膜法水處理技術(shù)在生活污水處理中的應(yīng)用

葉智誼

(東莞市環(huán)保產(chǎn)業(yè)促進(jìn)中心，廣東 東莞 523000)

0 引言

隨著人口增長和城市化進(jìn)程的加快，生活污水處理變得尤為重要。傳統(tǒng)的污水處理方法面臨著許多挑戰(zhàn)，包括處理效率低、處理成本高和資源浪費(fèi)等問題。在這樣的背景下，膜法水處理技術(shù)作為一種先進(jìn)的處理方法引起了廣泛關(guān)注。膜法水處理技術(shù)利用微孔膜或膜層來過濾、分離和濃縮水中的污染物，其高效、可控和環(huán)保的特性使其在生活污水處理中具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。

1 膜法水處理技術(shù)的概述

膜法水處理技術(shù)是一種利用特殊膜材料構(gòu)建膜分離系統(tǒng)的處理方法，通過膜的孔隙結(jié)構(gòu)和選擇性通透性，將水中的污染物、顆粒物和溶解物分離出來，實(shí)現(xiàn)水的凈化和處理。膜材料通常由微孔膜和膜層構(gòu)成，常見的膜包括微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜等。

膜法水處理技術(shù)的原理基于物質(zhì)分子在膜上的滲透和截留作用。在膜分離過程中，污水被施加壓力或利用濃度差推動，通過膜的孔隙或選擇性通透性，讓水分子和特定尺寸的溶質(zhì)分子通過膜，而阻止其他較大的分子或固體顆粒通過。這樣，污水中的懸浮物、溶解性有機(jī)物、無機(jī)鹽和微生物等可以被有效地分離和去除，從而實(shí)現(xiàn)水的凈化和處理[2]。

2 膜法水處理技術(shù)在生活污水處理中的應(yīng)用

2.1 生活污水處理中膜法水處理流程

膜法水處理技術(shù)在生活污水處理中通常包括預(yù)處理、主處理和后處理三個(gè)主要步驟。

(1)預(yù)處理

預(yù)處理是生活污水處理的第一步，旨在去除污水中的固體懸浮物、沉淀物和粗大顆粒等。常見的預(yù)處理方法包括格柵篩除、砂沉淀池或沉砂池、均流沉淀池等。這些預(yù)處理步驟可有效減少進(jìn)入膜處理系統(tǒng)的懸浮物負(fù)荷，減輕膜的污染和損壞。

(2)主處理

主處理階段采用膜法水處理技術(shù)，將經(jīng)過預(yù)處理的污水通過膜分離過程進(jìn)行凈化。常見的膜處理技術(shù)包括微濾、超濾、納濾、膜生物反應(yīng)器(MBR)和反滲透(RO)等。微濾和超濾膜通過膜孔隙結(jié)構(gòu)的物理過濾作用，可去除懸浮物、膠體和微生物等大分子物質(zhì)。納濾膜則介于微濾和反滲透之間，能有效去除溶解性離子、有機(jī)物質(zhì)和微量溶解物。MBR技術(shù)結(jié)合了生物反應(yīng)器和膜分離技術(shù)，通過微生物的降解作用和膜的篩選作用，同時(shí)去除懸浮物、有機(jī)物質(zhì)和微生物等[3]。RO技術(shù)通過施加高壓將污水逆向滲透過膜，截留溶解在水中的無機(jī)鹽、有機(jī)物質(zhì)和微量污染物。這些膜處理技術(shù)在主處理階段實(shí)現(xiàn)了高效的污染物去除和水質(zhì)凈化，確保處理后的水質(zhì)符合環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)或再利用要求。

(3)后處理

后處理是為了進(jìn)一步提升水質(zhì)的處理步驟。根據(jù)需要，后處理過程可以包括消毒、pH值調(diào)節(jié)、添加消毒劑或抗氧化劑等。這些步驟有助于殺滅殘余的微生物、去除殘留的有機(jī)物和提供最終達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)。

