膜分离技术在环境工程水处理领域的应用

曹 雨

（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

社会的加速发展，带来了经济效益的提高，同时也带来了各种各样的水质污染问题。为了能在较低成本下，高效处理各行业的污水，用膜分离技术协同原有的处理工艺一同进行处理。膜分离技术以其良好的选择性和较低的能耗，以及较强的适应性等优点使其在水处理领域发挥着不可替代的作用，广泛的用于饮用水、生活污水、重金属冶炼及造纸等工业废水、海水及苦咸水淡化脱盐等各个领域。现如今，在环境工程水处理领域中常用超滤、纳滤、电渗析及反渗透等膜分离技术。除此之外，随着膜分离技术不断发展，又衍生出了一种集成膜技术。这种集成膜将2种或多种膜分离技术进行组合，可兼具多种膜的功能，广泛地应用在各个领域中。

1 膜分离技术

1.1 微滤

微滤是开发应用最早的膜技术，其过滤孔径在0.1μm～1μm之间。按照组成膜的形式不同可分为平板膜、卷式膜、中空纤维膜等。微滤技术常用于去除河流、水库等地表水中的一些颗粒性物质及金藻、绿藻等藻类，也可用于工业废水回收利用等处理。将微滤膜制成饮水机中的过滤膜组件使其在饮用水净化中发挥作用。采用微滤与反渗透相结合的工艺，梁睿荣等[1]对造纸废水进行处理，试验结果表明，操作压力和进水的pH值等因素均会影响脱盐率以及造纸废水中氯离子的去除效果，在最优条件下运行时，造纸废水的脱盐率可达到90%以上。

1.2 超滤

超滤膜是孔径小于0.01μm的一种微孔滤膜，也是最早研发的高分子分离膜之一。它可利用自身的微小孔径对水中的细菌、胶体等物质进行去除。超滤处理技术不仅可以节约使用有限的水资源，还能够提高饮用水的安全，是解决饮用水安全风险问题的有效途径之一[2]。超滤膜除了具有操作简单、投资成本低等优点，还具有很强的耐酸碱度特性，并且在温度超过100℃的情况下仍可以对水体进行净化处理[3]。

1.3 纳滤

纳滤技术是20世纪80年代末发展起来的，纳滤膜孔径比超滤膜小，约为1nm，能将相对分子质量较小的物质从溶剂中分离出来。利用纳滤膜所具有的选择透过性，不仅可以去除致突变、致癌、致畸物质及挥发性有机物，确保饮用水的生物安全性，还可以实现水的软化。对于纳滤膜技术，我国的理论研究比较早，但在实际应用方面略微晚于国外。如美国的NF系列纳滤膜、日本的UTC系列纳滤膜等已经在水处理领域进行大范围的应用，并且均达到了商品化的程度。

1.4 电渗析

在外加电场的作用下，实现阴阳离子的定向移动，即阴、阳离子分别通过阴、阳离子膜，从而达到分离混合离子的目的，这称为电渗析过程。目前，电渗析作为一项成熟的膜分离技术，广泛应用在苦咸水脱盐领域。因其良好的热稳定性、化学稳定性，也用于废水的处理及金属离子、盐类的回收，在医药、电子、食品等方面也发挥着重要作用。

1.5 正渗透与反渗透

正渗透技术以自然渗透压差为驱动力，使水自发的通过选择透过性膜并从较低渗透压区域流向较高渗透压区域。正渗透技术的应用使得在低能耗、高效率的情况下解决水污染及缓解水资源短缺问题成为可能。目前多用在海水淡化和废水处理等方面。反渗透膜是一种由高分子材料制成的具有选择透过性的小孔径半透膜，可以对水中的溶解盐等物质进行去除。反渗透膜的化学稳定性较好，受温度、pH等外界环境因素的影响比较小，常用于物质分离、物质浓缩等方面，目前主要用于饮用水处理以及纯水的制备等方面。

1.6 液膜

液膜由膜相、内相、外相组成，以两种液体的浓度差为推动力，利用各组分扩散系数的差异，实现两种互溶液体的分离。可利用液膜从发酵液中提取氨基酸、有机酸等;富集浓缩工业废水中的酚、氰、氨等物质;可以对金属进行回收利用，如分别在铜、铀矿酸浸液中回收铜和铀。目前液膜的应用情况不如超滤膜、反渗透膜普遍。

