膜法水處理技術在生活污水處理中的應用

葉智誼

(東莞市環保產業促進中心，廣東 東莞 523000)

0 引言

隨著人口增長和城市化進程的加快，生活污水處理變得尤為重要。傳統的污水處理方法面臨著許多挑戰，包括處理效率低、處理成本高和資源浪費等問題。在這樣的背景下，膜法水處理技術作為一種先進的處理方法引起了廣泛關注。膜法水處理技術利用微孔膜或膜層來過濾、分離和濃縮水中的污染物，其高效、可控和環保的特性使其在生活污水處理中具有廣泛的應用前景[1]。

1 膜法水處理技術的概述

膜法水處理技術是一種利用特殊膜材料構建膜分離系統的處理方法，通過膜的孔隙結構和選擇性通透性，將水中的污染物、顆粒物和溶解物分離出來，實現水的凈化和處理。膜材料通常由微孔膜和膜層構成，常見的膜包括微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜等。

膜法水處理技術的原理基于物質分子在膜上的滲透和截留作用。在膜分離過程中，污水被施加壓力或利用濃度差推動，通過膜的孔隙或選擇性通透性，讓水分子和特定尺寸的溶質分子通過膜，而阻止其他較大的分子或固體顆粒通過。這樣，污水中的懸浮物、溶解性有機物、無機鹽和微生物等可以被有效地分離和去除，從而實現水的凈化和處理[2]。

2 膜法水處理技術在生活污水處理中的應用

2.1 生活污水處理中膜法水處理流程

膜法水處理技術在生活污水處理中通常包括預處理、主處理和后處理三個主要步驟。

(1)預處理

預處理是生活污水處理的第一步，旨在去除污水中的固體懸浮物、沉淀物和粗大顆粒等。常見的預處理方法包括格柵篩除、砂沉淀池或沉砂池、均流沉淀池等。這些預處理步驟可有效減少進入膜處理系統的懸浮物負荷，減輕膜的污染和損壞。

(2)主處理

主處理階段采用膜法水處理技術，將經過預處理的污水通過膜分離過程進行凈化。常見的膜處理技術包括微濾、超濾、納濾、膜生物反應器(MBR)和反滲透(RO)等。微濾和超濾膜通過膜孔隙結構的物理過濾作用，可去除懸浮物、膠體和微生物等大分子物質。納濾膜則介于微濾和反滲透之間，能有效去除溶解性離子、有機物質和微量溶解物。MBR技術結合了生物反應器和膜分離技術，通過微生物的降解作用和膜的篩選作用，同時去除懸浮物、有機物質和微生物等[3]。RO技術通過施加高壓將污水逆向滲透過膜，截留溶解在水中的無機鹽、有機物質和微量污染物。這些膜處理技術在主處理階段實現了高效的污染物去除和水質凈化，確保處理后的水質符合環境排放標準或再利用要求。

(3)后處理

后處理是為了進一步提升水質的處理步驟。根據需要，后處理過程可以包括消毒、pH值調節、添加消毒劑或抗氧化劑等。這些步驟有助于殺滅殘余的微生物、去除殘留的有機物和提供最終達到標準的水質。

整體而言，膜法水處理技術在生活污水處理中的應用流程包括預處理、主處理和后處理三個主要步驟流程如圖1所示。通過去除懸浮物、有機物、微生物和溶解性物質等污染物，膜法水處理技術能夠提供高效的水質凈化和再利用解決方案，以滿足環境保護和可持續發展的要求。

2.2 污水預處理

污水預處理是生活污水處理過程中的關鍵步驟之一。它旨在通過一系列物理、化學和生物處理方法，去除污水中的固體懸浮物、沉淀物、油脂、泥沙和粗大顆粒等污染物。污水預處理的主要目的是減少后續處理單元的負荷，保護和延長膜的使用壽命，提高整個處理系統的性能和穩定性。在污水預處理中，常用的處理方法包括格柵篩除、砂沉淀池(或沉砂池)、均流沉淀池和調節池等。

污水預處理是保證后續處理單元高效運行和提供良好水質的重要環節。通過適當的預處理措施，可以有效去除污水中的固體懸浮物、沉淀物和顆粒物質，減輕膜的污染和損壞，保護處理設備，提高整體系統的處理效率和可靠性。因此，在生活污水處理中，充分重視和實施有效的污水預處理是至關重要的。

2.3 污水主處理

污水主處理是生活污水處理過程中的核心步驟，旨在通過膜法水處理技術去除污水中的污染物，提高水質的凈化效果。主處理階段通常涉及微濾、超濾、納濾、膜生物反應器(MBR)和反滲透(RO)等膜法水處理技術的應用。

2.3.1 微濾(MF)和超濾(UF)技術

微濾(MF)和超濾(UF)是基于膜孔隙結構的物理過濾技術，常用于污水處理中的微觀固體物質和微生物的去除。這些膜的孔徑范圍通常在0.1～0.01 μm之間，具有較高的截留效率和較低的阻力。微濾和超濾膜通過篩選作用，可以有效去除污水中的懸浮物、細菌、微生物和大分子有機物質等。

