淺析膜技術(shù)在城市節(jié)水中應(yīng)用

◎ 遼寧省城市供水節(jié)水辦公室 劉紹偉

1、前 言

我國(guó)是一個(gè)淡水資源短缺的國(guó)家。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，全國(guó)正常年份缺水量約400億m3，由于淡水資源短缺，嚴(yán)重制約了我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展。近年來(lái)，隨著我國(guó)城鄉(xiāng)生活及工業(yè)用水的需求量不斷增加，對(duì)城市供水水質(zhì)和保障率的要求也不斷提高，缺水性質(zhì)從以工程型缺水為主向資源型缺水和水質(zhì)型缺水為主轉(zhuǎn)變。緩解淡水資源供需矛盾的根本途徑是節(jié)約用水、高效用水。只有高效用水，提高用水效率和效益，才能減少污水處理的負(fù)荷，真正解決水的環(huán)境與資源問(wèn)題。開(kāi)展城市節(jié)水工作，除了要采取法律、經(jīng)濟(jì)、道德、教育、工程等切實(shí)可行的綜合措施外，還要充分發(fā)揮高新科技手段在節(jié)水中的作用。其中，膜技術(shù)就是最為典型的高新科技手段之一。

膜是指一種具有特殊選擇性分離功能的無(wú)機(jī)或高分子材料。它能把流體分隔成不相通的兩部分，使其中一種或幾種物質(zhì)透過(guò)，而將其他物質(zhì)分離出來(lái)。膜技術(shù)是指依靠膜的選擇性進(jìn)行分離、純化與濃縮的技術(shù)，具有無(wú)相變、占地小、不需化學(xué)藥劑、易自控等優(yōu)點(diǎn)。膜技術(shù)在城市節(jié)水中的應(yīng)用，主要包括以下三個(gè)方面，首先在用水源頭，實(shí)現(xiàn)非常規(guī)水源的開(kāi)發(fā)，如海水和苦咸水淡化，飲用水凈化，地下水補(bǔ)救等；其次在水源應(yīng)用過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)工藝的清潔生產(chǎn)改造；在污水的處理方面，實(shí)現(xiàn)廢水深度處理回用與資源化。

2、膜技術(shù)在非常規(guī)水源開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

據(jù)有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，海水、內(nèi)陸地表咸水湖、地下咸水，共約占總水量的98%，開(kāi)發(fā)淡水資源以外的非常規(guī)水源成為節(jié)水工作的重要方面，淡化脫鹽技術(shù)中，對(duì)苦咸水脫鹽RO占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，占76.23%。 1995年后，新增海水淡化和苦咸水淡化容量RO為90%。膜法淡化水技術(shù)反滲透已成為海水和苦咸水淡化制取脫鹽水最為經(jīng)濟(jì)有效的方法。資料表明，到2010年止，世界上已建成膜法海水和苦咸水淡化廠，其生產(chǎn)能力達(dá)到日產(chǎn)淡水3600萬(wàn)噸，可提供世界5%的人口生活用水。其中世界最大的膜法海水淡化工程在最為缺水的中東以色列開(kāi)始運(yùn)行出水，其規(guī)模高達(dá)日產(chǎn)33萬(wàn)噸淡化水，滿足了以色列15%家庭用水。最大的苦咸水淡化工程是美國(guó)尤馬河水的處理工程，產(chǎn)水量37×104 m3/d，保證了河下游水的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)已建成日產(chǎn)萬(wàn)噸級(jí)海水淡化與苦咸水淡化廠，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。山東榮成日產(chǎn)10000m3RO海水淡化裝置，耗電為4.5kwh/m3。滄州集團(tuán)日產(chǎn)18000m3RO裝置，苦咸水淡化，耗電為3.1kwh/m3。到2010年，全國(guó)海水淡化能力達(dá)到80～100萬(wàn)立方米/日，為濱海城市、海島，艦船，苦咸水地區(qū)解決飲用水和工業(yè)用水提供取之不盡的水源保證。因此，膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“開(kāi)源與節(jié)流”，增加了可利用水資源的總量，節(jié)約天然淡水資源。

3、膜技術(shù)傳統(tǒng)工藝清潔生產(chǎn)改造中的應(yīng)用

膜技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)工藝的改造，一方面實(shí)現(xiàn)減少傳統(tǒng)工藝對(duì)化學(xué)藥劑的使用量，提高了產(chǎn)品的回收率，另一方面物料與水循環(huán)使用，減少了水源的需求與污水排放。膜技術(shù)成為清潔生產(chǎn)最重要的技術(shù)手段之一，在改造傳統(tǒng)工藝和節(jié)水減污中發(fā)揮更重大的作用。其應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣泛，幾乎覆蓋了食品、飲料、生物、制藥、石油、化工等諸多行業(yè)。

