反滲透技術在水處理中的應用研究

劉德樺

（青島理工大學，山東 青島 266520）

1 反滲透技術的簡介

1.1 反滲透技術原理

動物的膀胱是天然的半透膜。用只有水分子能通過，而其他成分不能通過的具有選擇性的膜，水分子就會從純水的一側通過滲透膜進到鹽水的一側，最后使鹽水的一側的液面上升，這是滲透。反滲透則是指在含鹽量高的一側，施加一個大于該溶液滲透壓的壓力，使滲透向相反方向進行，在壓力的推動下使含鹽量高的水得到凈化的方法。

1.2 RO 膜材料及特點

按照膜組件結構分為板框式、螺旋卷式、管式、中空纖維式，其中螺旋卷式膜元件使用最多，而螺旋卷式膜應用最廣泛的膜材料主要是醋酸纖維素膜、芳香聚酰胺膜。醋酸纖維素膜是最早用于制備RO 膜的膜材料，由纖維素和醋酸酐以非均相法制得。其具有原料來源廣、價格低、耐污染及耐氯性能好等優點，但其適用pH 范圍窄、耐生物降解能力差、易污染，在聚酰胺膜出現之前，在膜材料中處于關鍵地位。芳香族聚酰胺膜是目前銷售最多、應用最為廣泛的納濾及RO膜，其脫鹽層利用界面聚合法將間苯二胺與均苯三甲酰復合而成，親水性及化學穩定性好，耐微生物降解；但聚酰胺結構極易受到活性氯的攻擊，使得膜片表面氧化或氯化，造成膜材料的化學降解，以致引起膜片或元件功能的喪失，這使得膜片在加氯消毒后環境中不太適用[1]。

1.3 反滲透工藝

反滲透裝置是以膜組件為基本單位。根據原水水質、產品水水質要求和水的回收率要求，膜組件的排列可以分為“級”和“段”兩種方式。孫芮[2]闡述了三種反滲透工藝及適用情況：

1）一級一段處理工藝。液體進入膜組件后，將純水與濃度液引出。對于其他RO 水處理工藝，該工藝更簡單，但有較高的局限性。

2）一級多段處理工藝。在一級一段處理工藝的基礎上，繼續濃縮液體。相比于上一工藝來說，該工藝更加復雜。

3）兩級一段處理工藝。在使用一級方法難以達到實際水質要求的情況下，可以使用二級一段處理工藝。

2 反滲透技術實際應用

2.1 海水苦咸水淡化

RO 膜分離技術已被廣泛應用于海水淡化，在全世界海水淡化裝置中約有30%通過反滲透方式來實現[3]。我國長海縣反滲透海水淡化工程投入運行后，生產的淡化水總溶解固體小于400 mg/L。2000 年海島發生50 年不遇的干旱，水庫干涸，海水淡化水成為海島人民唯一的生活水源，成了長海縣人民的生命水。如果沒有海水淡化，就得采用船運的辦法解決，預期成本將高于40 元/t。這展示了海水淡化工程的巨大經濟效益、社會效益和環境效益[4]。

苦咸水是指堿度大于硬度，并含大量中性鹽，pH值大于7 的水。苦咸水在我國北方分布較廣，可充分利用反滲透水處理技術優化水質。在甘肅省慶陽市寧縣馬蓮河流域，利用馬蓮河上游環江苦咸水資源和運用RO膜技術，建立了1 000 m3/d 苦咸水淡化示范工程，出水水質達到國家生活飲用水衛生標準（GB 5749—2006），有效解決了環縣城區5 萬居民飲水問題[5]。

2.2 重金屬廢水處理的實際應用

目前，在工業企業產品生產過程產生的電鍍廢水和金屬材料漂洗水中，重金屬離子的含量較高，其中以鉛、鉻、鎘、鎳這四種重金屬元素為主，如果這類重金屬廢水不經妥善處理就排放自然環境中，不僅會帶來較為嚴重的水體污染以及水生環境被破壞的現象，還會通過食物鏈的持續積累直接危害人們的身體健康[6]。而重金屬廢水中的重金屬是不能被分解破壞的，只能轉移其存在位置和改變其物化形態。RO 膜的膜孔徑僅為10 a 左右，應用反滲透技術可以有效去除重金屬以及溶解鹽類、膠體、微生物等，去除率可達97%～98%[7]。應用反滲透技術處理重金屬廢水，最突出的特點有：一是能夠實現重金屬的回收，避免資源浪費，符合清潔生產的原則；二是出水水質優良，可回用，實現了廢水資源化，既降低了新鮮水的使用量又減少了污水的大量排放，可有效解決水資源短缺和環境污染問題，應用前景廣闊[8]。

2.3 鍋爐水補給處理中的應用

鍋爐用水涉及電力和熱力等行業，主要有電站鍋爐、工業鍋爐、熱水熱力網和熱采鍋爐用水等。不同類型的鍋爐對水質的要求也不同，但絕大部分鍋爐用水對硬度等指標要求非常嚴格。采用反滲透工藝和超濾對補水水源進行深度處理可以得到滿足要求的水。近年來，水資源短缺，生產成本提高，電力、熱力行業等行業多采用再生水作為生產鍋爐補給水的水源[9]。電廠鍋爐用水對水質要求嚴格，采用反滲透技術可以很好地解決這個問題，它大大地降低運行的勞動強度的同時，還能提高整個水處理工藝的運行管理水平和自動化程度。尹曉峰、金玉濤等人對反滲透技術應用于電廠鍋爐水處理研究中的工程采用多介質過濾器+反滲透+混床的組合工藝對原水進行脫鹽處理，指出反滲透技術適用于進水水質要求高，水量要求穩定的工業鍋爐用水處理，特別是對于水量要求小、設備自動化要求高的企業，尤為適合。

