納濾膜在污水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

齊宏麗 肖永輝

【摘 要】納濾膜的分離效果介于超濾和反滲透膜之間，納濾過程兼具篩分效應(yīng)和膜面電荷的道南效應(yīng)。納濾對(duì)水中大多數(shù)有機(jī)物、多價(jià)鹽離子具有很高的截留率，但對(duì)單價(jià)離子截留率較低，因而對(duì)單價(jià)、多價(jià)鹽具有良好的選擇分離特性。本文總結(jié)了納濾膜在污水處理中應(yīng)用情況，并針對(duì)納濾膜在應(yīng)用中存在的問題提出了可行的方法和建議，展望了納濾膜未來的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】納濾；污水處理；膜技術(shù)；工程應(yīng)用

1.前言

納濾膜在廢水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望。

納濾作為一種介于超濾和反滲透之間的膜過濾技術(shù)，可以高效截留水中的多價(jià)鹽和有機(jī)污染物，同時(shí)結(jié)合其對(duì)單價(jià)鹽截留率相對(duì)較低的特點(diǎn)，納濾對(duì)單價(jià)、多價(jià)離子混合體系具有很好的選擇分離特性，近年來在飲用水軟化、污水深度處理與回用、工業(yè)過程濃縮分離等方面得到了較為廣泛的應(yīng)用[1]。

2.納濾膜的發(fā)展過程

納濾膜起源于20 世紀(jì)70年代，伴隨著低壓反滲透膜（RO）的誕生而發(fā)展的一種新型膜技術(shù)。納濾膜最早被稱為“疏松的反滲透膜”或“致密的超濾膜”，后來因普遍推測(cè)其可能具有1 nm 左右的孔道而改稱之為“納濾膜”。

納濾膜最早應(yīng)用于飲用水處理行業(yè)，世界上第一個(gè)納濾水廠就是專門針對(duì)水質(zhì)軟化的需求而設(shè)立的，其處理對(duì)象主要是地下水。此外，納濾還被作為海水淡化工藝中反滲透的預(yù)處理工藝，減輕了反滲透膜在實(shí)際運(yùn)行過程中的結(jié)垢污染問題。

3.納濾膜的材質(zhì)、性能特點(diǎn)及膜污染問題

納濾膜產(chǎn)品通常由聚合物支撐層組成的復(fù)合材料設(shè)計(jì)制作而成，按照膜結(jié)構(gòu)類型主要有螺旋纏繞卷式結(jié)構(gòu)（SW） 、板框式結(jié)構(gòu)、中空纖維結(jié)構(gòu) 、毛細(xì)管結(jié)構(gòu)、管式結(jié)構(gòu)，其中螺旋卷式膜結(jié)構(gòu)的膜元件占據(jù)了納濾和反滲透膜全球市場份額的91%[2]。

常用的膜材料主要有聚偏氟乙烯（PVDF） 、聚乙烯（ PE） 、醋酸纖維素（CA） 、聚丙烯（ PP） 、磺化聚砜（ SPS） 、磺化聚醚砜（SPES） 、聚酰胺（ PA ） 、聚乙烯醇（ PVA） 和聚氯乙烯（ PVC） 等，其中聚酰胺材質(zhì)通常被用于制備納濾膜結(jié)構(gòu)中的薄膜層。

納濾膜通過改變哌嗪的解離度以控制納濾膜對(duì)離子的截留性能，得到適于不同用途的納濾膜產(chǎn)品。例如：NF270 產(chǎn)水量高，主要用于水中總有機(jī)碳（ TOC） 和三鹵代烷（ THM） 前驅(qū)物的去除，對(duì)鹽分去除率中等偏低（ Table 1） ； NF200 對(duì)除草劑和TOC 具有很高的脫除率； NF90 能夠高度脫除水中的鹽分（ 90%） ，除去除殺蟲劑、除草劑和有機(jī)物外，還可有效去除硝酸鹽、鐵等離子； NF 主要用于工藝物料濃縮，截留分子量200 Da 以上的有機(jī)物而允許單價(jià)鹽透過[3]。

膜污染是膜分離技術(shù)應(yīng)用過程中普遍面臨的問題之一。納濾膜的膜污染對(duì)應(yīng)的污染物主要包括有機(jī)溶質(zhì)、無機(jī)溶質(zhì)、膠體和生物固體類物質(zhì)。根據(jù)處理原水水質(zhì)選擇合理有效的預(yù)處理工藝 、選擇合適的納濾膜種類 、合理的膜組件構(gòu)型設(shè)計(jì)和操作方式以及優(yōu)化的工藝設(shè)計(jì)、適宜高效的膜清洗周期和方式 ，可有效防止和減輕膜污染[4]。

