“双碳”目标下低压膜水处理技术的发展.pdf

第49卷 第 11 期2023 年 11 月Vol.49 No.11Nov.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT“双碳双碳”目标下低压膜水处理技术的发展目标下低压膜水处理技术的发展刘昕，郝秀娟*，宋虹苇，宋蕾（内蒙古工业大学土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051）摘摘 要要:伴随着习近平总书记“双碳”目标的提出，污水处理行业作为实现绿色低碳目标的关键领域之一，又迎来了新的机遇和挑战。围绕“减污、降碳、强生态”的理念，耦合资源和能源回收利用的新路线和新工艺将加快推进水环境治理，增强减污降碳协同效应，推动我国水生态环境保护进入新的发展阶段。基于此，文章对微滤、超滤、纳滤、正渗透等低压膜分离技术在污水资源化利用的应用前景和膜污染控制方法的相关研究进行了分析和总结，以便对未来水处理节能降碳及资源化利用领域中低压膜技术的研究与应用提供参考。这对促进经济社会可持续发展，及实现“3060”碳达峰碳中和目标具有重要的作用和意义。关键词关键词:碳达峰;碳中和;低压膜;水处理;膜污染开放科学开放科学（资源服务资源服务）标识码标识码（OSID）:中图分类号中图分类号:X703.1 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:10003770(2023)11-0021-006传统水污染治理的本质是以能耗换水质，处理过程中消耗大量的能源和物料，同时对生态环境造成严重的负面影响。据报道，我国污水处理的碳排放量为18.7万吨CO2 e/d，约占全社会碳排放总量的2%5%。污水处理中的碳排放可分为处理过程中的直接碳排放和能源、药剂消耗等产生的间接碳排放1。“十四五”时期是实现“碳达峰、碳中和”的污染防治攻坚目标的关键期，秉承着绿色低碳的发展理念，通过产业革新、技术升级等优化污水处理工艺，回收有机物能量补充碳源等方式，是从根本上解决水处理行业绿色低碳发展问题的有效措施之一，从而实现能量自给和碳中和2。这就要求必须因地制宜的研发适合中国国情的污水处理工艺，研究者也需要积极探索新的污水处理模式。膜分离技术主要是利用膜的选择分离性，截留污水中的悬浮物、胶体、分子、离子和大分子蛋白质等，具有占地面积小、分离效果好、出水水质高等优点。为推动和促进中国污水处理行业的绿色低碳发展，加快污水资源化利用进程，解决污废水低碳化、零排放处理等问题，膜分离技术发展迎来了新的机遇。尤其是低压膜技术（跨膜压力通常小于12 bar），因其具有工艺流程简单、操作压力低、能量消耗小、处理水量大等优势，在污水处理和资源化利用领域具有潜在的应用价值，受到研究者的广泛关 注3。图 1 是 以“wastewater treatment”与“microfiltration”、“ultrafiltration”、“nanofiltration”、“forward osmosis”分 别 组 合 为 主 题 词 在 Web of science数据库中检索得到的出版物数量（检索日期为2022年7月10日），从结果来看低压膜在污水处理行业的研究呈逐年增长的趋势，尤其是2020年出版物数量达到了一个峰值。本文针对微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和正渗透（FO）膜等低压膜技术在水处理行业低碳化转型中的工艺优势，综述了其在污水资源化方面的应DOI:10.16796/ki.10003770.2023.11.004收稿日期：2022-11-17基金项目：国家自然科学基金（52100049）；内蒙古自治区自然科学基金（2021BS05019）；内蒙古自治区本级引进优秀人才政策项目；内蒙古自治区人才开发基金；内蒙古自治区“草原英才”工程青年创新创业人才；内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目（JY20230047）作者简介：刘昕（1999），女，硕士研究生，研究方向为膜污染控制等；电子邮件：通讯作者：郝秀娟，讲师；电子邮件：hxj_21第 49 卷 第 11 期水处理技术水处理技术用以及其膜污染控制方法，为低压膜在水处理行业中的未来发展与应用提供借鉴。