膜技术在城市污水处理中的应用及前景

梁萍

摘 要：近年来，我国城市污水产生量越来越大，而传统处理方法效果不理想。与其他污水处理技术相比，膜技术具有能耗低、分离效率高、不会产生二次污染等优点。随着膜技术的发展、膜性能的提高及其成本的不断降低，其在城市污水处理领域获得较为广泛的应用。因此，本文分析了膜分离技术的相关内容，并总结膜技术在城市污水处理中的经验。

关键词：膜技术;城市污水;城市;处理

中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）02-0074-03

The Application and Prospect of Membrane Technology in Urban Wastewater Treatment

LIANG Ping

（Shandong Jinhuimo Technology Co.， Ltd.，Zhaoyuan Shandong 265400）

Abstract： In recent years， the amount of urban sewage generated in China has been increasing， but the effect of traditional treatment methods is not ideal. Compared with other sewage treatment technologies， membrane technology has the advantages of low energy consumption， high separation efficiency and no secondary pollution. With the development of membrane technology， the improvement of membrane performance and the continuous reduction of its cost， it has been widely used in the field of urban sewage treatment. Therefore， this paper analyzed the relevant content of membrane separation technology and summarized the experience of membrane technology in urban sewage treatment.

Keywords： membrane technology;city sewage;city;treatment

随着城市化进程的加快，城市污水已经严重影响城市及其周围的水环境。目前，我国城市污水处理效率相对较低，部分城市生活污水不能经过处理后达标排放，导致水环境形势严峻。近年来，随着社会经济的进一步发展，人们的生活水平显著提高，对环境与能源问题的重视度越来越高。

传统的污水处理方法（如活性污泥法等）受工艺条件和技术的限制，导致我国城市污水处理效率低、投资大、成本高，容易对环境造成二次污染[1-3]。膜技术是一种新型分离、净化与浓缩技术，其分离过程清洁，操作简单，能耗低，化学药剂用量少，因此其在污水处理领域获得较为广泛的应用[4-6]。随着膜技术的发展、膜性能的提高及其成本的不断降低，采用膜技术对城市污水进行处理越来越受欢迎。本文对膜技术进行简要叙述并说明其优点，总结了膜技术在城市污水处理中的经验。

1 膜技术简介

生物膜是一种具有特定分离功能的高分子材料，因其本身具有特殊的选择透过性，可用于分离具有不同物理性质的混合物。膜分离技术是指在分子水平上以选择性透过膜为分离介质，在外力的推动下，对混合物进行分离、提纯、浓缩等处理的一种新型分离方法[7-8]。根据性质的不同，生物膜可分为固相膜、液相膜和气相膜。目前使用较多的為固相膜。根据分离膜所受驱动力的不同，其分为压力驱动膜、浓度驱动膜、电驱动膜和热驱动膜。以压力和浓度为驱动力的膜分离技术主要包括微滤、超滤、纳滤、反渗透、渗析、电渗析、渗透蒸发和气体分离等[9-10]。

膜分离技术作为一种新型污水处理技术，有着明显的优点。一是分离效果好。多数情况下，膜分离可以在纳米水平上对混合物进行分离，同时能够去除水中的天然有机物、化学药剂及细菌等微生物。二是分离能耗低。普遍情况下，膜分离过程不会发生相变，可以极大地降低能量损耗。同时，膜分离过程大多在常温环境下进行，不需要加热或者冷藏，从而可以进一步减少消耗及污染。三是操作简便。大部分膜分离设备不需要运动部件，分离装置简单，一般不需要维护，可靠度较高。四是低价环保。膜分离过程一般不需要添加药剂，不但降低了分离成本，而且能够避免药物添加引起的二次污染。五是集成度高。正常情况下，膜系统结构紧凑，占用空间少，自动化程度高，基本不需要人力维护。六是应用广泛。膜技术与蒸发、吸附、萃取、化学反应、生物技术等进行有机结合，可形成膜蒸馏、膜分相、液膜、膜萃取和膜生物反应器等一系列新型技术。

1.1 超滤膜技术

超滤是在压力作用下溶液中的溶剂与其他低分子量溶质穿过膜上微孔到达膜的另一侧，而高分子量和其他乳化胶团则被截留，从而实现物质分离。超滤的原理是膜的筛分，同时膜的静电作用也可截留。

超滤膜除具有耗能低、操作简单、避免二次污染等特点外，还具有以下优点。一是稳定性强。超滤膜具有耐酸、耐碱、耐水解的化学性能，这使它可以广泛地应用于具有各种强酸强碱及有机溶剂的生产场所，如处理工业废水。二是超滤膜耐高温可达140 ℃，所以该技术可以用高温蒸汽和环氧乙烷杀菌消毒。三是过滤精细超滤膜技术可截留的分子量为500～500 000，其分子直径为0.002～0.100 ?m，操作的静压差为0.1～0.5 MPa，被截留的分子直径0.005～10.000 ?m。可去除水中99.99%的胶体、细菌、悬浮物等有害物质。

1.2 纳滤技术

纳滤是介于反渗透和超滤之间的膜分离技术。通常，操作压≤1.50 MPa、截留分子量200～1 000、NaCl的截留率≤90%的膜可以认为是纳滤膜。它既能截留可透过超滤膜的那部分小分子量有机物，又能透析被反渗透所截留的无机盐。纳滤需要的操作压力较低，可有效减少设备投资。

