膜分離技術在緩解水安全問題中的應用

侯立安，張 林

(1.第二炮兵后勤科學技術研究所，北京100011；2.浙江大學化學工程與生物工程學系，杭州310027）

膜分離技術在緩解水安全問題中的應用

侯立安1，2，張 林2

(1.第二炮兵后勤科學技術研究所，北京100011；2.浙江大學化學工程與生物工程學系，杭州310027）

全球氣候變化導致的水資源時空分布不均和經濟快速發展帶來的水污染所引發的水安全問題成為人類社會可持續發展面臨的重要挑戰。本文針對目前我國水安全的現狀和存在的問題，結合國內外膜技術發展趨勢，綜述了膜技術在飲用水深度處理、廢水處理、災害應急供水及特種廢水處理中的應用進展，分析和展望了膜技術應對水安全問題的研究方向。

水安全；膜分離；超濾；納濾；反滲透

1 前言

近年來，隨著全球氣候急劇變化，氣溫上升、熱帶氣旋增加、溫帶風暴路徑向極地推移，導致了暴雨、干旱等極端天氣的頻發，加劇了水資源在時空上的不均分布。同時，氣候變化通過溫度、降水、光照輻射、風速風型等因素影響著水體污染物的來源和分布，對水環境質量產生了重要影響[1]。

經濟的快速增長使得大量的工業、農業、生活廢水排入水體，造成嚴重水污染，雖然不像洪水和旱災那樣更易沖擊人們的視線，但日益加劇的水污染實際上已逐漸成為世界性的災難，無論是對人類生存安全所造成的威脅，還是給社會經濟帶來的損害，水污染都堪稱世界頭號殺手[2]。作為人類生存面臨的最嚴峻話題之一，全球水資源短缺的矛盾可能因水污染而趨向惡化，水安全問題正在成為全球關注的熱點之一。

我國水環境污染較為嚴重，雖然經過不斷地治理，但總體改善速度緩慢，由此造成的功能性缺水迫使我國一些地區不僅將一、二類水源處理作為自來水，而且部分地區也逐漸允許使用三類水源。水污染對人類的危害具有直接性、持續性、潛伏性，一些損害甚至是永久性地危及子孫后代的健康和利益。為此，水污染治理已是一個迫在眉睫的課題[3]。傳統水處理工藝，即絮凝、沉淀、過濾、消毒，主要殺滅水中的微生物，無法處理目前三類水源中存在的重金屬污染和致癌、致畸、致突變等的有機化合物污染，且占地面積大、成本投入高等缺點限制了它的發展。面對水資源短缺、水環境污染等問題，尋求水處理新技術是問題解決之道。膜分離技術因具有占地面積小、自動化程度高、去除污染物范圍廣、工藝流程短等特點，被稱為21世紀最具發展前景的高新技術之一，在解決水安全的受重視程度逐漸提高。

2 我國水安全現狀

水安全不僅是環境和經濟問題，同時也是社會和政治問題。過去由于公眾的水安全意識淡薄，對其重要性、艱巨性及復雜性認識不足，沒有注重節約、保護水資源，長期開發利用不當，且相關法律法規體系不健全，導致了一系列水安全問題的出現。

目前，我國水安全問題主要體現在以下幾個方面：a.水資源短缺，全國每年總缺水量約為5× 1010m3，近2/3城市不同程度存在缺水，且水資源時空分布不均、與生產力布局不相匹配，發展需求與水資源條件之間的矛盾突出；b.水環境污染，相當比重的排污水未經處理，使江河湖海和地下水嚴重污染；c.水生態破壞，據中國科學院南京地理與湖泊研究所統計，近30年來因圍墾等人為因素而消失的湖泊有近百個，接近湖泊總數的1/10，約8千多平方千米，而且濕地面積不斷減少、濕地生態環境持續惡化；d.水災害問題突出，我國南方洪澇、北方干旱及水土流失等問題突出；e.突發事件頻發，近年來，我國極端氣候、突發性水源污染事故和自然災害頻發，威脅城市供水安全，影響了正常的生產與生活秩序，造成了較嚴重的社會影響；f.傳統凈水工藝具有一定的局限性，新污染物不斷出現，污染日趨復雜，飲用水呈現污染物復合、污染過程復合以及污染效應復合的復合污染特征，而傳統水處理工藝以去除水中懸浮物、膠體顆粒物為主，對有機物等去除能力有限。