在食品飲料工業(yè)，膜技術(shù)的應(yīng)用始于60年代末，先是用于乳品加工和啤酒無(wú)菌過(guò)濾，并逐漸用于果汁飲料加工、酒類(lèi)精制、飲用純水生產(chǎn)等方面。近年來(lái)已擴(kuò)展到發(fā)酵和生物工程的應(yīng)用，各種動(dòng)、植物蛋白的加工等行業(yè)。目前應(yīng)用較多的是飲料用水的處理技術(shù)，其次是酶制劑的濃縮和精制。此外微濾和超濾技術(shù)在白酒的除濁增香，啤酒的除菌保鮮，果酒、黃酒、保健酒的精制，果汁的澄清，尤其是蘋(píng)果汁的澄清等方面應(yīng)用較多。速溶茶的生產(chǎn)已開(kāi)始用超濾和反滲透技術(shù)進(jìn)行提純和濃縮。

在生物制藥工業(yè)，抗生素的相對(duì)分子量大都在300－1200范圍內(nèi)，納濾膜適用于相對(duì)分子在1000以下的物質(zhì)，傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程為發(fā)酵澄清、萃取、減壓蒸餾，使用的有機(jī)溶劑量大而能耗高、污染大，而在對(duì)發(fā)酵液采用納濾膜濃縮或濃縮萃取液，實(shí)現(xiàn)了水或有機(jī)溶劑的循環(huán)使用，已經(jīng)成功用于維生素、頭孢菌素、青霉素三大醫(yī)藥品種發(fā)酵液的分離，幾十種抗生素新藥的純化。大量中成藥生產(chǎn)也開(kāi)始運(yùn)用膜技術(shù)。在國(guó)內(nèi)各大制藥廠幾乎都有膜技術(shù)改造后的新的生產(chǎn)工藝在運(yùn)轉(zhuǎn)，每年節(jié)約水量可達(dá)上千萬(wàn)噸。

在石油化工工業(yè)，推廣全氟磺酸羧酸離子膜電解取代傳統(tǒng)的汞陰極法和石棉隔膜法燒堿生產(chǎn)技術(shù)， 按2005年統(tǒng)計(jì)，離子膜堿平均用水量要比隔膜堿平均用水量少用1.16／噸，電耗少用16.48千瓦時(shí)/噸，當(dāng)前離子膜法燒堿比重離子膜占有率也僅占到40%，如果全部代替，每年可以節(jié)水上千萬(wàn)噸。鋼鐵冷軋乳化液廢水陶瓷膜處理技術(shù)，已在寶鋼、武鋼、馬鋼、昆鋼等公司推廣，如果在采油煉油行業(yè)中應(yīng)用，每年可以節(jié)水幾億噸。滲透汽化(PV)膜技術(shù)替代或部分替代傳統(tǒng)的蒸餾，進(jìn)行脫水和除去少量揮發(fā)組份，有顯著的節(jié)水、降耗效果。在電鍍行業(yè)，我國(guó)每年排出的電鍍污水總量約為40億立方米，這類(lèi)污水的特點(diǎn)是高污染，難治理。采用電滲析、液膜、反滲透等膜技術(shù)進(jìn)行工藝改造，一方面回收利用電鍍?cè)希ㄦ?、鉻等貴重金屬和純凈水），大大降低生產(chǎn)成本，另一方面，可以實(shí)現(xiàn)電鍍廢水零排放或微排放，具有很好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。杭州水處理中心和長(zhǎng)沙力元新材料股份有限公司共同開(kāi)發(fā)的日處理1200噸的電鍍污水處理系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行5年時(shí)間，各項(xiàng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均達(dá)到并超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4、膜技術(shù)污水資源化中的應(yīng)用

近年來(lái)，我國(guó)每年排放污水量約400-500億m3，污水處理率僅55-65%左右，回用率更低，膜技術(shù)為污水、廢水深度處理回用與資源化提供了重要技術(shù)保證，體現(xiàn)在膜高新技術(shù)與傳統(tǒng)水處理技術(shù)的高度統(tǒng)一。在傳統(tǒng)生物法（常規(guī)活性污泥法，A-B法，A2/0，水解一氧化，SBR，氧化溝等）處理后，采用超濾或微濾處理或反滲透處理回用滿足城市工業(yè)與生活用水要求。特別是膜生物反應(yīng)器技術(shù)，將超濾或微濾取代二沉池，強(qiáng)化了生化作用，是膜技術(shù)與傳統(tǒng)生化技術(shù)有機(jī)結(jié)合而成的新型的污水再生技術(shù)，在近三五年取得了迅猛的發(fā)展。與傳統(tǒng)的集中式的污水處理模式相比，分散式中小型膜法污水資源化處理工程解決了城市土地成本高、管網(wǎng)建設(shè)難、投資大、難管理、回用水可靠性差等問(wèn)題，其更加適合于城市污水再生回用要求。