微濾和超濾的工作原理基于膜的孔隙結構。膜的孔徑較小，可以阻止較大的顆粒、微生物和大分子有機物質通過，而允許水分子和較小的溶解物質通過。當污水通過微濾或超濾膜時，污染物會被截留在膜表面或孔隙中，而凈化的水則通過膜流出[4]。

微濾和超濾膜的孔徑較小，可以有效截留污水中的懸浮顆粒、細菌和微生物等。這些膜可以去除大部分的懸浮物質，使水質明顯凈化。相比于其他膜法水處理技術，微濾和超濾膜的操作壓力較低。這意味著在運行過程中可以減少能源消耗和運行成本。微濾和超濾膜可以選擇性地去除懸浮物質，同時保留有益微生物和溶解物質[5]。這有助于維持水中的生態平衡和保持水的營養性。并且，微濾和超濾膜通常具有較高的穩定性和耐用性，可以長時間穩定地工作。這些膜還具有較好的耐污性，能夠抵抗污染物的堵塞和污垢的積累。

2.3.2 納濾(NF)技術

納濾(NF)技術是一種介于超濾和反滲透之間的膜處理技術，其膜孔徑通常在0.001～0.01 μm之間。納濾膜具有較高的截留效果，可去除污水中的溶解性離子、有機物質和微量溶解物，同時保留較小的分子和一部分溶解性物質。

納濾技術的工作原理基于膜的選擇性通透性。納濾膜的孔徑比超濾膜小，可以有效截留較小的離子、有機物質和微量溶解物，如：鹽分、重金屬離子和一些有機物質。然而，與反滲透相比，納濾膜對鹽分和溶解物質的截留程度較低，使得部分水分子和一些溶解性物質能夠通過膜而保留了一定的溶解性物質。

納濾技術在生活污水處理中具有重要的應用價值，常用于去除硬度物質(如鈣和鎂離子)，降低水的硬度，改善水的質量和口感。此外，納濾還可以有效去除有機物質、微量溶解物和部分離子，提高水質的凈化效果。

2.3.3 膜生物反應器(MBR)技術

膜生物反應器(MBR)技術是將生物反應器和膜分離技術相結合的一種高效的水處理方法。在MBR系統中，微生物和膜被放置在同一反應器中，通過膜的篩選作用和微生物的降解作用，同時實現懸浮物、有機物質和微生物的去除。

MBR技術的工作原理如下：污水進入MBR反應器，其中含有微生物(如細菌、真菌和微藻等)。微生物通過降解作用，將有機物質轉化為水和二氧化碳等無害物質。同時，通過微濾或超濾膜的篩選作用，懸浮物、微生物和其他固體顆粒被截留在膜的表面或孔隙中，而凈化的水則通過膜流出。

MBR系統能夠同時去除懸浮物、有機物質和微生物，具有較高的凈化效果。相比傳統的活性污泥法，MBR系統能夠更徹底地去除污水中的污染物，提供更高質量的處理水。MBR系統通過膜的篩選作用，可以避免活性污泥法中出現的污泥沉淀后的二次污染問題。膜有效地截留固體顆粒和微生物，避免其重新進入處理系統，從而提高處理系統的穩定性和可靠性。另外，MBR技術適用于不同規模的污水處理廠。它可以根據需求進行模塊化設計，適應不同處理規模和處理能力的要求。此外，MBR系統還可以與其他水處理工藝結合使用，實現更高效的綜合處理效果。

2.3.4 反滲透(RO)技術

反滲透技術是一種利用半透膜分離溶質和溶劑的方法。在污水處理中，RO技術被廣泛應用于脫鹽和濃縮處理，以實現高品質的再利用水或低鹽度的排放水。RO技術與傳統污水處理技術相比，具有TDS濃度(總溶解固體Total Dissolved Solids)低、COD去除率高、鹽透過率低、水回收率高、能耗相對較低的優點如表1所示。RO技術通過施加高壓將污水逆向滲透過膜，使水分子通過膜而截留溶解在水中的無機鹽、有機物和微量污染物。RO技術具有高度的截留率和靈活性，能夠去除水中的離子、重金屬、微生物和有機污染物等，提供高質量的水資源。

表1 反滲透技術與傳統處理技術對比

通過應用微濾、超濾、納濾、MBR和RO等膜法水處理技術，可以有效去除生活污水中的污染物，提高水質的凈化效果。這些技術的選擇取決于污水水質、處理要求和經濟性等因素，可以根據具體情況進行組合應用，以實現高效的生活污水處理和資源回收。

2.4 污水后處理

污水后處理是生活污水處理過程中的關鍵步驟，旨在進一步提升水質的處理效果，使處理后的水達到符合環保標準的要求。后處理步驟可以包括消毒、調節pH值、添加消毒劑或抗氧化劑等。

2.4.1 消毒

消毒是一種常用的后處理步驟，用于殺滅殘留的微生物，以防止病原菌的傳播和疾病的發生。常見的消毒方法包括使用氯氣、次氯酸鈉、臭氧、紫外線輻射等。這些方法能有效地殺滅細菌、病毒和其他微生物，提高處理后水的衛生安全性。

