淺析膜法水處理與污水處理技術

【摘要】我國水環境污染和水資源緊缺問題日益嚴重，飲用水安全受到廣泛重視，水質標準日趨嚴格。目前，微濾、超濾、納濾和反滲透以及各種基于膜技術的組合工藝研究和工程應用不斷取得進展，成為應對、緩解水環境污染和水資源危機的有效技術手段。

【關鍵詞】膜技術；微濾；超濾；納濾；反滲透

前言

目前，隨著我國工業化、城市化進程的不斷加快，水污染問題和水資源短缺形勢日益嚴重，要破解此困局，一方面要研發新型的水處理技術，提高處理水水質；另一方面要不斷開發新的水資源，如污水再生利用、海水淡化、廢水處理后循環利用等。近年來，國內和國際上膜技術的發展迅速，微濾、超濾、納濾和反滲透以及各種基于膜技術的組合工藝的研究和在工程上的應用不斷取得突破性進展。在以壓力驅動的膜技術中，低壓膜-微濾（MF）和超濾（UF）主要用于飲用水凈化和工業廢水處理等；高壓膜-納濾（NF）和反滲透（RO）主要用于廢水深度處理、海水淡化、再生水處理等。本文就目前幾種主要的膜技術以及其在水處理及污水處理領域的應用情況進行簡要介紹和分析。

1.微濾技術

微濾（MF）又稱微孔過濾，它屬于精密過濾，其基本原理是篩孔分離過程。微濾膜的孔徑一般為0.05～5μm，操作壓力<0.1MPa。由于其孔徑較大，只能截留粒徑>0.1μm的顆粒物質，在單純采用微濾膜過濾時，往往處理效果欠佳，且膜污染受原水水質的影響較大。組合微濾則能較好地克服這一缺點，通過沉淀、吸附、混凝以及微生物技術與微濾技術的組合，可有效去除水中的污染物，針對性強，適用范圍廣，且靈活可靠，是微濾技術應用的發展趨勢，可廣泛用于飲用水和污（廢）水的處理。

1.1 混凝+微濾工藝應用于水處理

混凝+微濾組合工藝應用于飲用水處理，與傳統工藝相比具有較大的優勢。混凝工藝能夠提高水中顆粒的粒徑，從而減緩因小于膜孔徑微粒所造成的污染，并且能夠在膜表面形成多孔的濾餅層，在一定程度上截留病毒和有機物，提高出水水質。采用微濾膜替代傳統的沉淀池或澄清池，不僅能降低混凝劑投加量，大幅提高水質，還能去除微生物、降低消毒副產物前體物。

1.2 傳統工藝+混凝+微濾工藝應用于污水處理

通過與傳統工藝的結合，混凝+微濾工藝也可用于生活污水的深度處理。王波等[2]和王秀麗等[3]分別采用SBR+化學絮凝+微濾分離膜和SAF+化學絮凝+微濾分離膜對高濃度生活污水進行處理，結果表明化學絮凝對磷酸鹽的去除效果較好，微濾膜能有效去除濁度和懸浮物。因此，出水水質優良，可滿足市政雜用水和生活雜用水的水質要求。

2.超濾技術

超濾技術是通過膜表面的微孔結構對物質進行選擇性分離，其過濾孔徑為0.001～0.01μm，操作壓力<0.25MPa，過膜壓差控制在0.1MPa～0.15MPa。當水在一定壓力下流經膜表面時，小分子物質透過膜，而水中的細菌和某些病原微生物等大分子物質則被截留去除。

超濾技術在水處理領域主要應用在飲用水深度處理、地表水處理、海水淡化、中水回用等方面。超濾技術能有效去除水中的微粒、膠體、細菌、病毒及部分有機物，具有占地面積小、處理效率高等特點。

