納濾水處理技術(shù)研究進展

郭敏俊，屈撐囤，車曉軍

(西安石油大學陜西省油氣田環(huán)境污染控制與儲層保護重點實驗室，陜西　西安　710065)

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納濾水處理技術(shù)研究進展

郭敏俊，屈撐囤，車曉軍

(西安石油大學陜西省油氣田環(huán)境污染控制與儲層保護重點實驗室，陜西西安710065)

納濾膜是20世紀80年代研發(fā)一種新型分離膜，以壓力驅(qū)動的荷電納濾膜對水中二價離子和多價離子具有很好的分離效果。文中概括總結(jié)了納濾方法在水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。研究得出：納濾膜可在外加壓力下脫出溶液中的無機鹽和大分子物質(zhì)，此外，納濾膜還可以較好的截留總?cè)芙夤腆w、有機物、色度等多項指標，使處理后的水質(zhì)滿足排放要求甚至達到回用標準。

納濾；水處理；回用

目前水資源的嚴重匱乏和污染已經(jīng)嚴重影響到人民的日常生活，而且隨著科技的發(fā)展，新型技術(shù)和材料的應(yīng)用使得工業(yè)污水的處理難度大大增加，因此開發(fā)高效、清潔的水處理技術(shù)尤為重要。納濾(Nanofiltration, NF)是一種介于超濾膜(UF)和反滲透膜(RO)之間的一種新型膜分離技術(shù)，其孔徑范圍在納米級，納濾膜截留分子量為200～2000 Da[1]。納濾膜通常表面帶負電荷，對不同電荷和價態(tài)的離子具有相應(yīng)不同的Donan電位[2]。納濾膜表面分離層是由聚電解質(zhì)構(gòu)成的，且表面帶有一定的電荷，作用機理主要是通過靜電相互作用阻礙多價離子的滲透，使納濾膜在較低的壓力下仍可以有較高的脫鹽性。納濾膜屬于壓力驅(qū)動膜，推動力主要是壓力差，是介于孔流機理和溶解-擴散機理之間的過渡態(tài)，其傳質(zhì)機理一般被認為是溶解—擴散方式[3]。

1　納濾膜的特征

2　膜分離技術(shù)的分類及其基本特性

工業(yè)廢水處理中常見的膜分離技術(shù)主要有電滲析、反滲透、超濾、納濾、微濾、膜蒸餾、液膜技術(shù)等[6]。一些常規(guī)的膜分離技術(shù)對比見表1。

表1　膜分離技術(shù)的分類及其基本特性Table 1　Membrane separation technique’s classification and their characteristics

3　納濾膜分離技術(shù)的應(yīng)用

納濾膜分離技術(shù)的應(yīng)用在中國起步較晚，最近十多年才得到廣泛發(fā)展應(yīng)用。納濾膜特殊的傳質(zhì)分離特性使其被廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域，主要表現(xiàn)為以下三個方面：①分離水中不同價態(tài)離子；②對一價離子截留率要求不高、對二價離子或高價離子截留率較高的水處理；③分離回收部分有機物。納濾技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工和水處理等多個領(lǐng)域。主要用于高含鹽水處理中的脫鹽軟化、生活污水的深度處理、飲用水的預(yù)處理以及食品飲料濃縮回收等行業(yè)。納濾膜可在較低的外加壓力下脫除溶液中的大部分高價離子無機鹽和部分大分子有機物，從而降低有機物和總?cè)芙夤腆w含量，從而降低電導(dǎo)率和色度等指標，使處理后的水質(zhì)滿足該行業(yè)的國家許可排放標準甚至達到回用要求[7]。

3.1金屬加工和電鍍行業(yè)

在金屬加工等工業(yè)中，清洗水中往往含有較高濃度的Hg2+、Cu2+、Cd2+、Ni2+、Cr6+等重金屬離子，應(yīng)用納濾分離技術(shù)可回收這些重金屬離子，并具有較高的回收率[8]。銀玉容等[9]用抗污染超濾膜(聚偏氟乙烯合金膜)、高壓納濾膜(聚芳香酰胺膜)處理含Cu2+、Cr6+、Ni2+等重金屬離子的電鍍廢水，將電鍍廢水經(jīng)預(yù)處理達到進膜要求后通過抗污染膜超濾、高壓納濾，實驗表明采用抗污染膜超濾—納濾多級膜處理后 Cr6+去除率高達90%以上，電鍍廢水可達電鍍清洗水標準。