1 低压膜低压膜低压膜水处理技术在饮用水处理、生活污水处理、海水淡化等诸多领域备受关注，与传统水处理工艺相比，可以减少有机物分解或直接氧化产生的甲烷、二氧化碳等温室气体，对加快水处理行业实现“双碳”目标具有重要意义。1.1微滤膜和超滤膜微滤膜和超滤膜微滤和超滤均是利用筛分原理，对污水进行选择性分离。RAGAB等4使用ZIF-8 MOF材料对双层聚四氟乙烯微滤膜材料进行改性，研究结果表明改性膜对黄体酮的吸附容量增加了40%，透水性几乎翻倍，而高的渗透性所提供的优势替代了高压泵输送的需要，简化了处理过程并降低了其比能量消耗。葛晨5使用经羧基化碳纳米管改性后的聚醚砜超滤膜处理染料废水，在pH等于7的条件下，COD的去除率可达到86.3%。此外，经处理过后的染料废水也可达到染料工艺用水要求进行再回用。基于微滤和超滤制备的重力驱动膜（GDM）系统可以在超低压下工作运行，利用重力作为驱动力，无需电能运行及膜清洗，能够有效的降低能耗。梁恒等6研究表明GDM工艺能够通过污染物在膜上累积形成的生物滤饼层，提高膜对水中氨氮、可生物同化有机碳等的去除效率。宋丹等7采用重力驱动微滤膜对地表水进行处理，其UV254的去除效率可达到93.4%。1.2纳滤膜纳滤膜纳滤介于超滤和反渗透之间，是基于空间排阻和 Donnan（道南）效应实现对有机、无机组分的截留。YAO 等8将 与 氨 基 乙 基 哌 嗪 丙 烷 磺 酸 盐（AEPPS）和多巴胺（PD）共沉积过的多壁碳纳米管（MWCNTs）与 1，3，5-苯三甲酰氯（TMC）界面聚合制备纳滤膜能够有效的分离一价和二价盐离子，在海水淡化、食品和生物分离等领域有着很大的应用前景。ZHANG等9将表没食子儿茶素没食子酸酯/聚乙烯亚胺（PGCg/PEI）共沉积在基底上制备出的高性能疏松纳滤膜，可分离染料和盐混合物用于资源回收。吴佳10联合使用MBR与低压纳滤膜对翠湖再生水厂进行提标改造，使水厂的处理水量翻倍，并且经过低压纳滤工艺处理过后的出水水质可达到 地表水水环境质量标准（GB 38382002）中的类标准。CHANDRASEKHAR 等11采用亲水化聚酰胺纳滤膜作为先进的 MBR 工艺处理厨房废水，COD和浊度的去除率分别能够达到97.6%、98.5%，且完全消除颜色。膜生物反应器（MBR）与纳滤膜联用可提高出水水质，且具有高效性和经济性。1.3正渗透膜正渗透膜正渗透膜技术是利用原料液与汲取液之间的渗透压差（如图2所示），不需要外加压力便能实现对原料液的选择性分离。华能长兴电厂引入了正渗透膜技术处理脱硫废水不仅增加了脱硫盐水的浓缩效率，极大地降低了运行过程中的药耗和电耗，且实现了 100%的废水回用13。XUE 等14的研究结果表明正渗透处理工艺能够对城市污水中的氮、磷等营养物质进行富集和回用。QIU等15使用甜菜碱盐酸盐作为汲取液处理电镀废水使正渗透工艺具有高水回收率、低污染率和低能耗。将正渗透膜与其他工艺相结合能够有效的提高水处理效率、降低集成系统的能耗16。KEKRE等17为提高农业废水中的养分和水的回收率，将外20082009201020112012201320142015201620172018201920202021202202004006008001000出版物数量年份 NF UF NF FO 图1低压膜污水处理每年出版物数量，数据来源Web of science数据库Fig.1Number of publications per year for low-pressure membrane wastewater treatment,data sourced from Web of science database图2正渗透原理12Fig.2Principle of forward osmosis1222刘昕等，“双碳”目标下低压膜水处理技术的发展部电压系统与正渗透相结合开发了一种带电正渗透系统，与单一的正渗透相比鸟粪石和水的回收率分别提高了77%和39%。2 低压膜污水资源化利用低压膜污水资源化利用污水资源化是将污水本身所带资源和能源的资源化，包括水回用、氮磷等营养物质的回收利用等。“十四五”规划发布的 关于推进污水资源化利用的指导意见 中提出了污水资源化战略的整体要求，明确了城镇、工业和农业农村三大重点领域。在丰水地区合理的提高水质要求，计划到2025年，全国地级及以上缺水城市再生水利用率达到25%以上18。