膜分離技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用思考

◎ 鄭 昆，楊 紅

（1.吉林化工學(xué)院 生物與食品工程學(xué)院，吉林 吉林 132000；2.吉林通用航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，顯著增加了水中溶解性有機(jī)物的種類與數(shù)量，嚴(yán)重威脅到人們的飲用水安全。因此，要在飲用水處理中積極應(yīng)用先進(jìn)的處理技術(shù)，切實(shí)保證飲用水水質(zhì)安全。膜分離技術(shù)由于具備較強(qiáng)的實(shí)用性、高效性和節(jié)能性，成為研究和推廣的重點(diǎn)技術(shù)。

1 膜分離技術(shù)的原理及優(yōu)勢(shì)

1.1 原理

天然或人工合成的薄膜是膜分離技術(shù)的核心元件，薄膜的選擇透過性良好，依托外界能量、化學(xué)位差等分離、提純與富集雙組分或多組分溶質(zhì)與溶劑，最終分離具備不同物理或化學(xué)性質(zhì)的混合物[1]。

1.2 優(yōu)勢(shì)

和傳統(tǒng)水處理技術(shù)相比，膜分離技術(shù)具有一系列優(yōu)勢(shì)。①能耗低。在應(yīng)用膜分離技術(shù)時(shí)，化學(xué)反應(yīng)、狀態(tài)變化等皆不會(huì)出現(xiàn)于分離過程中，顯著降低了運(yùn)行耗能，有助于緩解當(dāng)前的能源危機(jī)。②常溫操作。膜分離技術(shù)對(duì)操作環(huán)境的溫度條件要求較低，在常溫條件下即可正常運(yùn)行。③應(yīng)用范圍廣。在應(yīng)用膜分離系統(tǒng)時(shí)，不會(huì)改變本身屬性及物質(zhì)性狀，不需要添加其他類型的輔助催化劑，也不會(huì)有物質(zhì)產(chǎn)生，可在多雜質(zhì)復(fù)雜廢水分離、無(wú)機(jī)物有機(jī)物分離、病毒細(xì)菌分離等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用。④成本低。膜分離系統(tǒng)不需要采用過于復(fù)雜的操作設(shè)備，顯著降低了設(shè)備成本及維護(hù)難度。膜材料、膜系統(tǒng)的價(jià)格低廉，設(shè)備不需要占用過多的土地面積，具有十分優(yōu)良的水處理效果[2]。⑤可控性強(qiáng)。通過應(yīng)用電子信息技術(shù)能夠遠(yuǎn)程操控膜分離系統(tǒng)設(shè)備，有助于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理，降低工作人員的管理難度。

2 膜分離技術(shù)的主要類型

2.1 微濾膜分離

微濾膜分離技術(shù)是利用對(duì)稱微孔膜進(jìn)行過濾，膜的孔徑一般為0.1～10.0 μL，依托壓力差驅(qū)動(dòng)，可對(duì)含高分子量的溶液進(jìn)行有效過濾。一般依據(jù)50～100 kPa的標(biāo)準(zhǔn)控制壓力差，篩分截留效應(yīng)是其傳質(zhì)分離機(jī)理，微粒、大分子溶質(zhì)以及懸浮物質(zhì)能夠被微孔膜高效截留[3]。在飲用水處理中應(yīng)用微濾膜分離技術(shù)，通過對(duì)細(xì)小粒子、菌體、懸浮性污染物進(jìn)行截留，可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化目標(biāo)。結(jié)合實(shí)踐表明，微濾膜的優(yōu)勢(shì)眾多，由于均勻分布膜孔，可保證過濾效果。現(xiàn)階段，主要采用具備熱穩(wěn)定性的材料制作微濾膜，如聚氯乙烯等高分子材料。此外，微濾膜具有較長(zhǎng)的使用壽命，一般不會(huì)出現(xiàn)脫落情況。但微濾膜容量較小，分離堵塞問題的發(fā)生概率較高。因此，在應(yīng)用微濾膜分離技術(shù)之前，可預(yù)過濾處理飲用水，避免出現(xiàn)堵塞問題。

2.2 超濾膜過濾

超濾技術(shù)與微濾膜分離具有基本類似的處理過程，利用非對(duì)稱膜處理飲用水，依據(jù)100～1 000 kPa的標(biāo)準(zhǔn)控制壓力差，通過施加外界壓力，利用多孔膜分離溶液中的水和分子。超濾膜的孔徑為2.5～45.0 nm，依靠篩分截留效應(yīng)實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)分離目的。在超濾膜過濾過程中，溶劑、小分子物質(zhì)可以順利透過超濾膜，而生物大分子、膠體物質(zhì)則會(huì)被截留。通過在飲用水處理中應(yīng)用超濾膜過濾技術(shù)，可將水中的微生物、膠體等物質(zhì)有效去除。超濾膜具有較為特殊的結(jié)構(gòu)，膜孔堵塞問題一般不會(huì)出現(xiàn)在分離過程中，可顯著延長(zhǎng)超濾膜的使用壽命。同時(shí)，超濾膜具有較高的過濾精密度，水中的膠體、藻類等物質(zhì)皆可被有效去除。但膜污染問題容易出現(xiàn)在超濾膜使用過程中，導(dǎo)致其分離效率受到影響。為恢復(fù)超濾膜的通量，可定期反復(fù)清洗超濾膜，主要原因在于此種膜具有良好的機(jī)械強(qiáng)度與耐化學(xué)腐蝕性能。

