膜分離技術(shù)在深度處理城市飲用水中的應(yīng)用

閆夏嬌

(山西省水利水電科學(xué)研究院)

1 問題的提出

目前，我國的水體污染問題突出，其主要原因有自然和人為兩個(gè)方面。水體自然污染是由于雨水對(duì)各種礦石的溶解作用，以及火山爆發(fā)和干旱地區(qū)的風(fēng)蝕作用所產(chǎn)生的大量灰塵落入水體所致;水體人為污染是由于人們向水體排放大量未經(jīng)處理的工業(yè)廢水、生活污水和各種廢棄物，造成水質(zhì)惡化。通常所說的水污染，主要是指后一種。現(xiàn)狀市政供給的自來水作為飲用水，很容易受到污染，其原因主要為:①自來水廠加工工藝陳舊;②城市輸水管道老化失修及蓄水池、水塔缺少養(yǎng)護(hù);③突發(fā)事件及工業(yè)污染;④常規(guī)自來水消毒劑的污染;⑤水藻污染。針對(duì)日益嚴(yán)峻的飲用水污染狀況，國家出臺(tái)了《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)，將飲用水水質(zhì)指標(biāo)由原來的35項(xiàng)增加到106項(xiàng)，對(duì)其中的污染限值要求進(jìn)行了更為嚴(yán)格的規(guī)定。

多年來，城市飲用水的凈水工藝大體經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段:第一代常規(guī)的混凝—沉淀—過濾—氯消毒凈水工藝，主要解決顆粒污染物，有效地控制了病菌的傳播;第二代凈水工藝在第一代工藝的基礎(chǔ)上增加了臭氧顆?；钚蕴?，能夠去除水中有毒害的微量有機(jī)污染物;隨著20世紀(jì)末期飲用水中“兩蟲”(即賈地鞭毛蟲和隱孢子蟲)的出現(xiàn)，膜分離技術(shù)的應(yīng)用成為城市飲用水第三代處理工藝的技術(shù)主流，通過與前兩代技術(shù)的工藝組合，能夠?qū)⑺械碾s質(zhì)和微生物幾乎全部除去。曾經(jīng)的城市飲用水處理工藝，已經(jīng)很難適應(yīng)當(dāng)前居民對(duì)飲用水水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著城市凈水工藝的不斷發(fā)展變革，居民飲用水的安全觀念逐步提升，以膜分離技術(shù)為核心的凈水技術(shù)逐漸被廣泛推廣應(yīng)用。

2 凈水原理與特點(diǎn)

膜分離技術(shù)是指以天然或人工合成的高分子薄膜為介質(zhì)，在外界能量或化學(xué)位差的推動(dòng)力作用下，基于膜的選擇滲透功能，對(duì)混合物中溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離、分級(jí)、提純和濃縮。它能把流體分隔成不相通的兩個(gè)部分，使其中的一種或幾種物質(zhì)能透過，而將其他物質(zhì)分離出來。與傳統(tǒng)過濾的不同之處，在于膜可以在分子范圍內(nèi)進(jìn)行分離。目前，膜分離技術(shù)在水處理、醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、石油化學(xué)工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2.1 膜分離技術(shù)的凈水原理

膜分離技術(shù)，是利用一張?zhí)厥庵圃斓挠羞x擇透過性的薄膜，在外力推動(dòng)下對(duì)混合物進(jìn)行分離、提純、濃縮的一種新型分離技術(shù)，可根據(jù)混合物的物理性質(zhì)不同用過篩的方法將其分離，或根據(jù)混合物的不同化學(xué)性質(zhì)分離物質(zhì)。物質(zhì)通過分離膜的速度(溶解速度)取決于進(jìn)入膜的速度和進(jìn)入膜表面擴(kuò)散到膜的龍眼(另一表面)的速度(擴(kuò)散速度)。溶解速度完全取決于被分離于膜材料之間物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的差異，而擴(kuò)散速度除物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)外還與物質(zhì)的分子量有關(guān)，速度越快，透過膜所需的時(shí)間越短，混合物中各組分透過膜的速度相差越大，則分離效率越高［1］。

2.2 膜分離的種類及特點(diǎn)

膜分離技術(shù)的核心是薄膜的孔徑大小，根據(jù)不同的孔徑范圍(或截留分子量)，可分為微濾、超濾、納濾和反滲透4種類型膜［2］。

2.2.1 微濾(MF)

微濾也叫微孔過濾，屬于一種精密過濾，是一個(gè)篩分分離過程。根據(jù)微濾膜材料的不同，可劃分為無機(jī)和有機(jī)兩大類。微濾膜孔徑尺寸一般為0.02-10 μm，可以對(duì)較大直徑的細(xì)菌和其他懸浮類固體進(jìn)行分離。根據(jù)微濾膜的分離特點(diǎn)，主要被用于從氣相和液相中分離細(xì)菌、細(xì)小微粒及其他污染物。微濾膜是目前膜技術(shù)推廣應(yīng)用最廣的一類。

2.2.2 超濾(UF)

