膜技術在水處理中的應用研究

摘要：目前，膜技術已廣泛應用于水處理中，成為解決全球水資源問題的重要途徑。微濾和超濾可以有效去除水中的懸浮物和細菌，反滲透廣泛應用于海水淡化和飲用水凈化，電滲析用于工業廢水處理。這些膜技術不僅提高水資源利用效率，還改善水質，對環境保護和可持續發展具有積極意義。本文結合膜技術發展現狀，分析膜技術在水處理中的應用，然后進行膜生物反應器的比選，以更好地將膜技術應用于水處理中。未來，要持續創新，進一步拓展膜技術在水處理領域的應用，為全球水資源管理和保護做出更大貢獻。

關鍵詞：膜技術；水處理；微濾；超濾；反滲透；電滲析

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）04-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.04.054

Study on the Application of Membrane Technology in Water Treatment

LI Jiao

（Beijing SYMGREEN Environmental Protection Technology Group Co.， Ltd.， Beijing 100000， China）

Abstract： At present， membrane technology has been widely applied in water treatment and has become an important way to solve global water resource problems. Microfiltration and ultrafiltration can effectively remove suspended solids and bacteria from water， reverse osmosis is widely used in seawater desalination and drinking water purification， and electrodialysis is used for industrial wastewater treatment. These membrane technologies not only improve the efficiency of water resource utilization， but also improve water quality， which has positive significance for environmental protection and sustainable development. Based on the current development status of membrane technology， this paper analyzes the application of membrane technology in water treatment， and then compares membrane bioreactors to better apply membrane technology in water treatment. In the future， it is necessary to continue innovation and further expand the application of membrane technology in the field of water treatment， making greater contributions to global water resource management and protection.

Keywords： membrane technology; water treatment; microfiltration; ultrafiltration; reverse osmosis; electrodialysis

當今社會，水資源的保護與合理利用已經成為全球關注的焦點。水是生命之源，涉及方方面面，如居民飲水安全、工業生產、農業灌溉和生態平衡等。然而，全球人口不斷增長，工業化迅猛發展，加上氣候變化等因素的影響，水資源短缺和水體污染日益嚴重[1]。在解決水資源問題和改善水質的過程中，膜技術作為一種高效、可持續的水處理技術，引起廣泛的關注和研究。膜技術基于半透膜的分離原理，能夠有效去除水中的懸浮物、顆粒物、有機物和重金屬離子等污染物，從而提供一種可靠的水處理手段[2]。

1 膜技術發展現狀

1.1 膜分類

膜是一種由特定材料制成的半透膜，具有微孔結構，可以實現物質的選擇性傳輸。這些微孔允許某些分子或離子通過，而阻止其他分子或離子通過，從而實現分離、濃縮、過濾和純化等功能[3]。根據孔徑大小、分離機制和材料特性等，膜主要分為4類。

一是微濾膜。微濾膜的孔徑一般在0.1～10.0 μm，可以過濾顆粒物、懸浮物、細菌和一些膠體物質，常用于乳清處理和飲用水預處理等。二是超濾膜。超濾膜的孔徑通常在0.001～0.100 μm，可以有效去除溶解性高分子有機物、大部分膠體物質、細菌和病毒等，廣泛應用于飲用水凈化、工業廢水處理和生物制藥等領域。三是反滲透膜。反滲透膜的孔徑在0.000 1～0.001 0 μm，可以高效去除溶解性離子、大部分有機物、細菌和病毒等，用于海水淡化、飲用水凈化和工業廢水處理等。四是電滲析膜。電滲析膜是一種通過電場效應實現離子選擇性傳輸的膜，廣泛應用于離子交換和溶解鹽的去除。膜的選擇取決于特定應用的需求和水處理的目標。不同類型的膜在水處理中發揮獨特的作用，有效地提高水資源利用效率和水質凈化水平。

1.2 膜原理

膜技術是一種基于膜的分離技術，利用膜的半透性實現物質的選擇性傳輸和分離。膜原理是根據溶質的大小、形狀、電荷以及溶劑與膜的相互作用，溶質在膜上發生不同方式的傳輸，從而實現分離和純化[4]。膜原理主要有4種。一是微濾。微濾使用微濾膜，其孔徑相對較大，可截留大部分細菌、懸浮物和泥沙等，但允許水和較小顆粒通過。微濾膜廣泛應用于飲用水預處理，以去除大顆粒懸浮物和細菌，保護后續膜工藝不受污染。二是超濾。超濾是利用半透膜的微孔結構，以一定的外界壓強（0.1～0.5 MPa）為推動力，實現對物質的選擇性分離與回收。在污水處理中，超濾主要用于大分子污染物和膠體污染物的分離與回收。三是反滲透。在反滲透過程中，對水或其他溶液施加高壓，使其反滲透穿過孔徑極小的半透膜。膜的孔徑大小只允許水分子通過，而鹽、重金屬和有機物等粒徑較大的溶質則被阻隔在膜的一側。這樣可以從海水或污水中去除鹽分和污染物，實現海水淡化和廢水處理。四是電滲析。電滲析使用特殊的電滲析膜，利用電場效應實現對離子的選擇性傳輸。在電滲析過程中，正負兩極的電場會促使離子在膜上的傳輸，使得離子選擇性地從一個腔室轉移到另一個腔室，實現離子的分離和去除。