2.3 納濾膜分離

納濾膜分離技術(shù)能夠?qū)αＷ恿皆? nm以內(nèi)的溶質(zhì)進(jìn)行截留，溶劑、低價(jià)小分子物質(zhì)能夠順利透過。和微濾和超濾技術(shù)相比，納濾膜分離技術(shù)具有較為優(yōu)良的分離性能，可更好地去除水體中的小分子量物質(zhì)，且整體運(yùn)行能耗偏低，不會(huì)產(chǎn)生二次污染問題，分離物質(zhì)的固有性質(zhì)也不會(huì)受到影響，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于礦泉水凈化、飲用水軟化等諸多方面。通過在飲用水處理中應(yīng)用納濾膜分離技術(shù)，可有效去除飲用水中的微量有害離子、有機(jī)微污染物等，但人體所需的礦物質(zhì)可以被保留。在現(xiàn)階段，主要利用荷電化法、界面聚合法等制備納濾膜，具有耐高壓、強(qiáng)度大等優(yōu)勢(shì)。但在應(yīng)用過程中，工作人員要定期清洗納濾膜，否則膜污染會(huì)降低膜通量及污染物截留率。如果在飲用水處理中引入預(yù)處理工藝，如生物活性炭吸附等，則可有效降低膜污染程度。

2.4 反滲透膜分離

反滲透膜分離技術(shù)利用壓力差對(duì)溶劑和溶液進(jìn)行分離，通過加壓處理膜一側(cè)的液體，將會(huì)逆向滲透溶劑，滲透液、濃縮液最終形成于膜的低壓側(cè)與高壓側(cè)。其中，傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力的壓力差在0.1～10.0 MPa，當(dāng)滲透壓小于施加的外壓，溶劑將會(huì)順利透過反滲透膜，懸浮物質(zhì)、無(wú)機(jī)離子、大分子溶質(zhì)等則會(huì)遭到截留[4]。在應(yīng)用反滲透膜分離技術(shù)時(shí)，通常要對(duì)原料液進(jìn)行預(yù)處理，如借助于微濾、超濾等技術(shù)去除原液中的微小粒子，避免損害到反滲透膜?，F(xiàn)階段，反滲透膜分離技術(shù)主要在海水淡化、純水制備等飲用水處理領(lǐng)域應(yīng)用。

3 膜分離技術(shù)在飲用水處理中的具體應(yīng)用

3.1 飲用水純化

相較于傳統(tǒng)處理工藝，膜分離技術(shù)在飲用水純化方面具有較多的優(yōu)勢(shì)，其能夠?qū)λ械奈⑽廴疚锛跋靖碑a(chǎn)物進(jìn)行有效清除，目前在飲用水處理中已得到廣泛應(yīng)用。以納濾膜為核心的處理工藝由于具備較高的雜質(zhì)去除率和較低的運(yùn)行壓力，被廣泛應(yīng)用于市政供水行業(yè)。以某自來(lái)水廠為例，采用傳統(tǒng)處理工藝經(jīng)常出現(xiàn)氯化物指標(biāo)升高情況，嚴(yán)重影響到出水水質(zhì)。針對(duì)這種情況，自來(lái)水廠決定利用膜分離技術(shù)升級(jí)改造現(xiàn)有處理工藝，不需要對(duì)外部水源進(jìn)行更換，也不必增加外部管網(wǎng)接入，即可完成升級(jí)改造目標(biāo)。在升級(jí)改造過程中，先利用超濾技術(shù)對(duì)水中微小顆粒及膠體物質(zhì)進(jìn)行去除，再利用納濾及濃水反滲透工藝進(jìn)行深部處理，使水資源利用率、出廠水水質(zhì)得到同步提升。

3.2 海水淡化

我國(guó)很多沿海城市對(duì)海水資源較為依賴，但海水中微溶無(wú)機(jī)鹽離子較多，采用常規(guī)處理工藝無(wú)法去除鈣離子、鎂離子等無(wú)機(jī)離子。針對(duì)這種情況，可利用目前較為成熟的反滲透法脫鹽處理海水資源。結(jié)合實(shí)踐表明，通過在海水淡化工程中應(yīng)用反滲透膜技術(shù)，同時(shí)添加阻垢劑、酸等物質(zhì)，可有效去除進(jìn)水中的碳酸根、重碳酸根，有助于提高海水資源的利用率。以某海水淡化廠為例，先利用電解水機(jī)處理海水，再利用超濾過濾處理出水，最后利用反滲透膜分離設(shè)備進(jìn)行脫鹽處理。在該處理模式下，出水水質(zhì)與飲用水標(biāo)準(zhǔn)相符合，不需要添加任何類型的混凝劑，安全性較強(qiáng)、自動(dòng)化程度較高[5]。