整體而言，膜法水處理技術(shù)在生活污水處理中的應(yīng)用流程包括預(yù)處理、主處理和后處理三個(gè)主要步驟流程如圖1所示。通過去除懸浮物、有機(jī)物、微生物和溶解性物質(zhì)等污染物，膜法水處理技術(shù)能夠提供高效的水質(zhì)凈化和再利用解決方案，以滿足環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的要求。

2.2 污水預(yù)處理

污水預(yù)處理是生活污水處理過程中的關(guān)鍵步驟之一。它旨在通過一系列物理、化學(xué)和生物處理方法，去除污水中的固體懸浮物、沉淀物、油脂、泥沙和粗大顆粒等污染物。污水預(yù)處理的主要目的是減少后續(xù)處理單元的負(fù)荷，保護(hù)和延長膜的使用壽命，提高整個(gè)處理系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。在污水預(yù)處理中，常用的處理方法包括格柵篩除、砂沉淀池(或沉砂池)、均流沉淀池和調(diào)節(jié)池等。

污水預(yù)處理是保證后續(xù)處理單元高效運(yùn)行和提供良好水質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。通過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理措施，可以有效去除污水中的固體懸浮物、沉淀物和顆粒物質(zhì)，減輕膜的污染和損壞，保護(hù)處理設(shè)備，提高整體系統(tǒng)的處理效率和可靠性。因此，在生活污水處理中，充分重視和實(shí)施有效的污水預(yù)處理是至關(guān)重要的。

2.3 污水主處理

污水主處理是生活污水處理過程中的核心步驟，旨在通過膜法水處理技術(shù)去除污水中的污染物，提高水質(zhì)的凈化效果。主處理階段通常涉及微濾、超濾、納濾、膜生物反應(yīng)器(MBR)和反滲透(RO)等膜法水處理技術(shù)的應(yīng)用。

2.3.1 微濾(MF)和超濾(UF)技術(shù)

微濾(MF)和超濾(UF)是基于膜孔隙結(jié)構(gòu)的物理過濾技術(shù)，常用于污水處理中的微觀固體物質(zhì)和微生物的去除。這些膜的孔徑范圍通常在0.1～0.01 μm之間，具有較高的截留效率和較低的阻力。微濾和超濾膜通過篩選作用，可以有效去除污水中的懸浮物、細(xì)菌、微生物和大分子有機(jī)物質(zhì)等。

微濾和超濾的工作原理基于膜的孔隙結(jié)構(gòu)。膜的孔徑較小，可以阻止較大的顆粒、微生物和大分子有機(jī)物質(zhì)通過，而允許水分子和較小的溶解物質(zhì)通過。當(dāng)污水通過微濾或超濾膜時(shí)，污染物會被截留在膜表面或孔隙中，而凈化的水則通過膜流出[4]。

微濾和超濾膜的孔徑較小，可以有效截留污水中的懸浮顆粒、細(xì)菌和微生物等。這些膜可以去除大部分的懸浮物質(zhì)，使水質(zhì)明顯凈化。相比于其他膜法水處理技術(shù)，微濾和超濾膜的操作壓力較低。這意味著在運(yùn)行過程中可以減少能源消耗和運(yùn)行成本。微濾和超濾膜可以選擇性地去除懸浮物質(zhì)，同時(shí)保留有益微生物和溶解物質(zhì)[5]。這有助于維持水中的生態(tài)平衡和保持水的營養(yǎng)性。并且，微濾和超濾膜通常具有較高的穩(wěn)定性和耐用性，可以長時(shí)間穩(wěn)定地工作。這些膜還具有較好的耐污性，能夠抵抗污染物的堵塞和污垢的積累。

2.3.2 納濾(NF)技術(shù)