3 反滲透技術在脫鹽水水處理應用中所面臨的問題

3.1 預處理系統

RO 處理中，為延長RO 膜的使用壽命，必須保證進水水質達到規定標準。中國石油寧夏石化公司脫鹽水站選用了臥式過濾器作為反滲透的預處理裝置。但在脫鹽水站運行一段時間之后，發現反滲透進水水質惡化，SDI 值一直處于很高的狀態。通過調查，該系統在運行過程中需要加入大量氯，為去除余氯采用了活性炭過濾器，但余氯與活性炭結合使活性炭顆粒破裂導致了SDI 值居高不下，嚴重縮短了RO 膜的使用壽命，也不利于系統的穩定運行。

3.2 RO 膜污染

反滲透在運行過程中常常會發生脫鹽率及產水率降低、運行壓力增大等現象，其主要原因是RO 膜發生了不同程度的污染。常見的膜污染包括微生物污染、化學結垢、膠體及顆粒污染等。因微生物污染具有的特殊性，在市政回用水中以微生物污染為主。微生物的繁殖能力極強，即使很少的微生物進入反滲透系統，在適宜的生存條件下就可以大量繁殖，形成生物膜。生物膜一種膠粘物，其黏附力很強，可以保護微生物抵抗水流的剪切力，也不易受化學消毒藥劑的影響，很難徹底清除。反滲透系統本身具有較大的膜表面積，為微生物提供了黏附條件，隨著系統的運行所產生的有機物也為微生物提供了營養條件。其中，使用殺菌劑后生成的生物膜較在自然條件下生成的生物膜更難以控制。

3.3 藥劑的使用問題

水的處理過程中可能發生化學結垢對RO 膜造成膜污染，這主要是因為回收率過高，膜表面的水流速度變緩，在一定壓力下，膜表面與水接觸而產生一層邊界層，邊界層中的水通過膜進入另一側，而鹽離子不能通過，導致膜表面鹽濃度升高，當難溶鹽的離子積大于難溶鹽的溶度積時，就導致膜的表面產生難溶鹽沉淀。所以，當二氧化硅濃度超過二氧化硅溶解度時，膜表面就產生了二氧化硅沉淀。面對化學結垢通常可以采用降低回收率和加入阻垢劑的方法。但是不合理地加入阻垢劑、阻垢劑加藥系統不完善、運行過程中阻垢劑加藥中斷等原因會導致膜污染。例如當系統不需加入阻垢劑時，若加入阻垢劑，有可能因加入的阻垢劑吸附到膜面導致膜污染。

4 反滲透技術存在問題的改進方案

4.1 改造預處理裝置

中國石油寧夏石化公司脫鹽水站的臥式過濾器反滲透的預處理裝置會滋生大量的細菌和微生物，導致預處理出水的SDI 值偏高。經討論分析，改造了臥式細砂過濾器內部。底部容易產生水滯留區的卵石墊層全部打掉消除滯留死區，盡可能縮小反滲透技術應用中存在的問題及布水管與混凝土層間距離。經改造后，有效解決了過濾器底部細菌滋生的問題，減少了殺菌劑的用量。脫鹽水系統的原水排放量平均每周可以節約5 040 m3。

4.2 RO 膜清洗

膜分離技術是利用膜對混合物中各組分的選擇透過性能來分離、提純和濃縮目的產物的新型分離技術。膜污染發生后需要對膜進行清洗，清洗的辦法有化學清洗、物理清洗、生物清洗。化學清洗主要是利用化學藥劑進行清洗，運用最為廣泛，化學清洗的效果取決于清洗液的pH 值、流速、循環的時間和溫度等因素。常用的物理方法有低壓高流速和反壓兩種清洗方法。低壓高流速清洗是一種在低操作壓力下加大膜表面流速的方法。該方法降低了低溶質分子在膜表面停滯的概率。生物清洗的方法主要有兩種，一種是使用具有生物活性的清洗劑，另一種是將生物劑固定在膜上，使膜得到清洗。需注意的是溫度會對膜造成影響，溫度過高對膜會有損壞，降低清洗作用。膜元件酸性清洗時，需保持較低的pH；堿性清洗時，需保持較高的pH。

4.3 減少RO 膜污染的方法

RO 膜在運行過程當中，會受到膜材料、操作條件和處理液水質特征的影響，導致不同程度的污染，為減少或阻止RO 膜污染，通常可以采用以下幾種方法：

1）對于難溶鹽和膠體硅沉淀的防治可以采用降低系統回收率和加入阻垢劑的方法。

2）對于鐵膠體污染的防治，可以通過預處理工藝中去除或加超濾膜裝置過濾去除。

3）對于微生物在膜系統中繁殖導致的膜污染。可以通過投加消毒劑殺菌達到減少膜污染的目的。馬曉東提到微生物污染是因為微生物和蛋白質長期附著在膜上所導致的，所以可以通過改變膜表面的電荷或降低膜表面粗糙度，改善和提高膜材料的親水性。

5 結語

隨著人口的增長，全球大部分國家和地區都面臨嚴重缺水問題，在水資源匱乏的今天，正確選擇處理各類型水的方式十分重要，與傳統的水處理技術相比，RO 技術具有工藝簡單，操作方便，易于自動控制、能耗小等優點。目前，該技術面臨著兩大問題：其一是反滲透工藝問題，創造開發膜組件與其他技術聯合使用的新工藝，以減少RO 膜污染，提高進水水質，增加RO 膜的使用年限，增加水的利用率；其二是RO 膜材料問題，應研究新型膜材料，以達到增加膜的使用年限，增加抗腐蝕、抗氧化性，減少膜成本的目的。這是研究者在RO 技術方面努力奮斗的目標。