2.1 超濾技術在飲用水和污水深度處理中的應用

超濾膜本身具有微孔結構，受孔徑限制僅能截留分子量相對較大的物質，對于溶解性有機物、鹽和部分小分子有機物的去除效果并不理想。因而同微濾技術類似，工程實際應用中一般不單獨采用超濾工藝，而是將其與混凝、粉末活性炭吸附等預處理技術組成復合工藝使用，可以有效的發揮超濾膜的優勢。

目前超濾膜凈水廠的工藝可劃分為，微絮凝-直接超濾工藝（如蘇州市渡村水廠）；混合-絮凝-超濾工藝（如天津市楊柳青水廠、新加坡的Chestnut Avenue水廠）；混合-絮凝-沉淀-超濾工藝（如美國明尼蘇達州的Columbia Heights水廠）以及常規處理-臭氧活性炭-超濾工藝（如加拿大的Lakeview水廠）等幾種類型。前幾種工藝主要用于提高給水廠的產水能力、降低出水濁度和有機物含量、去除藻類及兩蟲和病原微生物等。最后一種工藝可以在溶解性有機物含量較高時采用，以提高出水水質。

另外超濾膜技術在再生水廠中也有應用，如已投產的北京市清河再生水廠，原水來自清河污水處理廠，出水經過加壓泵從超濾膜箱底部進入過濾孔徑僅為0.02微米的超濾膜，再經過活性炭處理，臭氧消毒，出水水質達到國家IV類水體標準，供應奧運公園景觀用水及市政雜用水。

2.2 超濾技術在海水淡化處理中的應用

海水超濾預處理技術是近幾年發展起來的膜法預處理技術，主要用于海水反滲透的預處理過程。超濾可以大幅度降低原水SDI、濁度和TOC等，避免了傳統的預處理過程出水水質不穩定、膠體和溶解有機物去除效果差以及使用多種化學試劑等諸多缺點和不足，從而可大幅度提高反滲透裝置的水回收率，延長反滲透膜的壽命，降低海水淡化的成本和能耗，具有廣闊的應用前景。

3.納濾技術

納濾（NF）是介于超濾與反滲透之間的一種膜分離技術，其截留分子量在80-1000的范圍內，孔徑為幾納米，因此稱納濾。在過去的很長一段時間里，納濾膜被稱為超低壓反滲透膜，或稱選擇性反滲透膜或松散反滲透膜。現在，納濾技術已經從反滲透技術中分離出來，成為介于超濾和反滲透技術之間獨立的分離技術，己經廣泛應用于海水淡化、超純水制造、食品工業、環境保護等諸多領域。

3.1 納濾技術在工業廢水處理中的應用

在金屬加工和電鍍工業中，清洗水和電鍍液中常含有濃度較高的Cu、Cd、Ni、Fe等重金屬離子，應用納濾技術可將這些重金屬離子濃縮10倍，并能回收90%以上。電鍍廢水經抗污染膜超濾-高壓納濾組合工藝處理，可達電鍍清洗水標準，回用率達到85%。納濾技術對紡織工業廢水也有很好的適用性，可有效去除色度、高濃度有機碳、COD及各種染料等。在食品工業廢水處理中，納濾膜可以去除廢水中的蛋白質、色素、有機物和微生物，處理后的水基本無色，BOD、COD值極低。

3.2 納濾技術在垃圾滲濾液處理中的應用

垃圾滲濾液是一種成分復雜的高濃度有機廢水，含有BOD、COD、含氮化合物等，不僅氣味惡臭，還含有不少致癌物。采用物化法處理垃圾滲濾液成本較高，目前主要采用生物法處理，但生物法出水水質難以達標，因此對滲濾液進行深度處理成為需要迫切解決的問題。與其他技術相比，以納濾和反滲透為主體的膜分離技術具有分離性能好、可去除多種污染物及病原體、出水水質穩定、占地面積小等優點，且納濾技術更具有操作壓力低（350～1000kPa）、成本低、濃縮液易于處理的特點。