3.2紡織印染行業(yè)

在紡織印染廢水處理中，傳統(tǒng)的臭氧化法耗水量大，時間長，可用納濾膜水處理技術(shù)替代。研究表明，納濾膜可去除紡織廢水中90%以上的COD和色度，使處理后的水滿足回用標準，重新用于染色。Sahinkaya等[10]對牛仔布紡織廢水的回用實驗表明，該廢水經(jīng)過活性污泥反應(yīng)器后，對水中的COD及色度具有明顯的去除效果，但水質(zhì)仍遠遠達不到回用標準，在后續(xù)工藝加入納濾過程后，COD去除率達90%左右，出水電導(dǎo)率由降至1.98～2.67 mS/cm，色度低于10度(鉑-鈷色度法)，出水水質(zhì)達到回用標準。

3.3食品加工行業(yè)

食品加工行業(yè)產(chǎn)生的廢水一般含有高濃度糖類、蛋白質(zhì)[11]，因此需要對這類廢水中的有機物進行回收。劉紅梅等[12]用微濾膜和納濾膜多級膜聯(lián)合處理技術(shù)對黃姜廢水進行處理，結(jié)果表明：可從廢水中提取出純度為85%～90%的葡萄糖溶液，COD從82000 mg/L降至4000 mg/L，進一步生化處理便可滿足排放標準。納濾膜允許部分一價離子通過，對高價離子和小分子有機物具有較高的截留率的特點可在一定程度上將食品加工廢水中的可用有機物與鹽分離，達到回收的目的。

3.4化工行業(yè)

納濾技術(shù)還能應(yīng)用于一些特殊的化學工業(yè)廢水中。陜西金堆城鉬業(yè)鉬酸銨生產(chǎn)改造項目中利用納濾膜和反滲透膜多級膜聯(lián)合處理技術(shù)處理鉬酸銨廢水，廢水中鉬離子去除率高達90%以上，使廢水滿足回用標準，此外還可以從濃縮水中回收鉬離子[13]。納濾技術(shù)在大豆異黃酮洗脫液濃縮中的應(yīng)用研究表明[14]：在 35 ℃、2.5 MPa下，廢水經(jīng)M8-10納濾膜處理后，，原料液中固形物含量從1.82%濃縮至11%，大豆異黃酮洗脫液中85%的乙醇溶液被分離出來。納濾膜可以再生反復(fù)使用，實驗運行周期為10 h，用無水乙醇清洗納濾膜組件1 h，膜通量基本能恢復(fù)到初始通量。因此納濾膜水處理技術(shù)運行溫度較低，物料濃縮時間短，尤其適合熱敏性物料的濃縮。

3.5海水淡化

3.6含鹽廢水處理

3.6.1苦咸水脫鹽

在苦咸水脫鹽方面，孟祥超[22]等采用美國GE公司的DL1812C納濾膜，以天津塘沽區(qū)某湖湖水(屬于高濃度苦咸水)為研究對象，苦咸水經(jīng)保安過濾器、活性炭過濾器及超濾膜預(yù)處理后，符合納濾膜進水水質(zhì)要求。實驗結(jié)果表明：(1)納濾膜最佳操作壓力為0.6 MPa；(2)溫度宜控制在20 ℃左右，以保證產(chǎn)水通量和離子去除率；(3)納濾膜運行周期為12 h；(4)納濾膜對不同價態(tài)離子的去除效果不同，對高價離子的去除率明顯高于一價離子。納濾膜對苦咸水中的Ca2+、Mg2+、Cl-的去除率分別為90%、78%、44%；(5)納濾膜的酸洗效果遠好于堿洗，酸洗可去除膜表面的無機鹽離子和部分結(jié)垢且不會損壞納濾膜。

3.6.2鹽湖鹵水

鹽湖富含總量巨大的鋰、鉀、鎂、硼等無機鹽資源，鹽湖鹵水屬于多組分系統(tǒng)，組成復(fù)雜。鹵水中的無機鹽大多以一價或者二價離子形式存在，納濾膜對其中二價和高價離子截留率一般高于90%，對一價離子截留率一般低于50%[23]，從而可分離鹽湖中的一價離子與二價離子。

