎn)生堵塞。

2.2 超濾膜分離

超濾膜采用超濾技術(shù)，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(zhì)分離機理為篩分截留效應(yīng)，一般透過超濾膜的為溶劑和小分子物質(zhì)，被截留的為生物大分子及膠體物質(zhì)[4]。超濾膜能夠有效除去水中微生物、膠體等物質(zhì)，如今在飲用水凈化具有廣泛的應(yīng)用。

由于超濾膜結(jié)構(gòu)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(zhì)[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(xué)腐蝕性能好，可以反復(fù)清洗以除去污染物和恢復(fù)通量。

2.3 納濾膜分離

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

當今采用納濾膜分離技術(shù)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(zhì)，去除水中有機微污染物。納濾膜多為復(fù)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(jù)其使用情況定期進行清洗，以免膜污染導(dǎo)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(yù)處理工藝制備飲用水的實驗結(jié)果表明，經(jīng)預(yù)處理和保安過濾器截留后，在操作壓力0.32～0.37 MPa下連續(xù)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(shù)主要是以壓力差范圍為0.1～10 MPa作為傳質(zhì)驅(qū)動力，如果溶液側(cè)施加外壓大于滲透壓時，溶劑分子會由純?nèi)軇﹤?cè)向溶液側(cè)變?yōu)橛扇芤簜?cè)向溶劑側(cè)流動。因此透過反滲透膜的大多數(shù)是溶劑，所截留的物質(zhì)一般為溶液或懸浮物質(zhì)、無機離子、大分子溶質(zhì)[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(yù)處理，一般采用微濾或者超濾的預(yù)處理方法去除原液中的微小粒子，以免對反滲透膜產(chǎn)生損害[9]。目前反滲透膜分離在飲用水處理中主要應(yīng)用于淡化海水，當然在純水制備中也有很廣泛的應(yīng)用。

3 膜分離技術(shù)在飲用水處理中應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 飲用水純化

膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相比，可以解決許多傳統(tǒng)工藝中存在的復(fù)雜問題，綜合運用膜分離技術(shù)可以消除水中的微污染物和消毒副產(chǎn)物，現(xiàn)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(zhì)去除率高，運行壓力低等優(yōu)點，在市政供水行業(yè)的優(yōu)勢已經(jīng)逐步體現(xiàn)。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(jié)性超標，特別是到了秋季咸潮時，市民家里自來水會“發(fā)咸”。為保障供水水質(zhì)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(wǎng)接入的前提下，升級改造了現(xiàn)有的處理工藝進行。如今已建成國內(nèi)規(guī)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(xiàn)穩(wěn)定運行[10]。長樂二水廠設(shè)計產(chǎn)水規(guī)模為10萬 m3/d，預(yù)處理采用超濾達到去除水中微小顆粒及膠體物質(zhì)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(zhì)，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(shù)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(shù)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(jīng)應(yīng)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(shè)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?；谟琅d島上用水規(guī)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(shù)進行海水淡化。三沙市永興島海水淡化廠每天產(chǎn)水1000 m3，運行過程不投加混凝劑，水質(zhì)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(tǒng)主要由納米催化絮凝沉淀系統(tǒng)、海水淡化膜系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。海水通過取水系統(tǒng)進入電解機，出水進入斜板沉淀池，再經(jīng)過超濾過濾，最后作為海水淡化膜系統(tǒng)的進水[12]。在反滲透海水淡化膜分離設(shè)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(shù)的未來展望

如今，膜分離技術(shù)現(xiàn)在是世界水處理領(lǐng)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(shù)展現(xiàn)出很多優(yōu)點，正是這些優(yōu)點很好地解決了常規(guī)工藝無法解決的問題，并且很好地緩解了如今資源緊張、環(huán)境污染所帶來的困擾。由于膜分離技術(shù)的優(yōu)越性能，目前已經(jīng)得到世界各國的普遍重視。膜分離技術(shù)因具有出水水質(zhì)優(yōu)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(shù)之一。膜分離技術(shù)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(shù)獲得了成功，但它畢竟還處于發(fā)展階段，還有許多問題等待解決。盡管膜技術(shù)有著很大優(yōu)勢，但依舊需要在簡化工藝、和提高運行穩(wěn)定性等方面進一步完善。我國膜分離技術(shù)由于開發(fā)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(fā)完善[13]。未來膜分離技術(shù)將會

被進一步改進和完善，不斷擴充原有的應(yīng)用領(lǐng)域，使膜分離技術(shù)發(fā)揮更大的作用。