膜技術(shù)在水處理行業(yè)應(yīng)用分析

張偉偉

【摘 要】社會的發(fā)展，環(huán)境的破壞，導(dǎo)致水資源污染嚴(yán)重，全世界都在關(guān)注水的問題。在我國80%以上的水體被不同程度污染，污染物越來越復(fù)雜，為了滿足水質(zhì)的需求，針對各種水源開發(fā)出不同的工藝，水的處理技術(shù)不斷更新。相對傳統(tǒng)技術(shù)，膜技術(shù)表現(xiàn)出工藝簡潔、自動化程度高、水質(zhì)適用范圍廣、出水水質(zhì)大幅提升等優(yōu)勢。水處理行業(yè)已進(jìn)入大發(fā)展時代，膜技術(shù)將在未來得到大力推廣、應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】水處理 膜技術(shù) 反滲透 超濾

最新資料顯示，到目前，世界上約有100個國家缺水，26個國家嚴(yán)重缺水，40%的人口遭受缺水之苦，每年約有2500萬人因水污染而死亡，有10億人喝不到干凈的飲用水。我國人均水資源占有量，僅相當(dāng)于世界人均水資源占有量的四分之一，在全國600多個城市中，有400多個城市供水不足。隨著社會的發(fā)展，工業(yè)用水日益增加，廢水排放量增長速度極快，水體污染問題日益突出。為了保證生活、生產(chǎn)用水，國家越來越重視水資源的保護(hù)和高效利用，采取高投入、嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)水處理行業(yè)的全面發(fā)展。膜技術(shù)被稱為是21世紀(jì)的水處理技術(shù)，是近幾十年來發(fā)展最迅速，應(yīng)用前景最廣的技術(shù)。與傳統(tǒng)水處理技術(shù)相比，膜技術(shù)具有節(jié)能、投資少、操作簡便、處理效率高等優(yōu)點 ，膜技術(shù)的應(yīng)用給人類帶來了巨大的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

1 膜技術(shù)的發(fā)展

1748年法國阿貝.諾倫特首次揭示了膜分離技術(shù)現(xiàn)象；1863年杜布福特制成第一個膜滲析器，開始膜分離技術(shù)新紀(jì)元；1950年朱達(dá)制成具有實用價值的離子交換膜；1953年美國里德教授在OWS開始反滲透的研究；1961年美國Hevens公司首先推出管式膜組件制造法；1964年美國通用原子公司研制出螺旋式反滲透組件；1967年美國杜邦公司研究出尼龍-66中孔纖維膜組件； 1970年E.卡斯勃爾研制成含流動載體的液膜，使膜技術(shù)提高到創(chuàng)新水平；90年代出現(xiàn)了納濾。

在我國，1965年開始反滲透的研究，1975年開始超濾研究，與國際基本同步，成為僅次于歐美、日本的膜技術(shù)大國，在反滲透、超濾、微濾、納濾、電滲析等領(lǐng)域都進(jìn)行了成功的研究并已形成市場化工業(yè)體系。由于水源日益匱乏、污染嚴(yán)重，膜分離技術(shù)受到世界各技術(shù)先進(jìn)國家的高度重視。近30年來，美國、加拿大、日本和歐洲等國家，一直把膜技術(shù)定位為高新技術(shù)，投入大量資金和人力，促進(jìn)膜技術(shù)迅速發(fā)展，使用范圍日益擴大。極大帶動給水處理、純水生產(chǎn)、海水淡化、苦咸水淡化、污水處理等水處理行業(yè)的變革。

2 膜分離技術(shù)的基本原理和特點

2.1 膜分離技術(shù)的基本原理

由于分離膜具有選擇透過特性，所以它可使混合物質(zhì)有的通過、有的留下。但不同的膜分離過程使物質(zhì)留下、通過的原理有的類似，有的完全不一樣。總的說來， 分離膜之所以能使混在一起的物質(zhì)分開，不外乎兩種手段。