2.4.2 pH值調節

pH值調節是調整污水的酸堿性水平，使其達到適宜的范圍。在某些情況下，污水的pH值可能過高或過低，不利于后續處理步驟的進行。通過添加酸性或堿性物質，可以調整污水的pH值，使其處于適宜的范圍，提供良好的處理條件。

2.4.3 添加消毒劑或抗氧化劑

除了常規消毒方法，有時還可以添加消毒劑或抗氧化劑來進一步改善水質。例如，加入活性炭可以去除污水中的有機物質和異味物質，提高水的口感和質量。其他常用的添加劑包括抗氧化劑、絡合劑等，用于抑制氧化反應、穩定水質和保護設備。

污水后處理的目標是確保處理后的水質符合環保標準，并滿足再利用或安全排放的要求。適當的后處理措施可以去除殘留的污染物、改善水的口感和質量，提高處理系統的穩定性和可靠性。通過綜合考慮水質特性、處理目標和成本效益等因素，選擇合適的后處理技術和措施，可以實現高效的生活污水處理和資源回收。

3 膜法水處理技術的優勢和挑戰

3.1 膜法水處理技術的優勢

3.1.1 高效去除污染物

膜法水處理技術在生活污水處理中具有高效去除污染物的優勢。無論是微濾、超濾還是反滲透等膜法水處理技術，都能通過膜的特殊結構和選擇性通透性，有效地將懸浮物、膠體、溶解性有機物和微生物等污染物分離和截留。與傳統處理方法相比，膜法水處理技術能夠提供更高的去除率和更好的水質凈化效果。

微濾和超濾膜技術能夠高效地去除懸浮物、膠體和微生物，通常可以達到90%以上的去除率。相比之下，傳統處理方法對懸浮物的去除率一般在70%～90%左右。微濾和超濾膜的微孔尺寸可根據需要進行調整，以實現對不同大小的污染物的有效截留。同時，膜法水處理技術通過反滲透(RO)技術實現更高的溶解性物質去除率，通常達到90%以上。相比之下，傳統處理方法對溶解性物質的去除率有限。

這些數據對比表明，膜法水處理技術相對于傳統處理方法，在高效去除污染物方面具有明顯的優勢。膜法水處理技術能夠更有效地去除污水中的懸浮物、膠體、微生物和溶解性有機物等污染物，提高水質的凈化效果。這種高效去除污染物的能力使得膜法水處理技術成為一種可靠、可持續的水質處理解決方案，為保護環境和人類健康作出了重要貢獻。

3.1.2 節約能源和資源

膜法水處理技術在能源和資源利用方面具有顯著優勢。相較于傳統的物理化學處理方法，膜法水處理技術通常需要較低的操作壓力和溫度，這意味著在運行過程中能夠實現能源的節約。此外，膜法水處理技術可以實現對水中有價值的物質的回收和再利用，例如通過反滲透技術回收淡水或通過MBR技術回收有機物質。這種資源的回收和再利用有助于減少對自然資源的依賴，實現資源的可持續利用。

3.1.3 適用于不同規模的污水處理廠

膜法水處理技術具有適應性強的特點，適用于不同規模的污水處理廠。無論是小型社區污水處理廠還是大型城市污水處理廠，膜法水處理技術都可以靈活應用。由于膜元件的模塊化設計，可以根據實際需要進行擴展或縮減，以適應不同規模的處理需求。這為不同地區和場景下的生活污水處理提供了可行的解決方案，并促進了污水處理技術的普及和推廣。

3.2 膜法水處理技術的挑戰

3.2.1 膜污染和維護

膜法水處理技術在生活污水處理中面臨著膜污染和維護的挑戰。隨著膜的使用時間增長，膜表面容易積聚懸浮物、有機物和微生物等污染物，導致膜通量降低和水質下降。膜污染需要定期清洗或更換膜模塊，這增加了運營和維護的成本。此外，膜的維護和管理需要專業技術和經驗，包括監測膜狀態、控制運行條件和優化清洗程序等。因此，有效的膜污染控制和維護策略對于保持膜法水處理技術的高效運行至關重要。

3.2.2 高成本和運營費用

膜法水處理技術在生活污水處理中面臨高成本和運營費用的挑戰。膜材料和膜模塊的制造成本較高，而且膜的壽命受到操作條件和污染物質量的影響，需要定期更換和維修。此外，膜法水處理技術通常需要額外的設備和系統，如：壓力泵、控制系統和清洗設備等，增加了系統建設和運營的費用。高成本和運營費用可能限制了膜法水處理技術在一些地區和應用中的推廣和采用。

4 結語

膜法水處理技術在生活污水處理中展示出了巨大的應用潛力和優勢，能夠高效去除污染物、節約能源和資源，并適應不同規模的污水處理廠需求。然而，仍然需要應對膜污染和維護的挑戰，以及高成本和運營費用等問題。通過采取有效的膜污染控制策略、優化系統設計和運行方式，并進行成本降低和技術創新，可以克服這些挑戰并提升膜法水處理技術的可持續性和經濟性。