4 飲用水處理中膜污染問題的形成原因及處理措施

4.1 膜污染問題成因

膜分離技術(shù)在飲用水處理的應(yīng)用過程中會(huì)經(jīng)常遇到膜污染問題，膜污染指的是在膜表面截留微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子等雜質(zhì)，受機(jī)械、物理、化學(xué)作用的影響，減小或堵塞膜孔。通?？蓮奈锢砦廴九c化學(xué)污染兩個(gè)角度劃分膜污染的類型，物理污染指的是雜質(zhì)沉積在濾膜表面，阻塞膜孔，化學(xué)污染指的是截留雜質(zhì)之間發(fā)生吸附或化學(xué)反應(yīng)。膜污染的危害極大，不僅影響膜的通透量與過濾效果，還會(huì)導(dǎo)致濾膜使用周期大幅度縮短。即便清洗后的濾膜，也無(wú)法保證膜系統(tǒng)的運(yùn)行效率。有機(jī)和無(wú)機(jī)膠體、菌落、細(xì)小顆粒有機(jī)物等會(huì)導(dǎo)致膜污染，而膜的通透性降低的主要原因有以下幾方面。①濃差極化。在膜分離系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，不斷升高膜表面上的物質(zhì)濃度，中央部分逐漸高于外周滲透壓，隨之降低膜的滲透通量。②膜孔堵塞。膜的表面蓄積大量被分離的溶質(zhì)，導(dǎo)致膜孔遭到堵塞，膜的通透性降低。③大溶質(zhì)吸附。膜分離的溶質(zhì)具備吸附作用，將會(huì)在膜表面吸附更多的物質(zhì)，進(jìn)而堵塞膜孔。④形成凝膠層。如果溶質(zhì)濃度大于飽和濃度，將會(huì)聚集在膜表層，導(dǎo)致凝膠層的形成。

4.2 膜污染處理措施

膜污染問題會(huì)嚴(yán)重影響膜通透性，降低飲用水處理效率及經(jīng)濟(jì)效益。因此，要結(jié)合膜污染的形成原因，采取科學(xué)的處理措施，預(yù)防和應(yīng)對(duì)膜污染問題。①進(jìn)水預(yù)處理。初始進(jìn)水含有過多的雜質(zhì)，如有機(jī)物、膠體、無(wú)機(jī)物和砂粒等，如果沒有采取科學(xué)的預(yù)處理技術(shù)，將會(huì)對(duì)膜的使用性能及壽命產(chǎn)生影響。因此，為防范膜污染問題，需對(duì)進(jìn)水進(jìn)行預(yù)處理。在具體實(shí)踐中，可綜合應(yīng)用絮凝沉淀、粒狀活性炭吸附等方法對(duì)料液中的大顆粒進(jìn)行去除，利用過氧化物、含氯試劑等消毒劑預(yù)防有機(jī)物污染。同時(shí)，還要合理確定工作壓力，如果壓力過大或過小，不僅會(huì)增加操作難度，還會(huì)增加沉淀層的密度與厚度。此外，積極創(chuàng)新制膜技術(shù)，在不影響膜分離性的基礎(chǔ)上，將小分子化合物添加到膜表面，這樣將會(huì)有一層保護(hù)膜形成，能夠避免膜表面蓄積可能造成膜污染的物質(zhì)。②改良膜材料性質(zhì)。將特定的添加劑加入膜制作過程中，可促使膜的疏水性、膜表面的粗糙度等得到改善，以達(dá)成膜抗污染能力增強(qiáng)的目的。例如，將表面活性劑SMM加入聚砜溶液中，可顯著增強(qiáng)聚砜膜的機(jī)械強(qiáng)度與親水性?；蚶谜辉囼?yàn)對(duì)溶劑、聚合物、添加劑的投加比例進(jìn)行調(diào)整，也可增強(qiáng)超濾膜的抗污染性能。

5 結(jié)語(yǔ)

近些年來(lái)，膜分離技術(shù)日趨成熟，在飲用水處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，不但能夠克服常規(guī)工藝的弊端與問題，還能夠進(jìn)一步提高水資源利用率。但在膜分離技術(shù)應(yīng)用過程中，還面臨著膜污染等問題。因此，相關(guān)主體要進(jìn)一步研究膜分離技術(shù)，探索膜污染問題的應(yīng)對(duì)策略，不斷改進(jìn)與完善膜分離技術(shù)，促進(jìn)飲用水處理水平的提高。