纳滤膜多用于水的深度处理，它可以除去应用水消毒过程中产生的微毒副产物、杀虫剂、碳酸盐、硫酸盐、重金属和无机盐等。因此，其被广泛应用于水的软化处理、纺织、印染水处理及电镀废水处理等。

1.3 反渗透膜技术

反渗透又称逆渗透，是渗透的一种反向迁移运动。反渗透膜技术是以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作，即对膜一侧的料液施加压力，当压力超过它的渗透压时，溶剂会逆着自然渗透的方向进行反向渗透。反渗透膜能截留水中的各种无机盐、胶体物质和大分子溶质，从而取得净制的水。

反渗透具有无相变、组件化、易操作、占地面积小和耗能低等优点，因而被广泛地应用于海水和苦咸水的淡化、水的软化以及食品废水、医药工业废水、化学工业废水的提纯、浓缩和分离等方面。此外，反渗透技术在预除盐处理方面也达到了较好的效果，能够极大地降低离子交换树脂的负荷，树脂的再生剂用量也可减少90%。因此，其不仅可以节约费用，还有利于环境保护。反渗透技术还可用于去除水中的微粒、有机物质、胶体物，减轻离子交换树脂的污染，延长其使用寿命。

1.4 膜生物反应器技术

生物膜技术是一种新型生物技术，通过培养各种活性菌，使其附着在由固体介质组成的滤料表面，进而加工形成一层生物膜，通过分解转化污水中的富营养物而实现对污水的有机处理，如图1、图2所示。生物膜是由大量的细菌、真菌、原生动物及藻类组成的生态系统。它由好气层、厌气层、附着水层和流动水层构成。污水中的有机物先经过附着水层吸附，再由好氧区进行好氧分解，然后由厌氧区进行厌氧分解。流动水层则可以冲掉老化的生物膜，促进新的生物膜生长。生物膜法具有成本低、易管理和净化范围广等优点。但是，其对环境温度要求高，固化介质需要时常更换，因此要严格做好工艺设计，有效控制运行条件，这在一定程度上增加了生产成本。

膜生物反应器则将生物膜和高分子膜有效结合，它利用膜分离技术，极大地弥补了生物膜需要定时更换介质的缺点。膜生物反应器技术不仅增强了生物膜的作用效率，提高了污泥的生物活性，还可以对泥龄和水力作用时间进行单独控制。

2 膜技术在城市污水处理中的应用研究

近年来，随着人们的环保意识不断增强与膜技术的不断发展，膜技术在城市污水处理中得到越来越广泛的应用，主要体现在以下几个方面。

2.1 造纸废水处理

造纸废水含有大量的木质素、半纤维素、糖类和其他毒性物质，是我国主要的工业污染源之一。通常，造纸废水处理采用酸化法和超滤法相结合的办法。超滤法可以将造纸剩下的浆液浓缩起来，提取废水中的木质素，同时可以用来处理造纸工业产生的黑液，对COD的去除率高达98%。另外，其还可以将制浆废液中的漂白粉等有害物质去除。经过浓缩提取的木质素可以用于制作其他化工产品，处理过的水也可以重新进入工艺使用，实现了生产工艺的环保再生功能。

2.2 纺织印染废水处理

紡织印染废水含有大量的无机盐和有机物，而且色度高，成分复杂，因而难以用生物化学方法处理。传统的处理工艺如活性污泥法、沉降法等都难以达到理想效果。因此，人们可以采用活性污泥法与纳滤相结合的处理方法。活性污泥法可以对污水中的有机物进行降解处理，而纳滤可以对染料废水进行浓缩。通常，水溶性染料的相对分子质量是300～1 500，纳滤技术正好适用于上述区间。处理后的染料废水主要包括浓缩液和淡水。该淡水可返回生产工艺重复使用。而浓缩液含有大量可用成分，可用作原料，经过处理，印染污水的80%～90%都可以回收再利用，大幅度降低生产成本。

2.3 重金属废水处理

在冶金生产等金属加工业中，废水通常来自生产过程的大量冲洗，导致废水含有大量的铁、锌、铜和镍等重金属。由相关试验可以得出，含大量重金属的废水超滤处理后，浓缩液中重金属的含量极高。当废水离子浓度达到340 mg/L时，经反渗透处理后，重金属去除率可以达到99%。利用膜分离技术对含重金属的污水进行处理，可以达到低投入、高效率、少污染和可回收再利用的目的。

2.4 城市污水回收利用

城市污水作为一种潜在的水资源，越来越受到人们的重视。将传统水处理方法（如活性污泥法等）与膜处理技术相结合，可以提高污泥浓度，简化工艺流程，同时可以减少污泥排放，极大地提高污水处理效果。

3 结论

近年来，随着人类社会的不断进步，环境污染问题已经越来越受到人们的重视。水资源问题逐渐受到人们关注，膜技术在城市污水处理方面的应用不但提高了生产效率，降低成本，而且可以满足不同条件下的水质需求，实现了污水的再利用，具有极大的环境效益和经济效益。膜技术在城市污水处理方面的应用越来越广泛，在城市污水处理方面扮演着越来越重要的角色，可以为城市污水资源化利用提供有力支持。

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