1.3 膜材料

根據化學性質和用途不同，常見的膜材料如表1所示。除了常見的膜材料外，新型膜材料正在不斷被研發和應用，如聚酰亞胺、聚合氨酯和氧化鋁等。

2 膜技術在水處理中的應用

2.1 微濾在水處理中的應用

微濾在水處理中具有廣泛的應用。微濾膜孔徑通常在0.1～10.0 μm，能有效截留懸浮物、細菌和泥沙等較大顆粒。微濾常用于飲用水的預處理，以去除原水中的大顆粒懸浮物和細菌，保護后續膜工藝不受污染。

2.2 超濾在水處理中的應用

超濾膜孔徑在0.001～0.100 μm，廣泛應用于水中膠體顆粒和細菌的分離。超濾膜的孔徑大于反滲透膜，但小于微濾膜，使其能夠有效去除高分子有機物、膠體、細菌和部分病毒等。在水處理中，超濾常用于飲用水凈化、廢水處理和工業液體分離等。

2.3 反滲透在水處理中的應用

在海水淡化中，反滲透發揮至關重要的作用。海水淡化是一項關鍵的水資源開發技術，用于將海水轉化為可供人類和工業使用的淡水。反滲透膜是一種孔徑極小的膜，其孔徑在0.000 1～0.001 0 μm，只允許水分子通過，而阻隔鹽分和其他污染物。在海水淡化過程中，將高壓施加到海水一側，促使水反滲透穿過反滲透膜，從而分離出淡水。這種方法可以高效去除海水中的鹽分和污染物，生產出高質量的淡水。

在飲用水處理中，反滲透是一種有效的水質提升技術。反滲透膜通過高壓處理，截留自來水或其他原水中的溶解性離子、微生物、有機物和重金屬等污染物，從而生產出安全的飲用水。反滲透能夠有效去除潛在的有害物質，如氯、鉛和汞等，使得水質達到飲用水標準。其優勢在于高效節能，無須使用化學添加劑，設備占用的空間較小。因此，反滲透在城市飲用水處理廠、瓶裝水廠和家用凈水設備中廣泛應用。

2.4 電滲析在水處理中的應用

電滲析是一種基于電化學原理的分離技術，通過在2個極板間施加電場，促使帶電離子在膜上的選擇性傳輸，實現離子的分離和去除。在工業廢水處理中，電滲析被廣泛應用于去除離子污染物。廢水通過離子交換膜，正負兩極的電場驅動離子在膜上的遷移，使得目標離子從廢水中轉移到對應的腔室，從而實現離子的分離和富集。

3 膜生物反應器的比選

膜生物反應器可以顯著提高可降解有機物和總氮的去除率，因為其內部含有大量的微生物，如硝化細菌。由于污泥熟化期長，這些細菌生長速度較慢。膜生物反應器由兩部分組成，即膜組件和生物反應器。根據膜組件和生物反應器的組合方式，膜生物反應器可分為2種類型，即管式膜生物反應器和外置式膜生物反應器。

3.1 管式膜生物反應器

在管式膜生物反應器中，混合的氫氧化鈉溶液由循環泵加壓，然后進入膜組件，通過加壓膜成為系統的處理水，而固體和大分子則被截留在膜中，與濃縮的氫氧化鈉溶液一起流回生物反應器。其特點是便于清洗和更換膜，膜通量高。必須使用循環泵向膜表面提供高流速，以減少污染物在膜表面的沉積，延長膜的清洗周期。通常，水流保持高循環速率，膜表面流速為3.5～5.0 m/s，能耗偏高，而且泵的高速運轉產生剪切力，導致某些微生物失去活性。

3.2 外置式膜生物反應器

外置式膜生物反應器是一種將膜組件直接浸入活性污泥混合物的裝置。原水進入生物反應器后，大部分污染物被混合物中的活性污泥分解，經過處理的水通過負壓泵或壓差泵流過膜表面。膜組件下方是一個曝氣系統，為微生物分解有機物提供必要的氧氣，同時刺激混合物在膜表面形成上升流。外置式膜生物反應器采用曝氣振蕩和清洗方式，不需要大流量循環和清洗，能耗低，運行投資成本低，出水水量和水質穩定，反應器對各種進水負荷（水質和水量）變化、沖擊負荷的適應性強，可實現穩定的高品質出水。

3.3 技術比較

管式膜生物反應器與外置式膜生物反應器的技術比較如表2所示。根據運行方式，外置式膜生物反應器電耗約是管式膜生物反應器的20%。

4 結論

總體而言，膜技術在水處理中的應用為解決水資源短缺和水質污染問題提供有效方案。微濾和超濾在懸浮物去除和膠體顆粒、細菌的分離方面發揮重要作用，保障后續處理的順利進行。反滲透在海水淡化和飲用水凈化中成為可靠的手段，為人們提供高質量的飲用水。電滲析則廣泛應用于工業廢水處理，高效去除鹽分和重金屬等污染物。這些膜技術不僅可以提高用水效率，還能改善水質，對環境保護和可持續發展產生積極影響。作為一種新型水處理技術，膜生物反應器可對污水進行深度凈化，為深度除磷脫氮提供可能。經技術比較，外置式膜生物反應器電耗約為管式膜生物反應器的20%，可以實現節能運行。

參考文獻

1 武瑞琛，郝澤周，孫 冰，等.水生植物凈化和修復城鄉污染水體的特征整合分析[J].林業科技通訊，2022（8）：14-21.

2 曹書嶺，莫曉媛.膜技術在化工廢水處理中的應用[J].化工設計通訊，2023（6）：156-158.

3 邱緒凱，束麗雯，陳 蘇，等.污水處理廠膜處理技術及其應用[J].工業微生物，2023（3）：13-15.

4 趙洪濤.超濾污水處理系統中進水系統控制設計[J].自動化博覽，2023（5）：86-90.