4.1 污水資源化供給工業(yè)用水

城市工業(yè)用水占城市用水總量的45%，主要包括冷卻用水、熱力和工藝用水、洗滌用水。其中工業(yè)冷卻水用量占工業(yè)用水總量的80%左右，取水量占工業(yè)取水總量的30～40%?；鹆Πl(fā)電、鋼鐵、石油、石化、化工、造紙、紡織、有色金屬、食品與發(fā)酵等八個(gè)行業(yè)取水量約占全國(guó)工業(yè)總?cè)∷康?0%(含火力發(fā)電直流冷卻用水) 。膜技術(shù)污水再生技術(shù)在這些行業(yè)中的應(yīng)用極大的緩節(jié)了缺水狀況。2002年在我國(guó)最大的不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)太鋼國(guó)內(nèi)最大規(guī)模的污水回用工程開(kāi)始運(yùn)行，日產(chǎn)能處理水量7.2萬(wàn)噸/日，總投資4800萬(wàn)，采用中國(guó)藍(lán)星集團(tuán)水處理公司的反滲透膜分離技術(shù)，改造凈環(huán)水軟水站，也就是對(duì)現(xiàn)有達(dá)標(biāo)排放的濁環(huán)水作進(jìn)一步除鹽處理，進(jìn)行廢水回用，從而滿足50萬(wàn)噸不銹鋼系統(tǒng)工程擴(kuò)建供水要求。原來(lái)太鋼每天用水17萬(wàn)噸，占太原市城市用水的1/4。技改后，太鋼每年可少采1400萬(wàn)噸新水。水成本由采用引黃入晉水的成本3元，降至2.5元。目前，在鞍鋼、遼河油田、哈爾濱啤酒、錦州石化等不同工業(yè)企業(yè)中實(shí)現(xiàn)了膜技術(shù)工業(yè)污水回用。如果全國(guó)按工業(yè)污水排放量的20%實(shí)現(xiàn)膜法濃度處理回用，則每年可以節(jié)約近100億噸淡水資源，將大大緩解淡水資源短缺的問(wèn)題，同時(shí)也將減少污水排放量，降低污水處理投資和運(yùn)行成本。

4.2 污水資源化供給城市生活用水

城市生活用水包括：城市居民、商貿(mào)、機(jī)關(guān)、院校、旅游、社會(huì)服務(wù)、園林景觀等用水。目前城市生活用水已占城市用水量的55%左右，而不直接接觸人體的各種雜用水，約占生活總用水量的50%以上。中水是指生活污水經(jīng)過(guò)處理達(dá)到規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可在一定范圍內(nèi)使用的非飲用水。實(shí)行污水資源化與中水回用是開(kāi)展城市節(jié)水工作的重要舉措。2008年，北京市為迎奧運(yùn)，建設(shè)的北小河再生水廠和清河再生水廠中，首次采用國(guó)際上最先進(jìn)的膜處理技術(shù)，使出水水質(zhì)達(dá)到高級(jí)景觀用水甚至飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。其設(shè)計(jì)規(guī)模分別高達(dá)到4.5萬(wàn)噸/日與8萬(wàn)噸/日。天津、青島、廣州、沈陽(yáng)等地也建成并投產(chǎn)運(yùn)行的日產(chǎn)萬(wàn)噸以上的膜法城市污水再生廠。

隨著膜技術(shù)的普及應(yīng)用，膜材料與設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化的實(shí)現(xiàn)，膜工程造價(jià)與運(yùn)行成本還將進(jìn)一步降低。同時(shí)，我國(guó)水工業(yè)市場(chǎng)化的不斷完善，水價(jià)格體系的逐漸形成，公眾節(jié)水意識(shí)的不斷提高，相關(guān)法律法規(guī)的完善，推廣應(yīng)用膜技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益將突顯其優(yōu)勢(shì)，其必將成為城市用水再生回用的首選技術(shù)。

5、結(jié)論

1、膜技術(shù)已經(jīng)成熟，具有占地少，處理產(chǎn)水品質(zhì)高、穩(wěn)定可靠、高自控、抗沖擊、節(jié)能等技術(shù)特點(diǎn)，已經(jīng)成為城市節(jié)水實(shí)現(xiàn)的重要技術(shù)保證。

2、膜技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在用水源頭實(shí)現(xiàn)非常規(guī)水源的開(kāi)發(fā)、在水源應(yīng)用過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)工藝的清潔生產(chǎn)改造、在污水的處理方面實(shí)現(xiàn)廢水深度處理回用與資源化等諸多方面，在城市節(jié)水工作中，有廣闊的應(yīng)用前景。

3、膜技術(shù)是排水技術(shù)與給水技術(shù)、高新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的高度統(tǒng)一，可最大限度的實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益，是最有前途的節(jié)水技術(shù)之一。