2022年行业报告水处理中膜分离技术应用的研究及其特点

水处理中膜分离技术应用的研究及其特点

自从1748年法国科学家AbbleNallet发觉了膜分别现象，即水能自然集中到装有酒精溶液的猪膀胱膜内，各国学者就开头了对膜的讨论[1]。膜分别技术与传统的分别过程如过滤、精馏、萃取、蒸发、重结晶、脱色、吸附等相比，具有操作简便，设备紧凑，工作环境平安，节省能耗和化学试剂，无相变，无污染等特点，被认为是21世纪最有进展前途的高新技术之一，将在21世纪的工业技术改造中起打算性的作用[2]。目前，膜分别技术已广泛应用于各行各业，尤其在水处理的领域，现已遍布生活污水、工业废水(电厂废水、重金属废水、造纸工业、印染废水、石化工业废水和医药废水)、生活饮用水等方面。

二．膜分别原理及其特点

膜分别技术是在外力推动下，利用一种具有选择透过性能的特制薄膜作为选择障碍层使混合物中某些组分易透过，其他组分难透过被截留，来达到分别、提纯、浓缩作用的技术[3]，其工作原理为：一是依据混合物中组分质量、体积、大小和几何形态的不同，用过筛的方法将其分别；二是依据混合物不同化学性质进行分别，物质通过分别膜的速度(溶解速度)取决于进入膜内的速度和进入膜表面集中到膜另一表面的速度(集中速度)，其中溶解速度完全取决于被分别物与膜材料之间化学性质。一般，膜的形态结构打算其分别机理及应用方式。依据结构的不同，膜可分为固膜和液膜，固膜又可分为对称膜(柱状孔膜、多孔膜、均质膜)和不对称膜(多孔膜、具有皮层的多孔膜、复合膜)，液膜可分为存在于固体多孔支撑层中的液膜和以乳液形式存在的液膜两种。

目前，常用膜分别技术可分为反渗透(RO)、超滤(UF)、微滤(MF)、纳滤(NF)、电渗析(ED)和膜接触器(MC)等。在使用过程中，膜都需制成组件形式作为膜分别装置的分别单元，工业上常用的膜组件形式有板框式、圆管式、螺旋卷式和中空纤维式。后三种皆为管状膜，差别主要是直径不同：直径大干10mm的为管式膜，直径在0．5～10mm之间的是毛细管式膜，直径小于0．5mm的为中空纤维膜。管状膜直径越小，则单位体积里的膜面积越大。废水处理中常用膜分别法如表所示[4]。

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三、膜分别技术在生活污水处理方面的应用

1．超滤在生活污水处理方面的应用

超滤以压力为驱动力，利用超滤膜的高精度截留性能进行固液分别或使不同分子量物质分级的膜分别技术。广泛应用于生活污水处理中的超滤膜过滤精度为0．01m，对胶体、藻类、病毒、有机大分子等有很好的去除率。山西大唐国际云冈热电有限责任公司的生活污水处理系统[6]，就是采纳生物处理+超滤的处理方案，经过长时间运行，结果证明在生活污水处理回用系统中采纳超滤技术是可行的，处理后水质稳定且出水完全满意回用要求。

周李鑫、濮文虹等[7]以北京市郊某市政污水处理厂一期(氧化沟处理工艺)工程二沉池出水和二期(SBR处理工艺)工程二沉池出水为原水，分别采纳絮凝一砂滤一超滤和直流一混凝一超滤的预处理工艺，结果表明，两种工艺出水的SDI,'b于2，浊度达No．04-0．1NTU，COD去除率20%～60%，肯定程度上还降低了氨氮、总磷等污染物浓度，SDI、浊度与产水量均达到了反渗透进水水质的要求。

蔡虹、金同轨[8]使用孔径为0．25μm的中空纤维聚丙烯腈微滤膜和切割分子量为10000的中空纤维的聚砜超滤膜对经二级生物处理后的机场污水进行处理，结果浊度去除率达到99%，有机物去除率达到55%～85%，符合生活杂用水指标要求，达到污水回用的目的。

刘静伟等[9]设计了以超滤装置为主的水处理回用流程，如洗浴水一前处理一超滤处理一后处理一回用，可有效去除洗浴水中含有的大量皮肤分泌物、合成洗涤剂、污垢和香料等物质以及水中的细菌、真菌、大肠杆菌和病毒等物质，处理水水质满意回用要求。

2．纳滤在生活污水处理方面的应用

纳滤(NF)是近20年进展起来的介于反渗透(RO)和超滤(UF)之间的新型膜分别技术，对二价或多价离子及分子量介于200～500之间的有机物有较高脱除率。由于其特别的孔径范围和制备时的特别处理(如复合化、荷电化)，使得纳滤膜具有较特别的分别性能。生活污水一般用生物降解／化学氧化法结合处理，但氧化剂用量太大，残留物多[10]，若在它们之间加上纳滤环节，使可被微生物降解的小分子(Mw100)透过，截留住不行生物降解的大分子(Mw100)，然后大分子物质在化学氧化器处理后再进行生物降解，这样就可节省氧化剂和活性炭的用量，降低最终残留物的含量，其工艺流程见图1。