（1）根據(jù)混合物物理性質(zhì)的不同——主要是質(zhì)量、體積大小和幾何形態(tài)差異， 用過篩的辦法將其分離。微濾膜分離過程就是根據(jù)這一原理將水溶液中孔徑大于100nm的固體雜質(zhì)去掉的。（2）根據(jù)混合物的不同化學(xué)性質(zhì)。物質(zhì)通過分離膜的速度取決于以下兩個步驟的速度：首先是從膜表面接觸的混合物中進(jìn)入膜內(nèi)的速度（稱溶解速度）；其次是進(jìn)入膜內(nèi)后從膜的表面擴散到膜的另一表面的速度，二者之和為總速度?？偹俣扔?，透過膜所需的時間愈短，總速度愈小，透過時間愈久。例如反滲透一般用于水溶解鹽去除。這是因為反滲透膜是親水性的高聚物，水分子很容易進(jìn)入膜內(nèi)，在水中的無機鹽離子則較難進(jìn)入，所以經(jīng)過反滲透膜的水就被除鹽淡化了。

2.2 膜分離技術(shù)的特點

（1）膜分離過程不發(fā)生相的變化，與其它方法相比能耗較低，因此又稱節(jié)能技術(shù)。（2）膜分離過程是在常溫下進(jìn)行的，因而特別適于對熱敏感的物質(zhì)，如廢水中有價值的重金屬、化學(xué)藥品、生產(chǎn)原料等的分離、分級、濃縮與富集過程。而用膜法處理飲用水，其出水水質(zhì)只取決于膜自身的性質(zhì)，如膜孔徑、膜的選擇性等，與原水水質(zhì)無關(guān)。（3）膜分離技術(shù)不僅適用于有機物和無機物、病毒、細(xì)菌的分離，而且還適用于許多特殊溶液體系的分離，如溶液中大分子與無機鹽的分離，一些共沸物或近沸點物系的分離等，而后者是常規(guī)方法無能為力的。（4）膜分離是一種物理過濾過程，故不會產(chǎn)生副產(chǎn)物。（5）膜分離法裝置簡單、操作簡易、便于維修且分離效率高。

3 膜分離技術(shù)簡介

3.1 膜分離技術(shù)的分類

3.1.1 按膜的過濾精度分

膜分離技術(shù)有微濾、超濾、納濾和反滲透。（1）微濾（MF）：過濾精度（?m）0.1～10，過濾壓力（Mp）0.1～0.3，截留分子量（Daltons道爾頓）>100000，去除懸浮顆粒、細(xì)菌、部分病毒及大尺度膠體，主要用于飲用水去濁、中水回用、納濾或反滲透系統(tǒng)預(yù)處理。（2）超濾（UF）：過濾精度（?m）0.002～0.1，過濾壓力（Mp）0.1～0.5，截留分子量（Daltons道爾頓）10000～100000，去除膠體、蛋白質(zhì)、微生物和大分子有機物，主要用于飲用水凈化，中水回用，納濾或反滲透系統(tǒng)預(yù)處理。（3）納濾（NF）：過濾精度（?m）0.001～0.003，過濾壓力（Mp）0.3～1.5，截留分子量（Daltons道爾頓）200～1000，去除多價離子、部分一價離子和分子量200～1000Daltons的有機物，主要用于脫除水的硬度、色度及放射性鐳，部分去除溶解性鹽，工藝物料濃縮等。（4）反滲透（RO）：過濾精度（?m）0.0004～0.0006，過濾壓力（Mp）>1，截留分子量（Daltons道爾頓）>100，去除溶解性鹽及分子量大于100Daltons的有機物，主要用于海水及苦咸水淡化、鍋爐給水、工業(yè)純水制備、廢水處理及特種分離等。