3 膜分離技術現狀

膜分離是指利用具有選擇性透過能力的薄膜作為分離介質，在外界能量或化學位差的驅動下實現雙組分或多組分混合物的分離、純化、濃縮等處理的一種新型分離技術。目前工業化應用較為成熟的膜分離技術主要有微濾、超濾、納濾、反滲透和電滲析等。與傳統水處理技術相比，膜分離技術具有顯著優勢[4]：a.過程能耗低，大多數膜分離過程是在低溫或室溫條件下進行的，且分離過程中無相變發生，與萃取、蒸餾、蒸發等傳統分離過程相比，能耗得以大幅降低；b.膜分離技術的分離效率高，產水水質優良，傳統混凝、沉淀等技術以重力分離為主，其最小極限是微米級，而膜分離技術可以實現對納米級物質的分離，水中的消毒副產物、病毒、細菌及有機物都可以通過膜分離技術去除，而且經膜分離處理后的水質明顯優于其他處理方法；c.膜分離過程中藥劑添加量極少，傳統水處理技術需要投放大量化學藥劑，可能對水質產生二次污染，而膜分離技術可以從根本上解決這一問題；d.膜分離技術操作簡單，維護成本不高，且可以提供可靠穩定的水質，出水水質只和膜選擇性有關，與原水運行條件和水質關系不大；e.膜分離技術所需設備占地面積小，膜分離環節通常可以直接引入到企業原有的生產工藝流程中，避免了對生產線的大幅度改變；f.膜分離過程通常以壓力作為推動力，易于實現自動化。

4 膜技術在水安全保障中的應用

膜分離技術因其獨特的優勢而被廣泛應用于飲用水的深度處理、廢水處理、災害應急供水及特種廢水處理，在水安全保障中發揮著重要作用。

4.1膜技術在飲用水深度處理中的應用

應用于飲用水深度處理的膜技術主要有微濾、超濾、納濾和反滲透，因其對水中所含雜質的截留性能與能力有很大差異，這些膜技術在飲用水深度處理中發揮著不同作用。

微濾能夠截留水中的懸浮物、膠團、大分子有機物、細菌等，而不能去除水中小分子的膠體或有機物，因此微濾過程常用于原水的預處理，并在后續階段結合其他工藝進一步處理。超濾可以去除水中部分重金屬離子及隱孢子蟲、細菌、病毒等微生物，還可以降低水中消毒副產物的含量[5]。張捍民等[6]運用超濾膜去除飲用水中污染物，發現超濾能夠有效地去除水中懸浮固體、膠體，出水濁度保持在0.25 NTU以下。納濾是介于超濾與反滲透之間的一種膜分離技術，同時也是目前水處理領域的熱點之一。納濾膜孔徑范圍為納米級別，一般在1～2 nm，其表面荷負電，納濾技術可在很低的操作壓力下高效地脫除水中有毒有害物質（如三氯甲烷中間體、低分子有機物、農藥、環境荷爾蒙類物質等），同時保留對人體有益的微量元素及礦物質[7]。Siddiqui等[8]利用納濾去除三鹵甲烷前體物、水合氯醛前體物及鹵乙酸前體物，去除率能夠分別達到97%、86%及94%。Ahmad等[9]對NF90、NF200、NF270和DK四種納濾膜的截留性能進行了對比，實驗表明NF90具有更優的截留率，對藥物樂果和阿特拉津的截留率分別為85%和95%，而NF270的滲透通量則最高。本課題組[10]研究了NFTS40和NFTS80兩種聚酰胺納濾膜處理飲用水，結果表明，NFTS40納濾膜對總有機碳的去除率達到93.9%，去除效果優于NFTS80納濾膜，且NFTS40和NFTS80納濾膜對致突變物的去除率分別為87.5%和75%，顯然NFTS40對致癌、致畸、致突變物的去除效果較好。海水淡化作為解決水資源短缺的有效途徑之一，已經在許多國家和地區，尤其是海灣國家，得到了廣泛的應用，而以反滲透為代表的膜技術在海水淡化領域的應用受到了高度重視[11]。國外具有代表性的反滲透海水淡化工廠主要在中東和地中海地區，預計到2016年，海水淡化的產量將超過3.8×1010m3/a[12～14]。2011年，我國首個自主設計、安裝完成的日產淡水5×104t的膜法海水淡化工程在河北曹妃甸建成投產，標志著我國膜法海水淡化工程技術能力邁上新臺階，預計到2020年，我國海水淡化產水總量將達到7.3×108m3/a[15]。