因此，加快推进污水资源化利用进程，探究低碳高效的污水处理技术至关重要的。低压膜技术是节能环保型技术，可在污水处理资源化方面发挥着重要作用。WANG等19使用膜处理截留下来的被吸附的水中重金属离子，获得高效的析氢光催化剂。CHEN等20可将再生获得的光催化剂用于还原CO2，在资源再利用的同时减少了废气排放。膜技术对N、P具有高选择性，可使其在废水中被分离出来，补充用作生物肥料的生产资源21。图3显示了用于从废水中回收氮磷的膜混合系统的一些示例（绿线是氮和磷的制造和使用；橙色线条是废水；蓝线是一种基于膜的技术，用于从废水中回收氮和磷；灰线是氮磷回收的补充步骤）。SANCHEZ等23研究浸没式厌氧膜生物反应器（G-AnMBR）相比流式厌氧污泥床（UASB）工艺，总COD 去 除 率 显 著 提 高，并 且 在 沼 气 生 产 时 G-AnMBR在稳态期间达到的甲烷流速和产量均高于UASB。利用G-AnMBR对真实市政废水进行大型中试规模试验研究，COD 去除率90%，BOD5去除率95%，且 AnMBR 的净能耗估计仅为 0.0710.113 kWh/m3，60%64%的进水COD（250 mg/L）转化为的甲烷也可用于能源供应24。陈翔等25使用超滤膜作为深度处理工艺改造北京市高碑店再生水厂，通水运行十个月后进行性能测试，结果显示，水回收率可大于90%。张家港市第四水厂的扩建工程26，采用“平流沉淀+超滤+部分纳滤”的组合工艺，使总有机碳的去除率达到了90%左右，极大的提高了出水水质；同时，超滤膜采用全虹吸重力出水方式，在满足稳定运行要求的基础之上达到了节能减排的目的。3 低压膜污染控制方法低压膜污染控制方法低压膜技术已成为污水资源化利用领域的重要技术支撑，但膜污染问题仍然是制约该技术推广应用的瓶颈问题之一。在促进资源或能源的循环利用的同时，缓解膜污染、提高膜清洗效率仍是当前研究的热点。下面将从膜组合工艺以及膜清洗两个方面介绍低压膜的污染控制研究。3.1低压膜组合工艺低压膜组合工艺3.1.1混凝混凝-低压膜组合工艺低压膜组合工艺在污水进入到膜处理过程之前对污水进行混凝预处理，可以有效截留污水中的部分污染物，提高水处理效率，同时也可以避免其沉积在膜表面或膜孔内造成膜污染。BELUCI等27利用辣木（MO）种子制备出的天然混凝剂，对比一些常用的化学混凝剂不会对环境造成危害，并且与TiO2改性膜联合处理染料废水，可实现对活性黑5染料的完全去除，使膜渗透性增加了 46.05%。HUANG 等28采用聚合氯图3一些使用膜回收N、P的可能途径22Fig.3Some possible routes to recover N,P using membranes 2223第 49 卷 第 11 期水处理技术水处理技术化铝作为混凝剂，对比了在线混凝、预混凝和无混凝三种GDM系统对长江水的处理效果，结果表明在线混凝和预混系统与无混凝系统相比稳定通量分别提高了140%和210%，溶解的有机物去除率分别为31.9%和29.4%，也明显高于无混凝系统（5%）。不同的混凝/絮凝配置类型影响着膜的运行性能，MALKOSKE等29在文章中表明“混凝+膜过滤”类型导致絮状结构形成具有低的分形维数；“混凝-絮凝+膜过滤”类型的应用可以更好地控制絮凝物的特性；“混凝-絮凝-沉降+膜过滤”类型在膜过滤前的沉降导致膜表面的质量积累减少，导致污染率降低。可针对不同的进水TOC浓度和出水水质标准等，选择适宜的配置类型以减少不必要的能源消耗。3.1.2吸附吸附-低压膜组合工艺低压膜组合工艺吸附预处理工艺是基于比表面积大且疏松多孔吸附剂吸附进水中难截留的污染物，从而减少其在膜表面或膜孔内的堆积，缓解膜污染。活性炭材料是当下主流的吸附材料，TANG等30为了管理处于交通和电力资源相对稀缺的沙漠或农村地区的高度分散的页岩气废水，将颗粒活性炭（GAC）与膜过滤和太阳能曝气相结合，使得溶解性有机碳去除率可达44.9%，具有改善出水水质，提高膜的渗透通量的效果，且GAC可通过热再生过程在水处理中重复使用31。孙丽华等32考察了不同粉末活性炭投加量对膜通量以及膜污染的影响，得到了处理腐殖酸有机溶液时粉末活性炭的最佳投加量20 mg/L的结果。活性炭的投加虽然能够有效的改善水质，缓解膜污染，但要控制好吸附剂的投加量。少投加会产生很好的效果，过量投加则容易造成膜的二次污染。