超濾膜的孔徑為0.001-0.02 μm，介于微濾和納濾之間。以薄膜兩側(cè)溶液的壓力差為驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)溶液從膜一側(cè)流向另一側(cè)時(shí)，只有直徑小于膜孔徑范圍的小分子物質(zhì)能夠通過，同時(shí)截留分子量＞500 daltom、粒徑＞2-20 nm的顆粒，能夠從溶液中分離出蛋白質(zhì)、細(xì)菌、膠體、懸浮固體類物質(zhì)。

2.2.3 納濾(NF)

納濾膜的孔徑范圍介于超濾和反滲透之間，基于擴(kuò)散吸附原理，以膜兩側(cè)的壓力差為推動(dòng)力對(duì)通過膜的溶液進(jìn)行分離，能夠截留的有機(jī)物分子量約為200-800 MW左右。大多數(shù)的納濾復(fù)合膜，表面的分離層由聚電解質(zhì)構(gòu)成，并具有一定的抗鹽性能。在對(duì)溶液的分離過程中，高分子量有機(jī)溶質(zhì)被截留，而鹽類組分則部分可以穿透薄膜。

2.2.4 反滲透(RO)

反滲透膜表面的微孔直徑一般在0.000 1-0.001 μm之間，是以膜的孔徑劃分類別中最為精細(xì)的一類。以膜兩側(cè)溶液的靜壓為助推力，能夠有效截留所有溶解鹽分及分子量大于100 daltom的有機(jī)物。通常情況下，只有溶劑(一般是水)能夠透過薄膜，幾乎可截留所有的微生物及離子類物質(zhì)，出水幾乎可以達(dá)到純凈水。反滲透膜可除去可溶性鹽、重金屬、有機(jī)物、細(xì)膠體粒子、發(fā)熱物質(zhì)等，由于分離后具有出水質(zhì)量高、運(yùn)行成本低、無污染、操作方便、運(yùn)行可靠等眾多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為海水、苦咸水淡化以及制備純水最節(jié)能、可靠的方法。

3 技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 技術(shù)特點(diǎn)

膜分離技術(shù)處理城市飲用水，是近年來飲用水處理的一項(xiàng)突出技術(shù)。相比傳統(tǒng)的混凝、沉淀、過濾、消毒技術(shù)，經(jīng)過膜分離技術(shù)處理后的水質(zhì)可以達(dá)到以前水處理設(shè)施從未達(dá)到的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，特別是膜技術(shù)與其他技術(shù)聯(lián)用的組合工藝，幾乎可以完全除去水中的微生物，達(dá)到蒸餾狀態(tài)的純凈水。膜分離城市飲用水具有以下特點(diǎn):①是一種物理分離過程，不產(chǎn)生任何副產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)力是膜兩側(cè)的液體壓力差，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制;②可分離分子量大的物質(zhì)，時(shí)間短，效率高;③分離過程可在常溫下進(jìn)行，基本不發(fā)生“相”的變化，耗能低，能量轉(zhuǎn)化率高。

3.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著膜技術(shù)的不斷發(fā)展，膜的新材料不斷研發(fā)，膜質(zhì)量和膜通量有效提高，制造成本日益降低，膜分離技術(shù)在處理城市飲用水中的應(yīng)用越來越廣泛。目前，我國采用膜過濾的自來水廠呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，在北京、上海、廣州等地，相繼建成投產(chǎn)了多座規(guī)模大于10萬 m3/d的水廠。以膜分離技術(shù)為核心的家用凈水設(shè)備，體積小、占地少、結(jié)構(gòu)簡單，與自來水管道對(duì)接方便，控制、維修、更換簡易方便，分離效率高，更是得到了大范圍的普及推廣。

4 目前存在的主要問題

膜分離技術(shù)由于工藝流程的原因，在壓力下不可避免地會(huì)被栓塞、污染，因此必須定期舒塞、清潔和更換，運(yùn)營成本相對(duì)較高，且容易造成二次污染。目前，對(duì)膜污染的原因及控制技術(shù)，也缺乏深入的理論研究和實(shí)踐;廉價(jià)、性能完備的膜的制備，以及和其他技術(shù)聯(lián)用的組合工藝還不完善;膜分離技術(shù)在城市給水廠的應(yīng)用還較少，尤其是還沒有在規(guī)模較大的給水廠中應(yīng)用，缺乏對(duì)適宜飲用水各種膜處理工藝的選擇設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。這些問題的存在，均影響著膜分離技術(shù)在水處理過程中的推廣應(yīng)用。

5 前景展望

膜分離作為水處理研究中的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，由于具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、能耗低、無需人為添加消毒劑等諸多優(yōu)點(diǎn)，將逐漸成為凈水技術(shù)的主流。隨著膜污染、膜材料研發(fā)等技術(shù)難題的破解，膜分離技術(shù)在處理城市飲用水領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊，將在未來城市的水生態(tài)建設(shè)與維護(hù)中發(fā)揮極其重要的作用。

［1］黃維菊，魏 星.膜分離技術(shù)概論［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2008.

［2］程方，邢國平，劉紅斌.水處理與膜分離技術(shù)問答［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.