納濾(NF)技術(shù)是一種介于超濾和反滲透之間的膜處理技術(shù)，其膜孔徑通常在0.001～0.01 μm之間。納濾膜具有較高的截留效果，可去除污水中的溶解性離子、有機(jī)物質(zhì)和微量溶解物，同時(shí)保留較小的分子和一部分溶解性物質(zhì)。

納濾技術(shù)的工作原理基于膜的選擇性通透性。納濾膜的孔徑比超濾膜小，可以有效截留較小的離子、有機(jī)物質(zhì)和微量溶解物，如：鹽分、重金屬離子和一些有機(jī)物質(zhì)。然而，與反滲透相比，納濾膜對鹽分和溶解物質(zhì)的截留程度較低，使得部分水分子和一些溶解性物質(zhì)能夠通過膜而保留了一定的溶解性物質(zhì)。

納濾技術(shù)在生活污水處理中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，常用于去除硬度物質(zhì)(如鈣和鎂離子)，降低水的硬度，改善水的質(zhì)量和口感。此外，納濾還可以有效去除有機(jī)物質(zhì)、微量溶解物和部分離子，提高水質(zhì)的凈化效果。

2.3.3 膜生物反應(yīng)器(MBR)技術(shù)

膜生物反應(yīng)器(MBR)技術(shù)是將生物反應(yīng)器和膜分離技術(shù)相結(jié)合的一種高效的水處理方法。在MBR系統(tǒng)中，微生物和膜被放置在同一反應(yīng)器中，通過膜的篩選作用和微生物的降解作用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)懸浮物、有機(jī)物質(zhì)和微生物的去除。

MBR技術(shù)的工作原理如下：污水進(jìn)入MBR反應(yīng)器，其中含有微生物(如細(xì)菌、真菌和微藻等)。微生物通過降解作用，將有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳等無害物質(zhì)。同時(shí)，通過微濾或超濾膜的篩選作用，懸浮物、微生物和其他固體顆粒被截留在膜的表面或孔隙中，而凈化的水則通過膜流出。

MBR系統(tǒng)能夠同時(shí)去除懸浮物、有機(jī)物質(zhì)和微生物，具有較高的凈化效果。相比傳統(tǒng)的活性污泥法，MBR系統(tǒng)能夠更徹底地去除污水中的污染物，提供更高質(zhì)量的處理水。MBR系統(tǒng)通過膜的篩選作用，可以避免活性污泥法中出現(xiàn)的污泥沉淀后的二次污染問題。膜有效地截留固體顆粒和微生物，避免其重新進(jìn)入處理系統(tǒng)，從而提高處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。另外，MBR技術(shù)適用于不同規(guī)模的污水處理廠。它可以根據(jù)需求進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，適應(yīng)不同處理規(guī)模和處理能力的要求。此外，MBR系統(tǒng)還可以與其他水處理工藝結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)更高效的綜合處理效果。

2.3.4 反滲透(RO)技術(shù)

反滲透技術(shù)是一種利用半透膜分離溶質(zhì)和溶劑的方法。在污水處理中，RO技術(shù)被廣泛應(yīng)用于脫鹽和濃縮處理，以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的再利用水或低鹽度的排放水。RO技術(shù)與傳統(tǒng)污水處理技術(shù)相比，具有TDS濃度(總?cè)芙夤腆wTotal Dissolved Solids)低、COD去除率高、鹽透過率低、水回收率高、能耗相對較低的優(yōu)點(diǎn)如表1所示。RO技術(shù)通過施加高壓將污水逆向滲透過膜，使水分子通過膜而截留溶解在水中的無機(jī)鹽、有機(jī)物和微量污染物。RO技術(shù)具有高度的截留率和靈活性，能夠去除水中的離子、重金屬、微生物和有機(jī)污染物等，提供高質(zhì)量的水資源。

