膜分離技術(shù)在環(huán)境工程水處理領(lǐng)域的應(yīng)用

曹 雨

（沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

社會的加速發(fā)展，帶來了經(jīng)濟(jì)效益的提高，同時也帶來了各種各樣的水質(zhì)污染問題。為了能在較低成本下，高效處理各行業(yè)的污水，用膜分離技術(shù)協(xié)同原有的處理工藝一同進(jìn)行處理。膜分離技術(shù)以其良好的選擇性和較低的能耗，以及較強(qiáng)的適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)使其在水處理領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，廣泛的用于飲用水、生活污水、重金屬冶煉及造紙等工業(yè)廢水、海水及苦咸水淡化脫鹽等各個領(lǐng)域?，F(xiàn)如今，在環(huán)境工程水處理領(lǐng)域中常用超濾、納濾、電滲析及反滲透等膜分離技術(shù)。除此之外，隨著膜分離技術(shù)不斷發(fā)展，又衍生出了一種集成膜技術(shù)。這種集成膜將2種或多種膜分離技術(shù)進(jìn)行組合，可兼具多種膜的功能，廣泛地應(yīng)用在各個領(lǐng)域中。

1 膜分離技術(shù)

1.1 微濾

微濾是開發(fā)應(yīng)用最早的膜技術(shù)，其過濾孔徑在0.1μm～1μm之間。按照組成膜的形式不同可分為平板膜、卷式膜、中空纖維膜等。微濾技術(shù)常用于去除河流、水庫等地表水中的一些顆粒性物質(zhì)及金藻、綠藻等藻類，也可用于工業(yè)廢水回收利用等處理。將微濾膜制成飲水機(jī)中的過濾膜組件使其在飲用水凈化中發(fā)揮作用。采用微濾與反滲透相結(jié)合的工藝，梁睿榮等[1]對造紙廢水進(jìn)行處理，試驗(yàn)結(jié)果表明，操作壓力和進(jìn)水的pH值等因素均會影響脫鹽率以及造紙廢水中氯離子的去除效果，在最優(yōu)條件下運(yùn)行時，造紙廢水的脫鹽率可達(dá)到90%以上。

1.2 超濾

超濾膜是孔徑小于0.01μm的一種微孔濾膜，也是最早研發(fā)的高分子分離膜之一。它可利用自身的微小孔徑對水中的細(xì)菌、膠體等物質(zhì)進(jìn)行去除。超濾處理技術(shù)不僅可以節(jié)約使用有限的水資源，還能夠提高飲用水的安全，是解決飲用水安全風(fēng)險(xiǎn)問題的有效途徑之一[2]。超濾膜除了具有操作簡單、投資成本低等優(yōu)點(diǎn)，還具有很強(qiáng)的耐酸堿度特性，并且在溫度超過100℃的情況下仍可以對水體進(jìn)行凈化處理[3]。

1.3 納濾

納濾技術(shù)是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來的，納濾膜孔徑比超濾膜小，約為1nm，能將相對分子質(zhì)量較小的物質(zhì)從溶劑中分離出來。利用納濾膜所具有的選擇透過性，不僅可以去除致突變、致癌、致畸物質(zhì)及揮發(fā)性有機(jī)物，確保飲用水的生物安全性，還可以實(shí)現(xiàn)水的軟化。對于納濾膜技術(shù)，我國的理論研究比較早，但在實(shí)際應(yīng)用方面略微晚于國外。如美國的NF系列納濾膜、日本的UTC系列納濾膜等已經(jīng)在水處理領(lǐng)域進(jìn)行大范圍的應(yīng)用，并且均達(dá)到了商品化的程度。

1.4 電滲析

在外加電場的作用下，實(shí)現(xiàn)陰陽離子的定向移動，即陰、陽離子分別通過陰、陽離子膜，從而達(dá)到分離混合離子的目的，這稱為電滲析過程。目前，電滲析作為一項(xiàng)成熟的膜分離技術(shù)，廣泛應(yīng)用在苦咸水脫鹽領(lǐng)域。因其良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性，也用于廢水的處理及金屬離子、鹽類的回收，在醫(yī)藥、電子、食品等方面也發(fā)揮著重要作用。

1.5 正滲透與反滲透

正滲透技術(shù)以自然滲透壓差為驅(qū)動力，使水自發(fā)的通過選擇透過性膜并從較低滲透壓區(qū)域流向較高滲透壓區(qū)域。正滲透技術(shù)的應(yīng)用使得在低能耗、高效率的情況下解決水污染及緩解水資源短缺問題成為可能。目前多用在海水淡化和廢水處理等方面。反滲透膜是一種由高分子材料制成的具有選擇透過性的小孔徑半透膜，可以對水中的溶解鹽等物質(zhì)進(jìn)行去除。反滲透膜的化學(xué)穩(wěn)定性較好，受溫度、pH等外界環(huán)境因素的影響比較小，常用于物質(zhì)分離、物質(zhì)濃縮等方面，目前主要用于飲用水處理以及純水的制備等方面。

1.6 液膜

液膜由膜相、內(nèi)相、外相組成，以兩種液體的濃度差為推動力，利用各組分?jǐn)U散系數(shù)的差異，實(shí)現(xiàn)兩種互溶液體的分離?？衫靡耗陌l(fā)酵液中提取氨基酸、有機(jī)酸等;富集濃縮工業(yè)廢水中的酚、氰、氨等物質(zhì);可以對金屬進(jìn)行回收利用，如分別在銅、鈾礦酸浸液中回收銅和鈾。目前液膜的應(yīng)用情況不如超濾膜、反滲透膜普遍。