刘研萍、王琳等[11]慢用新型抗污染滤膜对主要成分为某高校家属院区化粪池上清液的生活污水进行处理，结果经纳滤中试设备过滤的处理水的水质完全达到建设部颁布的生活杂用水标准，除不能饮用外，可满意浇花、洗车、洗衣、洗浴等各种生活杂用，回用率达75%。

四、膜分别技术在工业废水处理方面的应用

随着膜分别技术的进展，其在生活污水和工业废水方面的应用越来越广泛，如循环冷却排污水、重金属废水、造纸废水、印染废水、制药废水等。

1．膜分别技术在循环冷却排污水处理方面的应用

火力发电厂始终是工业用水大户，其耗水量约占工业用水总量的20%左右。火电厂用水中循环冷却水的用量最大，因此很多火电厂把节水工作的重点放在循环冷却排污水回用上。于是，采纳反渗透技术处理循环冷却水达到回用目的就显得非常重要[12]。河北某电厂共有6台发电机组，总循环冷却水量6．3万m3／h。循环水浓缩3倍左右，排污水约为900m3／h。该电厂地处北方缺水地区，淡水资源紧缺，为缓解供水冲突，电厂投资建设了200m3/h，l1反渗透除盐水项目，以循环冷却排污水为水源，反渗透出水作为锅炉预脱盐补充水，通过泵打到煤场和输煤栈桥做喷淋水[13]，结果实现回用及综合利用目的。其工艺流程如图2示。

聂锦旭[14]用纳滤膜处理电厂冷却循环冷却排污水，经过强化微絮凝、强化过滤等预处理后，再通过纳滤膜出水，结果出水水质达到循环冷却水补充水的要求。在此基础上，以3×10m3／d规模为例，分析纳滤膜处理工艺的投资和运行费用可知，纳滤膜处理系统是一种经济、可行的循环冷却排污水处理工艺。

2．膜分别技术在重金属废水处理方面的应用

含硒的农业排放废水已在世界范围内成为一个新的污染源，如美国加利福尼亚州的SanJoaquin谷，盐化污水含硒量已达到4200mg／L。湿地环境受该废水污染，消失高比率的水鸟胚胎畸形和死亡的硒中毒现象。Kharaka等人[15]试验得出，采纳纳滤技术处理加利福尼亚卅[SanJoaquin谷的重污染废水，可截留95%以上的硒和90%以上的其他多价阴离子。

纳滤膜处理大量污水且所需压力低，预处理步骤少，成本低，处理含硒的农业排放废水为其他含硒废水供应了突破性的处理方法。在金属加工和电镀工业中清洗水和电镀液中常含有浓度较高的重金属离子，如铜、镉、镍、铁等，采纳纳滤膜可使这些金属离子浓缩10倍，并回收90%以上的废水。利用某些金属离子在肯定氯离子浓度下可形成荷电和非荷电络合物的性质，用荷电纳滤膜可将它们分别开，如镉和镍在氯化纳浓度为0．5mo1／L时，前者以电中性络合物的形式存在，而后者形成荷正电络合物，于是带正电的纳滤膜可截留镍离子，实现两种离子的分别”[16]。

3．膜分别技术在造纸废水处理方面的应用

造纸废水是造成环境污染的重要因素，膜分别技术处理制浆造纸工业废水在国外已较成熟，主要使用纳滤和超滤处理制浆废水及回收有用副产品。纳滤膜可以代替汲取和电化学方法除去深色木质素和木浆漂白过程中产生的氯化木质素，因污染物中很多有色的物质都带有负电荷，易被负电荷的纳滤膜截留，且对膜不产生污染。PontiusEW．[17]采纳纳滤膜处理造纸厂的废水，得到无色、透亮     ，不含阴离子废物的渗透水。且渗透水COD、TOC和无机物含量的去除率均可达到80%以上。DePinho和Geraldes等采纳纳滤与电渗析组合处理红麻制浆厂漂洗出水，结果阴离子几乎全部除去，NaCI量降低到60×10-6，基本可回用于造纸工艺。

杨友强、李友明等采纳SPK100超滤膜对化机浆废水进行处理，超滤浓缩液的燃烧热为15．54kJ／g，固形物含量为188．9g／L，达到了碱回收工段的要求[18]。采纳能耐介质pH值为1～14的无机分别膜处理碱性造纸黑液，不必调整黑夜pH值，就可以回收其中有用组分，分别过程为纯物理过程，流程简洁，易于管理和维护。利用不同孔径的膜可分别回收纤维素、胶体SiO2、木质素和还原糖，最终透过液中主要含烧碱，调整其浓度，即可回用于蒸煮制糖。

