中空纖維膜技術及其在水處理中的應用進展

邱頡

摘 要：中空纖維膜分離技術是近年來新興的水處理技術，以該技術為主體的膜生物反應器分為內壓式和外壓式，在凈水和廢水處理中已成功應用。它具有水通量高、占地面積小以及出水水質好等優勢。本文從概念、特性及應用等方面介紹了中空纖維膜技術的概況，并展望了中空纖維膜技術在水處理領域的應用前景。

關鍵詞：中空纖維膜；水處理；應用

近年來，我國水污染狀況日益惡化，水質問題已成為全世界關注的焦點之一，開發經濟、高效的新型水處理技術十分必要。膜技術是水處理領域最高效、快捷的方式之一，研究人員已做出大量、有效的工作。

中空纖維膜在我國的發展始于20世紀70年代，1974年大連、上海、天津等地陸續展開中空纖維膜的研究，研究者于20世紀70年代末成功地研制出以芳香聚酰胺酰肼為原料的反滲透中空纖維膜及小型膜組件[ 1 ]。隨后，中空纖維膜的研究得到較大發展，逐漸步入工業化階段。

1 中空纖維膜技術的概念及其特點

中空纖維膜是超濾膜的一種，它是超濾膜技術中最成熟、先進的技術之一。中空纖維膜的外徑是0.5～2.0mm，內徑是0.3～1.4mm，管壁上布滿微孔，孔徑以能截留物質的分子量表達，截留的分子量可達幾千至幾十萬，可100%截留細菌、病毒、膠體、熱源及微小的懸浮物等。原水在中空纖維膜的外側或內腔加壓流動，構成外壓式和內壓式。經中空纖維膜處理過的水質清澈甘甜，可直接飲用。

中空纖維膜的特點是：

1）耐壓性好，中空纖維膜的耐壓性能主要取決于內外徑之比，與管壁的厚度無關。

2）中空纖維膜無需支撐體，使用過程簡單，無需加熱，節約能源。

3）膜組件可做成任意大小和形狀。

4）單位體積的有效膜面積大，填充密度高、通透量大。

5）適用范圍廣，適用于多種大分子有機物、無機物的分離。

2 中空纖維膜在水處理中的應用進展

自20世紀70年代以來，膜生物反應器（MBR）先后在北美、歐洲得到廣泛應用，90年代末期在我國開始應用。它是將膜分離技術中的膜組件與生物處理工程中的生物反應器相結合組成的新型生物處理裝置。目前，膜生物反應器普遍采用的就是中空纖維膜。

2.1 在水質凈化中的應用

中空纖維膜技術通常作為預處理環節廣泛應用于自來水、超純水及純凈水的制備、飲用水的深度凈化、礦泉水的凈化和海水淡化。值得提出的是，天然的礦泉水經過中空纖維膜的超濾凈化后不改變微量元素成分，同時達到可以直接飲用的目的。劉鍇等采用動態法對聚砜中空纖維超濾膜進行表面光接枝改性，通過調節膜孔徑，改善膜的親水性，從而控制反應程度，提高其篩分去除能力，改性后的超濾膜用于飲用水的凈化處理，凈化后的水質良好[ 2 ]。

2.2 在廢水處理中的應用

近年來，世界各國都在研發中空纖維膜技術，并將其應用于各類廢水處理的工藝中，該技術具有工藝流程簡單，節省占地空間，水的通量高及處理后水質良好等優勢，能夠實現水資源的可持續利用，有效緩解水資源短缺的現狀。

2.2.1在含油廢水中的應用

目前，我國大部分油田已進入開采的中后期，需要注入的水量日益增加，采出水量也隨之增多，油田的采出水對于一些干旱地區而言是珍貴的水資源。將中空纖維膜超濾技術應用于油田回注，出水水質可完全達標。梁立軍等采用中空纖維膜組件對大慶油田出水進行過濾凈化，處理后的濾過水水質良好。毛智明等采用中空纖維膜制備的膜組件進行長達22天的油水分離研究，結果表明：該膜組件的截留率保持在98%以上，滲透液含油量小于1mg/L[ 3 ]。

2.2.2在印染廢水處理中的應用

印染行業中，PVA漿料的使用大大增加了廢水中難降解有機物的含量，造成嚴重污染。當前，常用的印染廢水處理方法有化學法、物理化學法和生物化學法等，實際應用中多采用生化與物化相結合的方法，但傳統方法對于難生化降解的有機物處理效果不理想。

因此，研發處理PVA漿料廢水的新工藝勢在必行。鄭輝東等[ 4 ]利用中空纖維膜對PVA漿料廢水進行試驗研究并分析了不同試驗條件對處理效果的影響。研究表明，經中空纖維膜處理后的廢水可達到中水標準。

2.2.3在生活污水處理中的應用

荷蘭開展了處理能力為240m3/d的中試試驗并取得成功，此后開始建造以中空纖維膜生物反應器（MBR）為主體的污水處理廠，處理能力為18000m3/d。

英國已建成四個MBR生活污水處理廠，德國已建成五家大規模MBR污水處理廠，另有兩家污水處理廠已在規劃中，其中一家使用膜面積總計88000m3，建成后將成為全世界最大的以MBR為主體工藝的污水處理廠[ 5 ]。

3 結論與展望

以中空纖維膜技術為核心的水處理工藝具有操作簡易、能耗低、低壓運行，裝置占地面積小、出水水質好等優勢，能夠實現水資源的高效循環利用，具有較高的環境效益和經濟效益。隨著我國工業化進程的加速和水資源的日益短缺，污水和廢水的資源化利用已成為可持續發展的重要手段。膜處理技術在水處理領域的應用必將越來越廣泛。但將中空纖維膜技術廣泛應用于水處理的各個領域還有待于進一步研究，隨著膜分離技術和生物技術的發展，研發低成本、抗污染及適應性強的膜材料也將是未來的主要研究方向。

參考文獻：

[1] 劉傳生，李映，陳海燕.中空纖維膜的開發與應用進展[J].合成技術及應用，2014，29（2）：18-22.

[2] 劉鍇，吳光夏，宋華等.聚砜中空纖維超濾膜動態法表面光接枝改性[J].環境污染治理技術與設備，2004，5（1）：32-35.

[3] 毛智明，曹義鳴，介興明等.纖維素非對稱中空纖維超濾膜的制備與油水分離應用的研究[J].石油化工，2010，39（7）：750-756.

[4] 中空纖維超濾膜回收PVA廢水研究[J].福建化工，2004（1）.

[5] 李紅兵，顧國維等.中空纖維膜生物反應器處理生活污水的特性[J].環境科學，1999，20（2）：53-56.