4.2 膜技術在工業廢水處理中的應用

工業生產過程中需要消耗大量新鮮水并排出大量廢水，所排廢水中會夾帶很多原料、中間產品或成品，如重金屬、有毒化學品、酸堿、有機物、油類、懸浮物等。這些廢水如果直接排放會對人體及環境造成巨大危害，因此需要經過處理，使其中的有害物質含量達標后方可排放。膜分離技術在很多行業排放廢水的處理中都得到廣泛關注及應用。

隨著食品、染料和頁巖氣等行業的發展，含油廢水排放量日益增多，膜技術在含油廢水的處理中取得了很好的應用效果，Zhang等[16]利用改性后的聚偏氟乙烯超濾膜進行油水分離，通量可達3 415 L/（m2·h），截留率達到99.95%，且該膜具有良好的抗污染性，此方法在含油乳化廢水處理中能夠取得很好的應用。Chen等[17]利用改性聚丙烯微濾膜進行油水分離，同樣取得了滿意的效果，通量在2 000 L/（m2·h），截留率保持在99%以上。在造紙行業中，漂白裝置排水中所含的化學需氧量(COD)及生化需氧量(BOD)是紙漿廢水的主要色度源，而經過超濾處理后，色度能夠降低80%～90%，總需氧量（TOD）和COD能夠降低60%～70%[18]。納濾技術同樣在工業廢水處理領域取得了廣泛應用。在金屬加工及電鍍工業中，清洗和電鍍廢水常含有濃度較高的Cu2+、Zn2+、Ni2+、Fe2+等金屬離子，通過納濾技術可將上述金屬離子濃縮10倍，并且這些金屬回收率達90%以上[19]。Chen等[20]對電鍍廢液進行了二級納濾實驗，鉻酸鹽在第一級以HCrO形式存在，pH調至8以上，鉻酸鹽轉化為CrO形式，在兩級濃水中分別濃縮Ni2+和鉻酸鹽，從而實現電鍍廢液中回收Ni2+和鉻酸鹽的目的。Abu Qdais等[21]應用納濾處理模擬廢水中的Cu2+和Cd2+，結果表明，對這兩種重金屬離子的平均截留率達到97%。研究證明，納濾技術對紡織工業廢水也有很好的處理效果，可有效去除廢水中的色度、有機碳及各種染料等。Capar等[22]用納濾技術回收絲綢廠廢水中的絲膠蛋白（分子質量為10～25 kDa），廢水先經過微濾、離心過濾將絲膠從其他雜質中分離出來，然后用納濾膜（NF-90 100 Da）回收絲膠蛋白，發現回收率可達94%～95%，但由于絲膠蛋白與膜的相互作用以及絲膠蛋白的濃縮極化，運行一定時間后膜通量會下降70%～75%，采用NaOH溶液進行清洗后，膜通量可恢復至83%以上。Nielson[23]利用聚酰胺納濾復合膜處理染料廢水，發現該膜對混合染料的截留率可達99%，且98%的廢水可以被回用。Raman等[24]利用納濾處理木漿漂白液，發現其中90%的色度物質和木質素可被去除。蘇金坡等[25]運用超濾-反滲透工藝處理電廠循環冷卻排污水，其中超濾作為反滲透的預處理，反滲透系統產水量為1 t/h（回收率為75%），經過1個月的連續運行，發現水中的絕大部分鹽分、膠體和有機物已被除去。反滲透技術在重金屬廢水的處理中也得到了廣泛應用，Mohsen-Nia等[26]研究了聚酰胺反滲透膜對含Cu2+和Ni2+重金屬廢水的處理效果，結果發現當廢水中重金屬含量為100～500 mg/L時，該反滲透膜對Cu2+和Ni2+的截留率均在98%以上，當在重金屬廢水中添加螯合劑時，其對Cu2+和Ni2+的截留率可以達到99.5%。