LI等33对比研究了介孔吸附树脂（MAR）和粉末活性炭（PAC）两种吸附剂对减轻超滤膜腐殖酸污染的作用效果，基于二者的结构特点以及在大多数与环境相关的离子条件下的吸附能力，得出结论：在污染控制方面，MAR预处理要优于PAC预处理。3.1.3预氧化预氧化-低压膜组合工艺低压膜组合工艺预氧化的方法主要分为自然氧化法、接触氧化法、药剂氧化法和生物氧化法。药剂氧化法作为最常用的预氧化方法，常用药剂有氯氧化、碱化、高锰酸钾氧化、过氧化氢氧化、臭氧氧化等34。苏倩35在污水进入膜处理工艺之前用臭氧进行预氧化，改变了有机物的结构和性质，能够有效减少膜污染，分别使可逆污染和不可逆污染下降74.6%和 65.6%，延长了膜的使用寿命。WANG等36则采用了双氧水对污水进行预氧化，可有效抑制微生物的活性，对滤饼层中的多糖和蛋白质有很强的降解效果。HE等37研究表明铁预氧化能够提高含藻水源水FeCl3/超滤性能，增强了溶解性有机碳和总氮的去除效率，降低了消毒副产物的生成概率，缓解膜污染。不同氧化剂对水中污染物具有不同的影响，并且各有优缺，应根据实际应用的要求选择相应的氧化剂。3.2低压膜清洗低压膜清洗膜清洗是缓解膜污染的有效方法之一38，同时能够恢复膜通量、延长膜的使用寿命等39。常用的膜清洗方法主要有物理清洗和化学清洗。3.2.1物理清洗物理清洗物理清洗是膜清洗的基本方式之一，主要去除低压膜表面或膜孔内的可逆污染，是一种简单有效的清洗方式。JANG等40探究了对被污染超滤膜的进行正冲洗、反冲洗以及正冲洗与反冲洗结合之后的膜通量恢复效果，表明相对于传统的单独使用正冲洗或反冲洗的物理清洗技术而言，正冲洗与反冲洗结合的效果更好。除了传统的膜清洗技术，LUO等41则建立了一种新的超声波清洗模式，是在传统超声波清洗的技术上考虑功、强度和温度的新模型，利用超声空化理论和扩展的XDLVO理论揭示了清洗机理，可使腐殖酸的滤饼阻力在一分钟内去除79.10%88.91%。但定期的物理清洗（空气冲刷）并不能有效的去除膜孔内的有机污染42。那么如何保证物理清洗对可逆污染的效率、降低能耗，是当前需要思考的问题。3.2.2化学清洗化学清洗化学清洗法作为去除膜不可逆污染的主要方法，主要利用化学药剂与膜表面的污染物进行反应，从而去除膜表面污染物的。使用强酸、强碱等的化学清洗过程，对操作人员和环境具有潜在危害，长时间的使用也会损坏膜。因此，部分研究人员在尝试非常规的清洗试剂及清洗技术。ROUQUIE 等43研究表明 NaCl 预清洗可去除聚醚砜膜上的脂质污染，使用 H2SO4、NaOH 和NaClO对纳滤膜进行化学辅助清洗，可使纳滤膜具有更高的渗透性，更强的稳定性和防污性能。YUE等44使用非常规清洗技术芬顿清洗技术，对被钾掺杂g-C3N4和多孔KCN纳米片改性的多孔石墨氮24刘昕等，“双碳”目标下低压膜水处理技术的发展化碳膜进行清洗，通量恢复率可高达 96.5%且经过 10 次清洗后仍能保持稳定的渗透性和优异的清洁能力。4 结语与展望结语与展望在“双碳”目标的引领下，探索水处理行业低能高效的绿色低碳创新技术迫在眉睫。低压膜处理技术作为实现污废水零排放的有效方法之一，能够减少污水处理过程中产生的直接碳排放和间接碳排放，且能够达到高出水水质要求。在利用低压膜工艺进行污水处理的过程中，应以节能降耗、污水资源化处理与可持续利用为主要目标，不断探索和完善低碳化的方式方法，努力逼近碳中和的目标。1）在低压膜制备方面，应针对不同的处理目的和污废水特性，制备低成本、耐污染的低压膜，发现并使用绿色材料对低压膜进行改性以提高膜的性能。2）充分利用低压膜的分离性能，对污水进行纯化以及污水中的资源或能源浓缩分离，使其能够循环再用。3）根据污染程度、污染类型及污染物特性，在膜组合工艺及清洗方式等方面积极研发探索新工艺和环境友好型药剂，减少此工艺流程中的碳排放。参考文献：1余娇,赵荣钦,肖连刚,等.基于水-能-碳关联的城市污水处理系统碳排放研究J.资源科学,2020,42(06):1052-1062.2熊华文.全面推行清洁生产实现减污降碳协同增效十四五全国清洁生产推行方案解读之三J.