表1 反滲透技術(shù)與傳統(tǒng)處理技術(shù)對比

通過應(yīng)用微濾、超濾、納濾、MBR和RO等膜法水處理技術(shù)，可以有效去除生活污水中的污染物，提高水質(zhì)的凈化效果。這些技術(shù)的選擇取決于污水水質(zhì)、處理要求和經(jīng)濟(jì)性等因素，可以根據(jù)具體情況進(jìn)行組合應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)高效的生活污水處理和資源回收。

2.4 污水后處理

污水后處理是生活污水處理過程中的關(guān)鍵步驟，旨在進(jìn)一步提升水質(zhì)的處理效果，使處理后的水達(dá)到符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求。后處理步驟可以包括消毒、調(diào)節(jié)pH值、添加消毒劑或抗氧化劑等。

2.4.1 消毒

消毒是一種常用的后處理步驟，用于殺滅殘留的微生物，以防止病原菌的傳播和疾病的發(fā)生。常見的消毒方法包括使用氯氣、次氯酸鈉、臭氧、紫外線輻射等。這些方法能有效地殺滅細(xì)菌、病毒和其他微生物，提高處理后水的衛(wèi)生安全性。

2.4.2 pH值調(diào)節(jié)

pH值調(diào)節(jié)是調(diào)整污水的酸堿性水平，使其達(dá)到適宜的范圍。在某些情況下，污水的pH值可能過高或過低，不利于后續(xù)處理步驟的進(jìn)行。通過添加酸性或堿性物質(zhì)，可以調(diào)整污水的pH值，使其處于適宜的范圍，提供良好的處理?xiàng)l件。

2.4.3 添加消毒劑或抗氧化劑

除了常規(guī)消毒方法，有時(shí)還可以添加消毒劑或抗氧化劑來進(jìn)一步改善水質(zhì)。例如，加入活性炭可以去除污水中的有機(jī)物質(zhì)和異味物質(zhì)，提高水的口感和質(zhì)量。其他常用的添加劑包括抗氧化劑、絡(luò)合劑等，用于抑制氧化反應(yīng)、穩(wěn)定水質(zhì)和保護(hù)設(shè)備。

污水后處理的目標(biāo)是確保處理后的水質(zhì)符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，并滿足再利用或安全排放的要求。適當(dāng)?shù)暮筇幚泶胧┛梢匀コ龤埩舻奈廴疚铩⒏纳扑目诟泻唾|(zhì)量，提高處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過綜合考慮水質(zhì)特性、處理目標(biāo)和成本效益等因素，選擇合適的后處理技術(shù)和措施，可以實(shí)現(xiàn)高效的生活污水處理和資源回收。

3 膜法水處理技術(shù)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)

3.1 膜法水處理技術(shù)的優(yōu)勢

3.1.1 高效去除污染物

膜法水處理技術(shù)在生活污水處理中具有高效去除污染物的優(yōu)勢。無論是微濾、超濾還是反滲透等膜法水處理技術(shù)，都能通過膜的特殊結(jié)構(gòu)和選擇性通透性，有效地將懸浮物、膠體、溶解性有機(jī)物和微生物等污染物分離和截留。與傳統(tǒng)處理方法相比，膜法水處理技術(shù)能夠提供更高的去除率和更好的水質(zhì)凈化效果。

微濾和超濾膜技術(shù)能夠高效地去除懸浮物、膠體和微生物，通?？梢赃_(dá)到90%以上的去除率。相比之下，傳統(tǒng)處理方法對懸浮物的去除率一般在70%～90%左右。微濾和超濾膜的微孔尺寸可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對不同大小的污染物的有效截留。同時(shí)，膜法水處理技術(shù)通過反滲透(RO)技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高的溶解性物質(zhì)去除率，通常達(dá)到90%以上。相比之下，傳統(tǒng)處理方法對溶解性物質(zhì)的去除率有限。