4.納濾膜在污水處理中的應(yīng)用

4.1城市污水

隨著城市水資源的日益匱乏和日益嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的處理工藝已不能滿足城市污水的深度處理和回用的需求，在水回用的驅(qū)動(dòng)力下，膜技術(shù)在城市污水回用中得到了廣泛應(yīng)用和良好的效果。以北京為例，污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升，傳統(tǒng)工藝已無法滿足達(dá)標(biāo)排放甚至污水回用的需求，而經(jīng)過納濾深度處理后的污水可以滿足絕大多數(shù)污水回用水水質(zhì)的需求。

4.2紡織印染廢水

紡織印染行業(yè)中大量使用的染料物質(zhì)分子量通常分布在700～ 1000 Da 范圍內(nèi)，非常適于納濾膜技術(shù)處理。目前，納濾膜已經(jīng)在紡織廢水的深度處理與回用中取得了一些應(yīng)用。例如，李昆等[5]采用MBR-NF 組合工藝處理紡織廢水厭氧池出水，通過將濃水回流至MBR池的方法可將系統(tǒng)水回收率提高至90%以上，而整個(gè)系統(tǒng)對(duì)紡織廢水中污染物具有穩(wěn)定高效的去除效果，其中納濾出水TOC低于4 mg·L-1，濁度、色度去除率分別高達(dá)99.64%和96.41%。此外，混凝/絮凝與納濾膜聯(lián)用、砂濾/微濾與納濾膜聯(lián)用均被證明可在滿足出水水質(zhì)要求的同時(shí)有效降低膜污染狀況的發(fā)生。

4.3食品、飲料和乳制品廢水

納濾膜在食品、飲料行業(yè)得到了成功的應(yīng)用，主要用于過程的濃縮、脫鹽以及環(huán)境相關(guān)的水處理，比如： 乳清蛋白的濃縮和脫鹽，葡萄糖漿的純化以及對(duì)工藝清洗液、離子交換樹脂再生液的回收。小分子物質(zhì)和單價(jià)鹽可以部分透過納濾膜，而較大分子物質(zhì)則會(huì)被截留，如糖類等。在飲料行業(yè)，分裝運(yùn)輸前的果汁需要先濃縮，減少運(yùn)輸?shù)捏w積和成本，使用時(shí)再將損失的水分補(bǔ)足。

在食用油、乳制品和制糖等其他行業(yè)，納濾膜也有著廣泛的應(yīng)用前景。

4.4油田采出水

油田采出水約占油田采出液總量的60%～90%，這就意味著在很多情況下采出水的總量要比實(shí)際開采出的油量高出許多倍。將微濾、超濾、納濾膜、反滲透等膜技術(shù)用于油田產(chǎn)出水的處理與回用已相當(dāng)成熟，并逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。中國海洋大學(xué)的潘振江等采用UF+NF 雙膜法組合工藝進(jìn)行了處理油田采出水的現(xiàn)場試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)UF+NF雙膜系統(tǒng)能在較長的運(yùn)行周期內(nèi)保持穩(wěn)定的產(chǎn)水通量，產(chǎn)水水質(zhì)指標(biāo)滿足油田注汽鍋爐進(jìn)水水質(zhì)要求。

5.結(jié)論

納濾在飲用水處理和食品、化工、石油、制藥等行業(yè)的物料分離和廢水深度處理等方面得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)也受到了限制，包括膜污染問題、濃水處理、不夠徹底的分離效果等。可從兩個(gè)方面著手：設(shè)計(jì)合理的工藝或選擇適宜的膜種類； 建立適合于傳質(zhì)過程的傳質(zhì)模型，優(yōu)化膜性能和處理效果。隨著新型膜材料的研發(fā)、膜組件設(shè)計(jì)構(gòu)型的優(yōu)化以及過濾過程的模擬控制的深入研究，納濾膜將在更多的行業(yè)和領(lǐng)域應(yīng)用得到發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 陳觀文，許振良，曹義鳴. 2013. 膜技術(shù)新進(jìn)展與工程應(yīng)用[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社

[2] Lee K P，Arnot T C，Mattia D. 2011. A review of reverse osmosis membrane materials for desalination—Development to date and future potential[J]. Journal of Membrane Science，370（ 1） ： 1-22

[3] 陶氏化學(xué)公司. 2012. FILMTEC 反滲透和納濾膜元件產(chǎn)品與技術(shù)手冊(cè)2012 版[M]. USA： 陶氏化學(xué)公司.1-333

[4] 芮玉青，王薇，杜啟云. 2009. 納濾技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展及存在問題[J].

工業(yè)水處理，29（ 9） ： 15-18

[5] 李昆，魏源送，王健行，等. 2014. 再生水回用的標(biāo)準(zhǔn)比較與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，34（ 07） ： 1635-1653