3.1.2 按膜的材質(zhì)分

（1）無機膜。一、金屬膜：是20世紀(jì)90年代由美國研制成功的，以多孔不銹鋼為基體、TiO2陶瓷為膜層材料的一種新型金屬-陶瓷復(fù)合型無機膜。具有良好的塑性、韌性和強度，以及對環(huán)境和物料的適應(yīng)性，是繼有機膜、陶瓷膜之后性能最好的膜材料之一。國外新研制的金屬膜采用不對稱結(jié)構(gòu)，以粗金屬粉末作支撐材料，以同種合金的細(xì)粉末噴涂作有效濾層（厚度小于200μm） ，其孔徑分布集中在1～2μm 之間，屬微濾（MF） 范圍，顆粒物難以進(jìn)入濾膜內(nèi)部堵塞濾道而滯留在膜表面，形成表面過濾。與傳統(tǒng)多孔燒結(jié)金屬濾材相比，不對稱金屬膜濾通量高3～4倍，壓降較小，反沖洗周期長達(dá)6～8個月，且反沖效果較好。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，金屬納米粉的制備技術(shù)日趨成熟，這為更高精度的金屬膜提供了材料基礎(chǔ)，納米金屬膜的發(fā)展前景十分廣闊。二、陶瓷膜：陶瓷膜的研究始于20世紀(jì)40年代，80年代初期成功地在法國的奶業(yè)和飲料業(yè)推廣應(yīng)用后，陶瓷膜分離技術(shù)和產(chǎn)業(yè)地位逐步確立，應(yīng)用也已拓展至食品工業(yè)、生物工程、環(huán)境工程、化學(xué)工程、石油化工、冶金工業(yè)等領(lǐng)域，成為苛刻條件下精密過濾分離的重要新技術(shù)。我國無機膜的研究始于20世紀(jì)80年代末，通過國家自然科學(xué)基金以及各部委的支持，以南京工業(yè)大學(xué)為代表的陶瓷膜研究團(tuán)隊，已經(jīng)能在實驗室規(guī)模制備出無機微濾膜及超濾膜等。進(jìn)入90年代，原國家科委（現(xiàn)科學(xué)技術(shù)部）對無機陶瓷膜的工業(yè)化技術(shù)組織了科技攻關(guān)，推進(jìn)了陶瓷微濾膜的工業(yè)化進(jìn)程。國家“863”計劃也將“無機分離催化膜”項目列入其中，至21世紀(jì)初，我國已初步實現(xiàn)了多通道陶瓷濾膜的工業(yè)化生產(chǎn)，并在相關(guān)的工業(yè)過程中獲得了成功的應(yīng)用。2002年第七屆國際無機膜大會在中國召開，標(biāo)志著我國的無機膜研究與工業(yè)化工作已進(jìn)到國際領(lǐng)先水平。

（2）有機膜。有機膜是由高分子材料做成的，如醋酸纖維素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。從20世紀(jì)80年代初開始，采用耐熱性、耐化學(xué)穩(wěn)定性、耐細(xì)菌侵蝕和較好機械強度的特種工程高分子材料作為膜材料，克服了用纖維素類材料所制膜易被細(xì)菌侵蝕、不適合酸堿液清洗、不耐高溫和機械強度較差等弱點。在這30多年中，先后出現(xiàn)了聚砜（PSF）、聚丙烯腈（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚醚酮（PEK）、聚醚砜（PES）等多種特種工程高分子材料，這些材料的出現(xiàn)使得膜的品種和應(yīng)用范圍大大增加。

3.1.3 按形狀分

有卷式、管式、平板式和中空纖維式如圖1所示。

3.2 膜法處理技術(shù)與傳統(tǒng)處理裝置的比較

以地表水處理至超純水為例：

3.2.1 傳統(tǒng)工藝

原水 斜管沉淀池 活性炭濾池（GAC） 機械過濾器 活性炭過濾器 陰、陽離子交換器 混和離子交換器 出水。

3.2.2 全膜法工藝

原水 微濾膜（MF）過濾 超濾（UF） 反滲透（RO） 二級反滲透（RO） 電除離子（EDI） 出水。

兩種工藝對比，傳統(tǒng)工藝的不足之處有：工藝復(fù)雜、占地面積大；不易實現(xiàn)自動控制、勞動強度大；頻繁的反洗、填料的老化、破碎導(dǎo)致效率低、水質(zhì)不穩(wěn)定、制水周期短；陰、陽離子再生頻繁，需消耗大量酸堿，導(dǎo)致勞動強度大、影響效率低、廢液污染環(huán)境、運行費用高等。