這些數(shù)據(jù)對比表明，膜法水處理技術(shù)相對于傳統(tǒng)處理方法，在高效去除污染物方面具有明顯的優(yōu)勢。膜法水處理技術(shù)能夠更有效地去除污水中的懸浮物、膠體、微生物和溶解性有機(jī)物等污染物，提高水質(zhì)的凈化效果。這種高效去除污染物的能力使得膜法水處理技術(shù)成為一種可靠、可持續(xù)的水質(zhì)處理解決方案，為保護(hù)環(huán)境和人類健康作出了重要貢獻(xiàn)。

3.1.2 節(jié)約能源和資源

膜法水處理技術(shù)在能源和資源利用方面具有顯著優(yōu)勢。相較于傳統(tǒng)的物理化學(xué)處理方法，膜法水處理技術(shù)通常需要較低的操作壓力和溫度，這意味著在運(yùn)行過程中能夠?qū)崿F(xiàn)能源的節(jié)約。此外，膜法水處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對水中有價(jià)值的物質(zhì)的回收和再利用，例如通過反滲透技術(shù)回收淡水或通過MBR技術(shù)回收有機(jī)物質(zhì)。這種資源的回收和再利用有助于減少對自然資源的依賴，實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用。

3.1.3 適用于不同規(guī)模的污水處理廠

膜法水處理技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于不同規(guī)模的污水處理廠。無論是小型社區(qū)污水處理廠還是大型城市污水處理廠，膜法水處理技術(shù)都可以靈活應(yīng)用。由于膜元件的模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行擴(kuò)展或縮減，以適應(yīng)不同規(guī)模的處理需求。這為不同地區(qū)和場景下的生活污水處理提供了可行的解決方案，并促進(jìn)了污水處理技術(shù)的普及和推廣。

3.2 膜法水處理技術(shù)的挑戰(zhàn)

3.2.1 膜污染和維護(hù)

膜法水處理技術(shù)在生活污水處理中面臨著膜污染和維護(hù)的挑戰(zhàn)。隨著膜的使用時(shí)間增長，膜表面容易積聚懸浮物、有機(jī)物和微生物等污染物，導(dǎo)致膜通量降低和水質(zhì)下降。膜污染需要定期清洗或更換膜模塊，這增加了運(yùn)營和維護(hù)的成本。此外，膜的維護(hù)和管理需要專業(yè)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，包括監(jiān)測膜狀態(tài)、控制運(yùn)行條件和優(yōu)化清洗程序等。因此，有效的膜污染控制和維護(hù)策略對于保持膜法水處理技術(shù)的高效運(yùn)行至關(guān)重要。

3.2.2 高成本和運(yùn)營費(fèi)用

膜法水處理技術(shù)在生活污水處理中面臨高成本和運(yùn)營費(fèi)用的挑戰(zhàn)。膜材料和膜模塊的制造成本較高，而且膜的壽命受到操作條件和污染物質(zhì)量的影響，需要定期更換和維修。此外，膜法水處理技術(shù)通常需要額外的設(shè)備和系統(tǒng)，如：壓力泵、控制系統(tǒng)和清洗設(shè)備等，增加了系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)營的費(fèi)用。高成本和運(yùn)營費(fèi)用可能限制了膜法水處理技術(shù)在一些地區(qū)和應(yīng)用中的推廣和采用。

4 結(jié)語

膜法水處理技術(shù)在生活污水處理中展示出了巨大的應(yīng)用潛力和優(yōu)勢，能夠高效去除污染物、節(jié)約能源和資源，并適應(yīng)不同規(guī)模的污水處理廠需求。然而，仍然需要應(yīng)對膜污染和維護(hù)的挑戰(zhàn)，以及高成本和運(yùn)營費(fèi)用等問題。通過采取有效的膜污染控制策略、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式，并進(jìn)行成本降低和技術(shù)創(chuàng)新，可以克服這些挑戰(zhàn)并提升膜法水處理技術(shù)的可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性。