2 在環(huán)境工程水處理領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 飲用水處理

采用膜分離技術(shù)，將飲用水中的微小顆粒進(jìn)行去除，保證飲用水安全。黃亞偉等[4]采用納濾膜處理技術(shù)，去除水中的有機(jī)錫化合物，采用一丁基三氯化錫、二丁基二氯化錫和三丁基氯化錫這三種化合物作為研究對象。研究結(jié)果表明，納濾膜對三丁基氯化錫的截留率可達(dá)到85%以上。為探究核電站事故情況下生活飲用水的安全問題，周星星等[5]采用反滲透膜，對生活飲用水中的放射性核素進(jìn)行去除。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反滲透膜在進(jìn)水pH值為8~ 10時對核素的截留效果比較強(qiáng)。

2.2 生活污水處理

生活污水中含有較多的有機(jī)污染物，將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)處理工藝相結(jié)合，可以達(dá)到更好的處理效果。尹星等[6]應(yīng)用MBR與納濾技術(shù)相組合的工藝處理生活污水以及大型超市的廢水，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用這種組合工藝可以高效地去除廢水中的濁度物質(zhì)及有機(jī)污染物，出水水質(zhì)遠(yuǎn)低于生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限值。為探究正滲透膜的朝向與水通量、氮的截留效率之間的關(guān)系，劉志強(qiáng)等[7]采用正滲透膜分離系統(tǒng)處理校園生活污水，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用活性層朝向原料液側(cè)的FO模式運(yùn)行時水通量穩(wěn)定，不但能有效地截留污水中的氮污染物，而且正滲透膜的污染程度也比較輕。

2.3 工業(yè)廢水處理

工業(yè)廢水中含有的成分復(fù)雜多樣，利用膜分離技術(shù)，不僅可將有害物質(zhì)去除，對于工業(yè)水中的重金屬等物質(zhì)還可以進(jìn)行回收利用。針對飲用水中重金屬污染的問題，陳麗珠等[8]采用納濾膜進(jìn)行處理，研究重金屬的種類對重金屬截留率的影響。研究結(jié)果表明，在pH和操作壓力均處于最佳條件下，納濾膜對于不同金屬截留效果不同，如對于金屬鉈的去除率為20%，而對金屬鎘、砷和鉛的去除率可達(dá)到90%以上。代小元等[9]對應(yīng)用碳化硅陶瓷膜處理工業(yè)廢水的處理效果進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，在跨膜壓差為0.14MPa、過濾時間為20min以及膜孔徑為0.5μm時，碳化硅陶瓷膜可有效的對工業(yè)廢水進(jìn)行過濾并使濾后水達(dá)到排放要求。

2.4 海水淡化

地球上最大的水資源是海水，采用反滲透、電滲析等技術(shù)，通過將海水進(jìn)行淡化處理進(jìn)而得到新的淡水資源。作為重要的鹽離子分離膜的反滲透膜和納濾膜，在較低能耗的條件下實(shí)現(xiàn)了海水淡化的處理，因此得到廣泛的關(guān)注及應(yīng)用[10-11]。于金旗等[12]采用超濾—反滲透工藝進(jìn)行淡化，試驗(yàn)采用熱法海淡濃鹽水作為進(jìn)水，研究結(jié)果表明，此工藝脫鹽率可達(dá)97%以上，其出水水質(zhì)也滿足工業(yè)水回用的要求。田林等[13]采用反滲透膜的技術(shù)，對海水進(jìn)行淡化處理，為小欽島居民提供生活飲用水。試驗(yàn)結(jié)果證明，應(yīng)用反滲透膜進(jìn)行海水淡化在供水保障及成本方面具有明顯優(yōu)勢。孫小寒等[14]利用電滲析法對海水進(jìn)行淡化脫鹽處理，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用一價離子交換膜制成的電滲析工藝能夠在較低能耗的情況下對一價、二價離子進(jìn)行分離。

2.5 苦咸水脫鹽

苦咸水多存在于我國北方及沿海地區(qū)，長期飲用苦咸水會引發(fā)胃腸功能問題，因此，淡化苦咸水至關(guān)重要。孟祥超等[15]采用納濾裝置對苦咸水脫鹽，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與二價離子相比，納濾膜對苦咸水中一價離子的去除率較低；并且當(dāng)操作壓力為0.60MPa時納濾膜的產(chǎn)水通量和離子去除率均可以達(dá)到最大。時強(qiáng)等[16]用配置的氯化鈉溶液模擬苦咸水并對此溶液進(jìn)行脫鹽處理。試驗(yàn)中采用二價無機(jī)鹽作為汲取液，并應(yīng)用正滲透與納濾技術(shù)相結(jié)合的方法，研究結(jié)果表明，當(dāng)汲取液為30g/L的硫酸鈉單組份時，二級納濾過程可以將其濃縮至60g/L，可在確保產(chǎn)水質(zhì)量的情況下連續(xù)進(jìn)行苦咸水淡化過程。

3 結(jié)語

(1)膜分離技術(shù)具有處理水質(zhì)效果良好、占地面積較小、自動化運(yùn)行易于控制等優(yōu)點(diǎn)，因此膜分離技術(shù)在水處理領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。

(2)集成膜技術(shù)的出現(xiàn)，克服了單一膜的不足，提高了處理效果。改變集成膜的結(jié)構(gòu)，對膜表面進(jìn)行改性處理，可能會進(jìn)一步增強(qiáng)處理效果，這可能是未來的研究方向。

(3)膜分離技術(shù)發(fā)揮作用的同時，膜污染的問題也愈發(fā)重要。如何能低成本、高效地處理膜污染的問題，應(yīng)是我們接下來努力的方向。