膜技術(shù)具有以下優(yōu)勢：精度高、范圍廣，不僅可以去除不溶性物質(zhì)，還能有效去除溶解性物質(zhì)，適應(yīng)各種水源，及出水水質(zhì)要求；采用單元式組件，占地小、節(jié)省土地和構(gòu)筑物建造費；藥劑的用量大幅減少，降低運行費用；可實現(xiàn)自控，操作、維護(hù)方便，減少約50%勞動力成本。

4 我國水處理行業(yè)未來市場

4.1 整體行業(yè)發(fā)展

《環(huán)境保護(hù)法》、《水污染防治法》、“水十條”、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的修改（如生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)指標(biāo)由35項增至106項）等，隨著一系列法律、政策的出臺，相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)的提升，充分體現(xiàn)出國家對水資源保護(hù)、治理的力度之前所未有。

2015年，我國水處理行業(yè)快速發(fā)展的一年，行業(yè)內(nèi)發(fā)生了許多大事件：國家水污染防治專項資金規(guī)模增加至130億元；國務(wù)院出臺第二批206個PPP示范項目，其中城市給排水、河水綜合治理、管網(wǎng)建設(shè)，僅三項投資額合計1310億元；計劃3年內(nèi)投資865億元，將武漢、南寧、重慶等16個城市作為海綿城市試點，并將給予專項資金扶持。有分析人士表示，僅僅16個城市總投資需求就在3000億元以上，而我國共有332個地級行政區(qū)，保守估計每個地級市投資60億元，則全國未來3-5年內(nèi)投資總額至少達(dá)到2萬億元；水利部正在組織編制《全國農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程“十三五”規(guī)劃》，計劃到2020年全面解決貧困地區(qū)飲水安全問題，力爭使貧困縣農(nóng)村集中式供水人口比例提高到80%左右。據(jù)環(huán)保部《黑臭水體治理技術(shù)政策》編制組介紹，我國80%以上的城市河流受到污染，有很多甚至出現(xiàn)季節(jié)性和常年性水體黑臭現(xiàn)象，90%以上的城市地表水域受到嚴(yán)重污染。從政策層面和生產(chǎn)、生活對水的需求來看，水處理行業(yè)已進(jìn)入快速發(fā)展期，未來市場空間很大，并將成為國家長期支柱性產(chǎn)業(yè)。

4.2 膜技術(shù)未來前景

《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014—2020年）》從多方面對污水處理提出新要求。技術(shù)方面，污水處理正處于一個新老技術(shù)交替的時代，正從傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)向膜法水處理技術(shù)過渡，但是，膜法水處理目前在整個污水處理市場的占比份額約5%，新技術(shù)的市場前景廣闊。《國家水安全創(chuàng)新工程實施方案》（2015—2020年），要求加快水污染控制與治理科技創(chuàng)新，促進(jìn)海水淡化科技成果轉(zhuǎn)化。同時，提出要大力推廣膜處理技術(shù)，充分發(fā)揮膜生物反應(yīng)器（MBR）等產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟作用。按照正在編制的膜行業(yè)“十三五”規(guī)劃，到2020年功能膜產(chǎn)值突破2500億元，年均增速為20%，RO膜技術(shù)完全達(dá)到國際先進(jìn)水平，海水淡化RO膜國內(nèi)市場占有率實現(xiàn)30%—50%，微濾膜及超濾膜質(zhì)量實現(xiàn)新突破，國內(nèi)市場占有率達(dá)60%—80%，期間將培育一批龍頭企業(yè)，年銷售收入在50億—100億元的超級企業(yè)5個。