4.3 膜技術在災害應急供水中的應用

自然或人為災害多呈現受災面積大、受災人員多、經濟損失嚴重等特點。地震、洪澇、干旱、山洪、泥石流等自然災害發生后，國家在應急物資保障工作上經受極大的挑戰，由于構筑物損毀、城市供水管網震裂，造成災區大多數城市供水受阻甚至中斷。因此，做好應急供水，不僅要解決災區群眾和救援人員喝上水的問題，還要解決確保供應安全優質水的問題。本課題組針對和平時期可能出現的核化生污染城鎮供水情況開展了研究[27]，建立了納濾膜組合工藝處理模擬放射性污染水、炭疽桿菌和芽孢生物污染水以及化學毒劑污染水，實驗結果表明：以納濾過程為核心的膜組合工藝對核化生污染水凈化處理非常有效，出水水質滿足國家相關標準，所設計的納濾組合工藝可作為遭核化生污染的應急保障供水技術。趙海洋等[28]針對洪災導致的城市飲用水安全問題，運用超濾和低壓反滲透膜過程的雙膜集成技術，建立了一套產水量達25 m3/d的集成裝置，該裝置具有適合多種復雜水源水質、便于多途徑運輸與組裝、適用于較為復雜的環境等特點。實驗發現該集成裝置對水質條件與洪水類似的河溝水處理效果良好，其產水水質超過國家飲用水標準，制水成本＜5元/m3，表明該技術和裝置特別適用于突發洪災期間城市的應急供水。

4.4 膜技術在特種廢水處理中的應用

由于特種廢水的水量水質較為特殊，致使其處理流程和處理工藝與城市污水大相徑庭。本課題組在特種廢水處理方面做了大量的研究工作[29，30]。以模擬核爆后放射性物質污染廢水為研究對象，采用納濾與離子交換組合工藝對污染廢水中具有代表性的碘、銫、钚、鈾等放射性物質進行去除，結果發現該工藝對鈾、钚的去污系數分別為1.3× 103和6.7×103，對放射性的去除率可達99.93%。后來采用納濾工藝，分別對模擬毒劑沾染水和模擬核爆后放射性物質污染水進行處理，也取得了滿意的效果。白慶中等[31]利用聚丙烯酸鈉無機納濾膜處理含90Sr、137Cs、60Co放射性核素的低水平放射性廢水，通過實驗驗證了聚丙烯酸鈉輔助無機納濾膜處理放射性核素的可行性，實驗結果表明在最佳條件下，低水平放射性廢水的總β和總γ的凈化率均達到95%左右，去污因子達到20～30。Hwang等[32]采用納濾技術來處理模擬核污染廢水中的鍶，結果表明，對NaCl有較高除率的納濾膜對鍶也有很好的去除效果，其中當鍶以SrCO3形態而不是Sr(OH)2形態存在時，鍶的去除率隨pH的升高而升高。Szoke等[33]采用型號為MWCO-200的納濾膜從硼酸鹽堿性溶液中去除長壽命的60Co，研究發現60Co的去除率與溶液的pH密切相關，當pH=8時，去除率為73%，而當pH=11.5時，去除率可達96%。膜分離技術作為新興放射性廢水處理方法，在低濃度放射性廢水處理方面有著較好的去除效果及諸多優點，也是目前國內外重點研究的技術，但現有膜材料在物化穩定性、機械強度、使用壽命、清洗維護及核濃縮廢水處理等方面尚不能滿足工業需要，因此，開發新型膜材料，改進膜的清洗方法，提高膜的使用效能，減少膜二次污染等是膜分離技術在這一領域的發展方向[34]。對于類炭疽桿菌及其繁殖體和三類常見的化學毒劑模擬沾染水，本課題組[35]采用自行研制的超濾-納濾膜分離水處理設備分段對生化污染水進行凈化并取得了良好效果。Brandhuber等[36]用超濾膜處理含砷廢水，通過梯次試驗研究了操作條件和水質對砷的去除效果的影響，結果表明超濾膜對砷的去除規律符合Donnan模型。