3.7生活污水深度處理

納濾膜不僅能夠去除無機鹽，也能夠去除懸浮物、部分小分子有機物、細菌等。

3.7.1污水廠出水深度處理

污水廠經(jīng)常規(guī)的污水處理后往往達不到回用標準，與納濾技術(shù)聯(lián)合使用往往能提高污水處理效果。吳琳琳等[24]采用納濾處理技術(shù)深度處理污水廠二級出水，污水經(jīng)臭氧氧化、土壤生化處理后滿足納濾進水水質(zhì)要求，納濾膜對溶解性有機碳、UVA254與電導(dǎo)率的去除率分別為 72%～83%，75%～84%，40%～50%；出水溶解性有機碳質(zhì)量濃度低于1 mg/L。李清雪等[25]采用納濾處理技術(shù)深度處理邯鄲市某污水廠二級出水，污水經(jīng)微濾、活性炭吸附后滿足納濾進水水質(zhì)要求，納濾膜對 CODMn，TOC，UVA254平均去除率分別達到 42.09%，69.54% 和78.53%。Chon Kangmin等[26]以 MBR/NF組合工藝處理城市污水處理廠二級處理水，納濾膜對電導(dǎo)率、溶解性有機物、總磷、總氮的平均去除率分別達到60%、94%、76%、92%。

3.7.2飲用水深度處理

目前，自來水廠一般采用氯氣對常規(guī)處理工藝出水殺菌消毒，雖能去除大部分有機物，但是余氯殘留較大，對人體有害。Peltier等[27]對1999-2003年間納濾系統(tǒng)對供水的影響進行了調(diào)查，結(jié)果表明：采用納濾處理技術(shù)，系統(tǒng)出水中的DOC 降低到平均0.7 mg/L，出水余氯的含量由0.35 mg/L 減少到0.1 mg/L，采用納濾系統(tǒng)后管網(wǎng)中三鹵甲烷的形成減少了 50%，此外，生物降解型溶解有機碳(BCOD)也大幅度減少，提高了產(chǎn)水的生物穩(wěn)定性。Escobar等[28]對南佛羅里達州某日處理量為30000 m3/d 的水廠進行了近一年的研究，該廠采用納濾膜法處理出水，研究表明，納濾膜對BCOD的去除率高達97%，去除效果不受BCOD 濃度和水質(zhì)變化的影響。呂建國等[29]采用NF4040-90型納濾膜來淡化處理高氟苦咸水，研究表明，出水氟離子濃度小于0.11 mg/L，氟去除率高達90%以上，出水水質(zhì)符合國家生活飲用水衛(wèi)生標準6(GB 5749-2006)，且制水成本較低，運行狀況良好。

4　結(jié)　論

此外，納濾技術(shù)還廣泛應(yīng)用于垃圾滲濾液、醫(yī)藥廢水、淋浴水，石油廢水等行業(yè)。但是膜分離過程中膜污染問題和膜成本問題極大地限制了膜技術(shù)的發(fā)展。因此，在進行納濾深度處理高含鹽污水時，需謹慎選擇合適的納濾膜，選擇合適的運行周期來避免納濾膜的堵塞。此外，分析膜的污染原因并選擇適當?shù)那逑粗芷诤颓逑捶绞揭彩菧p少膜污染的有效辦法。此外，合適有效預(yù)處理技術(shù)也是預(yù)防膜污染的有效方法之一。

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Research Progress on the Nanofiltration Water Treatment Technology

GUO Min-jun, QU Cheng-tun, CHE Xiao-jun

(Shaanxi Oil and Gas Pollution Control and Reservoir Protection Key Laboratory,Xi’anShiyouUniversity,ShaanxiXi’an710065,China)

Nanofiltration membrane is a new type of separating membrane developed in the 1980s, nanofiltration membrane is drive by pressure and has better performance of separation for bivalent ions and multivalent ions in water. The development trend and present application situation of nanofiltration method in water treatment were summarized .The studies showed that nanofiltration membrane can emerge inorganic salt and macromolecular material under the pressure, total dissolved solids, organic matter and colority, and so on, it also had good intercept effect, made the treated water quality meet the emission requirements even reuse standard.

Nanofiltration; water treatment; reuse

郭敏俊(1989-)，男，在讀研究生，2013年畢業(yè)于華中科技大學武昌分校環(huán)境工程專業(yè)，現(xiàn)在西安石油大學攻讀碩士，研究方向：節(jié)能與環(huán)保技術(shù)。

屈撐囤(1964-)，男，教授，博士學位，研究方向:油氣田環(huán)境保護。

X703

A

1001-9677(2016)013-0034-04