2 在环境工程水处理领域的应用

2.1 饮用水处理

采用膜分离技术，将饮用水中的微小颗粒进行去除，保证饮用水安全。黄亚伟等[4]采用纳滤膜处理技术，去除水中的有机锡化合物，采用一丁基三氯化锡、二丁基二氯化锡和三丁基氯化锡这三种化合物作为研究对象。研究结果表明，纳滤膜对三丁基氯化锡的截留率可达到85%以上。为探究核电站事故情况下生活饮用水的安全问题，周星星等[5]采用反渗透膜，对生活饮用水中的放射性核素进行去除。试验结果发现，反渗透膜在进水pH值为8~ 10时对核素的截留效果比较强。

2.2 生活污水处理

生活污水中含有较多的有机污染物，将膜分离技术与传统处理工艺相结合，可以达到更好的处理效果。尹星等[6]应用MBR与纳滤技术相组合的工艺处理生活污水以及大型超市的废水，研究结果发现，采用这种组合工艺可以高效地去除废水中的浊度物质及有机污染物，出水水质远低于生活饮用水标准中规定的限值。为探究正渗透膜的朝向与水通量、氮的截留效率之间的关系，刘志强等[7]采用正渗透膜分离系统处理校园生活污水，试验结果发现，采用活性层朝向原料液侧的FO模式运行时水通量稳定，不但能有效地截留污水中的氮污染物，而且正渗透膜的污染程度也比较轻。

2.3 工业废水处理

工业废水中含有的成分复杂多样，利用膜分离技术，不仅可将有害物质去除，对于工业水中的重金属等物质还可以进行回收利用。针对饮用水中重金属污染的问题，陈丽珠等[8]采用纳滤膜进行处理，研究重金属的种类对重金属截留率的影响。研究结果表明，在pH和操作压力均处于最佳条件下，纳滤膜对于不同金属截留效果不同，如对于金属铊的去除率为20%，而对金属镉、砷和铅的去除率可达到90%以上。代小元等[9]对应用碳化硅陶瓷膜处理工业废水的处理效果进行研究。研究发现，在跨膜压差为0.14MPa、过滤时间为20min以及膜孔径为0.5μm时，碳化硅陶瓷膜可有效的对工业废水进行过滤并使滤后水达到排放要求。

2.4 海水淡化

地球上最大的水资源是海水，采用反渗透、电渗析等技术，通过将海水进行淡化处理进而得到新的淡水资源。作为重要的盐离子分离膜的反渗透膜和纳滤膜，在较低能耗的条件下实现了海水淡化的处理，因此得到广泛的关注及应用[10-11]。于金旗等[12]采用超滤—反渗透工艺进行淡化，试验采用热法海淡浓盐水作为进水，研究结果表明，此工艺脱盐率可达97%以上，其出水水质也满足工业水回用的要求。田林等[13]采用反渗透膜的技术，对海水进行淡化处理，为小钦岛居民提供生活饮用水。试验结果证明，应用反渗透膜进行海水淡化在供水保障及成本方面具有明显优势。孙小寒等[14]利用电渗析法对海水进行淡化脱盐处理，试验中发现，采用一价离子交换膜制成的电渗析工艺能够在较低能耗的情况下对一价、二价离子进行分离。

2.5 苦咸水脱盐

苦咸水多存在于我国北方及沿海地区，长期饮用苦咸水会引发胃肠功能问题，因此，淡化苦咸水至关重要。孟祥超等[15]采用纳滤装置对苦咸水脱盐，试验结果发现，与二价离子相比，纳滤膜对苦咸水中一价离子的去除率较低；并且当操作压力为0.60MPa时纳滤膜的产水通量和离子去除率均可以达到最大。时强等[16]用配置的氯化钠溶液模拟苦咸水并对此溶液进行脱盐处理。试验中采用二价无机盐作为汲取液，并应用正渗透与纳滤技术相结合的方法，研究结果表明，当汲取液为30g/L的硫酸钠单组份时，二级纳滤过程可以将其浓缩至60g/L，可在确保产水质量的情况下连续进行苦咸水淡化过程。

3 结语

(1)膜分离技术具有处理水质效果良好、占地面积较小、自动化运行易于控制等优点，因此膜分离技术在水处理领域中应用广泛。

(2)集成膜技术的出现，克服了单一膜的不足，提高了处理效果。改变集成膜的结构，对膜表面进行改性处理，可能会进一步增强处理效果，这可能是未来的研究方向。

(3)膜分离技术发挥作用的同时，膜污染的问题也愈发重要。如何能低成本、高效地处理膜污染的问题，应是我们接下来努力的方向。