5 膜技術應對水安全問題的發展趨勢

隨著經濟社會發展，人工合成化合物的種類與數量劇增，新型污染物不斷出現，水污染導致的水安全問題也日趨復雜。膜技術在水安全保障方面得到了廣泛的應用，但是部分膜過程效率低及膜污染問題是制約其更好應用的主要因素，因此未來研究工作應主要集中于提高膜性能及過程效率，具體主要有以下5個方面：a.新型膜材料與膜組件研發，發展耐污染、高性能的膜材料與膜組件，延長膜組件使用壽命，增加運行穩定性；b.通過開發更高通量和截留率的膜來降低反滲透等壓力驅動膜過程的高運行壓力，從而降低過程的能耗；c.膜分離機理研究，目前對膜分離機理的研究還不夠系統、全面，加強對膜分離機理的研究有助于更好地了解相關膜過程，從而增強對實際應用的指導性；d.新型膜工藝流程設計與優化，單一膜過程難以達到滿意的處理效果，因此需要對膜工藝進行組合優化，控制膜污染程度，提高處理效率；e.提高膜法海水淡化的產水水質，降低產水中硼酸等有害物質的含量，保留部分微量元素和礦物質。

反滲透作為目前在脫鹽方面應用最廣泛的技術，需要較高外壓力且膜易污染，而新興的正滲透過程因具有高水回收率、低膜污染和潛在的低能耗等優勢[37]，在發電[38]、脫鹽[39]和食品濃縮[40]等領域顯示出較好的發展前景，正滲透也將會在應急供水等領域發揮重大作用。另外，可以利用太陽能、風能等可再生能源的膜蒸餾及其他新型膜過程為一些遠離陸地的島礁開發提供用水保障[41]。

6 結語

隨著氣候變化及水環境惡化，我國水安全問題日益凸顯。膜技術作為一項新型分離技術，近20年來發展迅速，在解決水安全問題中發揮著重要作用。與傳統水處理技術相比，膜分離技術具有顯著優勢，使其在飲用水深度處理、廢水處理、災害應急供水及特種廢水處理中取得了廣泛應用。未來發展過程中，開發新型分離膜、提高膜過程效率和降低過程能耗將成為研究重點，同時膜技術在解決我國水安全問題中將發揮舉足輕重的作用，尤其以正滲透與膜集成技術為代表的膜過程將會取得廣闊的發展空間。

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The application of membrane technology for reducing water security problem

Hou Li’an1，2，Zhang Lin2
(1.Institute for Logistic Science and Technology of the Second Artillery，Beijing 100011，China，China；2.Department of Chemical and Biological Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

Water pollution，which results from rapid economic development and uneven distribution of water resource caused by global climate change，leads to water security problems. It has been a great challenge for the sustainable development of our society.In this article，the development of membrane technology and its applications in deep treatment of drinking water，wastewater treatment，emergency water supply and special wastewater treatment were summarized on the basis of water security situation of our country.Meanwhile，the potential role of membrane technology in solving water security problems is proposed.

water security；membrane separation；ultra filtration；nanofiltration；reverse osmosis

TQ028.8

A

1009-1742（2014）07-0004-06

2014-05-05

國家自然科學基金重點資助項目(51238006)；中國工程科技中長期發展戰略研究項目(2014-zcq-10)

侯立安，1957年出生，男，江蘇徐州市人，中國工程院院士，主要研究方向為環境工程；E-mail：houlian678@hotmail.com