中国经贸导刊,2022(01):46-48.3HUANG H,SCHWAB K,JACANGELO J G.Pretreatment for low pressure membranes in water treatment:a reviewJ.Environmental Science&Technology,2009,43(9):3011-3019.4RAGAB D,GOMAA H G,SABOUNI R,et al.Micropollutants removal from water using microfiltration membrane modified with ZIF-8 metal organic frameworks(MOFs)J.Chemical Engineering Journal,2016,300:273-279.5葛晨.分子筛和碳纳米管改性聚醚砜超滤膜的制备及应用D.广州:暨南大学,2020.6梁恒,唐小斌,王金龙,等.无清洗重力驱动超滤工艺净水效能及机理J.哈尔滨工业大学学报,2020,52(06):103-110.7宋丹,刘彩虹,程巍,等.重力驱动微滤膜给水处理工艺特性与除污效能J.中国给水排水,2020,36(03):22-26.8GUO Y S,MI Y F,ZhAO F Y,et al.Zwitterions functionalized multi-walled carbon nanotubes/polyamide hybrid nanofiltration membranes for monovalent/divalent salts separationJ.Separation and Purification Technology,2018,206:59-68.9ZHANG N,JIANG B,ZHANG L,et al.Low-pressure electroneutral loose nanofiltration membranes with polyphenol-inspired coatings for effective dye/divalent salt separationJ.Chemical Engineering Journal,2019,359:1442-1452.10 吴佳.膜生物反应器联合低压纳滤膜在污水深度处理中的应用研究D.青岛:青岛理工大学,2019.11 CHANDRASEKHAR S S,SEKHAR S C,KALYANI S,et al.Performance assessment of a side-stream membrane bioreactor for the treatment of kitchen wastewaterJ.Biochemical Engineering Journal,2022,180:108366.12 WANG J L,LIU X J.Forward osmosis technology for water treatment:recent advances and future perspectivesJ.Journal of 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and strengthening ecology,the new route and process for coupling resource and energy recovery and utilization will accelerate the improvement of the water environment,enhance the synergistic effect of reducing pollution and carbon,and promote the protection of Chinas water ecological environment into a new stage of development.It plays an important role in promoting sustainable economic and social development and achieving the 3060 carbon peak and carbon neutrality goals.Keywords:carbon peak;carbon neutral;low-pressure membrane;water trea