4.反滲透技術

反滲透是用足夠的壓力使溶液中的溶劑（一般常指水）通過反滲透膜（一種半透膜）而分離出來，與自然滲透方向相反，可使用大于滲透壓的反滲透法進行分離、提純和濃縮溶液。利用反滲透技術可以有效的去除水中的溶解鹽、膠體，細菌、病毒、細菌內毒素和大部分有機物等雜質。反滲透是最先進的也是最節能、環保的一種脫鹽方式，也已成為了主流的預脫鹽工藝。

反滲透技術主要用于生產高品質再生水、苦咸水處理、海水淡化等領域，這些技術已經在水資源緊缺的中東、日本、新加坡等地區得到廣泛運用。

4.1 反滲透技術應用于再生水處理

再生水回用技術目前已頗為成熟，中東、日本等沿海缺水地區都力圖將市政二級出水進一步凈化達到各類行業的用水標準。例如在科威特，主要的污水處理廠都采用生物二級處理，Sulaibiya處理廠是當前世界上規模最大的膜再生水廠（規模為60×104m3/d），通過UF/RO膜工藝將該廠及周邊污水處理廠的二級出水處理達到工業回用和農業灌溉用水的要求。

4.2 反滲透技術應用于苦咸水、海水處理

我國西北甘肅、寧夏部分地區水資源匱乏，地表水和地下水水質普遍較差，苦咸水廣泛分布，表現為高濃度鹽堿（高礦化度）成分，尤以Cl-和SO42-含量最高，遠超出《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）中氯鹽和硫酸鹽含量≤250mg/L的要求。Cl-和SO42-的傳統去除方法具有消耗大、成本高、引入雜質離子等局限性，因此找到一種可行性高的脫除方法是十分必要的。反滲透技術可用于脫除水溶液中除H+、OH-以外的其他無機離子，廣泛用于海水、苦咸水的淡化、除鹽處理。

反滲透海水淡化技術至上世紀70年代商業化以來，其高效、低能耗、清潔、少污染、操作管理方便等特點使其成為當今先進的脫鹽技術。經過50多年的研究開發及產業化，反滲透海水淡化膜及膜組件性能得到大幅度的提高，其脫鹽率已高達99.8%，而產水量提高了2～3倍多。能耗及制水噸水成本的降低促進了反滲透海水淡化的快速發展。據統計，在亞洲地區，2000年總產能為41.2×104m3/d，2009年則達到了210×104m3/d，其中中國的總產能比例由2000年的3%提高到了目前的23%，也就是說我國反滲透海水淡化產能已經超過48×104m3/d（包括在建），相比2000年提高了38倍多。

5.微濾+反滲透雙膜工藝

微濾+反滲透雙膜工藝對于水中溶解性有機物質、溶解鹽類、金屬離子、微生物病毒和膠體物質等均具有很強的去除能力。目前，微濾+反滲透雙膜工藝已被廣泛應用于市政污水、工業廢水的深度處理回用領域。美國、新加坡及國內天津經濟技術開發區再生水工程、北京燕山石化再生水項目等工程實踐已經充分證明了雙膜工藝在高品質再生水生產過程中的適宜性。

北京經濟技術開發區東區再生水廠一期工程以小紅門污水處理廠出水為再生水水源，經微濾+反滲透雙膜工藝深度處理后，出水水質達到高品質再生水水質要求，通過配套管網直接供給京東方“八代線”項目作為工藝生產用水水源，用于替代傳統自來水水源。該項目的順利投產，節約了大量的工業用自來水，提高了水資源循環利用率，緩解了開發區用水緊張的現狀，進一步推動了開發區國家級節水示范區的建設，是一次非常有益的污水資源再生利用工程實踐。

6.結論

我國水環境污染問題和水資源緊缺并存，水質標準日趨嚴格化，污水再生回用和飲用水的安全性受到越來越多的重視。由于能降低能耗，有效去除水中的病毒、微量有機物等環境風險性高的污染物，高/低壓膜組合工藝、膜技術和其他技術的復合工藝成為研究熱點。膜法水處理和污水處理技術的發展應用對于解決以上問題具有十分重要的意義。

參考文獻：

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