除此之外，膜分别技术还可以与生物处理工艺相结合，即膜生物反应器。膜生物反应器是将膜分别技术与生物处理工艺相结合而开发的新型系统，是近年进展较快的高效废水处理技术，在处理难降解有机物废水方面有明显的优越性。采纳中空纤维膜组件和活性污泥反应器组成的分置式膜生物反应器，对造纸废水的CODcr的去除率较高，处理后的水可回用，且出水稳定性好，一般稳定度可达到85%以上。

4．膜分别技术在印染废水处理方面的应用

染料工业生产过程中，会产生大量的高盐度(质量分数5%)，高色度(数万倍以上)，高COD，(高达数万mg／L)的废水，且还混有相当数量的异构体。由于该类废水的BOD5与CODcr的比值通常低于0．3，可生物降解性差，同时废水中所含无机盐还将进一步降低废水的生物降解性。高浓度的染料废水对环境造成严峻污染，直接影响染料工业的可持续进展。

刘梅红等[19]采纳纳滤技术对上海某染料厂供应的蓝色染料废水进行处理，结果表明：纳滤膜对染料的截留率和色度的去除率保持在100%左右，即使过程回收率达到80%(浓缩5倍)状况下，膜对废水中色度和CODcr的去除率仍高达99%以上。陈国华等[20]采纳ATF50型纳滤膜对香港的印染废水进行处理，COD分别为14000mg／L和5430mg／L的两股废水经纳滤后，COD截留率分别达到95%和80%～85%，出水达到香港排放标准。

膜技术不仅可以处理印染废水也可以回收其有用成分。董波等人[21]采纳聚丙烯腈超滤膜进行了涂料废稀料的回收。结果表明，用超滤法可以回收涂料稀料中的溶剂，且回收的混合溶剂组成与原稀料溶剂组成基本相同，可用于洗罐和部分涂料的掺和料。

5．膜分别技术在石油化工废水处理方面的应用

石油工业废水主要包括石油开采和炼制过程中产生的含各种无机盐和有机物的废水，其成分简单，处理难度大，一般方法难以取得抱负的处理效果。膜技术可有效处理废水及回收有用物质。含酚的石油工业废水毒性很大，必需脱除后才能排放，若采纳纳滤技术，不仅酚的脱除率可达95%以上，且在较低压力下就能高效地将废水中的镍、汞等重金属高价离子脱除，其费用比反渗透等方法低得多。Ohya等[22]胜利地制备出一种聚酰亚胺纳滤膜，该纳滤膜具有高通量并耐高压、高温及耐有机溶剂的特点，截留相对分子质量为170～400，能有效地分别汽油和煤油。张裕卿等[23]研制出聚砜一A10，复合膜超滤技术，并用该复合膜对华北油田北大站外排水砂滤后水样进行了超滤处理，原水油的质量浓度为640mg／L，处理后油质量浓度小于0．5mg／L，完全符合回注水的要求，截留率皆在99%以上，复合膜运行肯定时间后，清洗后水通量恢复率较高。李发永等[24\25]在国内最早采纳膜技术处理采油污水，先用外管式聚砜(Ps)超滤膜处理采油污水；然后采纳磺化聚砜(SPS)平板式和外管式超滤膜再次处理含油污水，结果表明SPS膜通量随磺化度的增加而提高，且优于Ps膜，透过液基本达到国家排放标准及低渗透油田注水标准。

6．膜分别技术在其他工业废水处理方面的应用

随着医药行业的进展，制药废水越来越多，已成为工业废水中的重要部分，膜分别技术是处理该类废水的新技术。近年来，超滤法在中药制剂领域内的应用也渐渐开展。任冬伟等人采纳超滤法对生物农药新型苏云金杆菌(Bt)杀虫剂进行了工业性生产试验，结果对每釜6t发酵罐生产的料液，只须2h时即可浓缩完，细菌数由60(L／mL浓缩到150(L／mL，镜检观看细菌无损害，且特别活跃，取得了满足的结果。张茂林等人[27]在东北制药厂采纳超滤技术对传统的维生素c(Vc)生产工艺进行改造，使Vc收率提高5%，且节汽，节水，节能和削减环境污染。膜使用寿命达3年以上。除此之外，超滤和其他技术联用的处理效果更抱负。刘路等[28]采纳超滤与纳滤组合进行林可霉素发酵液的分别浓缩，超滤截留除去固体颗粒及蛋白质等大分子物质，起净化作用，纳滤基本截留全部的可林可霉素。

五．膜分别技术在生活饮用水处理方面的应用

膜分别技术在水的净化与纯化方面即从水中去除悬浮物、细菌、病毒、无机物、农药、有机物和溶解气体等发挥了独特的分别作用。微滤可去除悬浮物和