膜技术及其在水产业中的应用.doc

膜技术及其在水产业中的应用
五洪波1 李 梅1 张晓玉2
1 山东建筑工程学院环境工程系，山东，济南，250014
2 陕西省现代建筑设计研究院， 陕西，西安 710048

[内容摘要] 介绍膜分离技术的发展概况、工作原理以及膜分离技术的分类和特点，重点论述膜分离技术在给水和污水处理方面在国外的应用状况，分析我国膜分离技术的应用现状和发展趋势，提出膜技术在水处理行业中将会有巨大的市场和竞争力。
[关 键 词] 膜分离技术；水处理；深度处理

1、膜技术的发展概况
膜分离技术是20世纪50年代发展起来的一门高技术学科，70年代后在各个工业领域中得到大规模的应用。近几年来，膜技术发展很快，首先是在水处理方面得到应用，而后在冶金、石油、化工、食品、医药等许多领域推广应用。
1950年，W.Juda制成了具有使用价值的离子交换膜,促进了合成膜技术的发展,从此扩散渗析和电渗析技术相继问世：1953年美国佛罗里达大学的Reud教授开始进行反渗透的研究；1960年Loeb和Sourirajan教授制成了第一张高脱盐率的醋酸纤维素膜，为反渗透和超滤膜的分离技术奠定了基础；1961年美国Hevens公司首先提出管式膜组件的制造方法；1964年通用原子公司研制出螺旋式反渗透组件；1965年美国加利尼亚大学制造出用于苦咸水淡化的管式反渗透装置；1967年到1970年美国Dupont公司研制出几种膜材料的中空纤维膜组件，从此反渗透技术中美国得到迅猛的发展。随后在世界各地相继应用，其间微滤和超滤、液膜也得到相应的发展。
我国1958年开始进行离子交换膜的研究，并对电渗析法淡化海水展开了实验研究。1966年我国开展了反渗透膜的研究，1975年进行了超滤的研究，现在膜技术己在海水淡化、苦咸水淡化、纯水制备、给水处理、废水处理及一些化工过程得到应用。1976年开始相继开展了液膜技术的研究，目前膜技术在废水处理和化工方面开始向实用化阶段发展。

2、膜分离技术的特点
2.1膜技术的分类
膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过方法的统称,常用的膜分离技术有:反渗透(RO)、纳滤（NF）、微孔过滤（MF）、超滤（UF）、渗析、电渗析、渗透蒸发、液膜等，其技术参数见表1.
膜技术 驱动力 分离原理 膜构造
相
1 2
微滤 压力 筛分 大孔
超滤 压力 筛分 中孔
纳滤 压力 筛分（溶液扩散、排斥） 微孔
反渗透 压力 溶液的扩散、排斥 密集型
渗透蒸发 活度（分压） 溶液的扩散 密集型
膜蒸馏 活度（温度） 蒸发 大孔
渗析 活度（温度） 扩散 中孔
点渗析 电位差 离子交换 离子交换器
液体 液体
液体 液体
液体 液体
液体 液体
液体 气体
液体 液体
液体 液体
液体 液体

2.2 膜技术分离比较
在水处理技术中常用的膜分离技术是以压力为推动力反渗透、纳滤、超滤以及微孔过滤。由于膜分离水中杂质的主要原理是机械筛分，出水水质仅仅依据膜孔径的大小，与原水水质以及运行条件无关，膜分离技术的特点是能提供稳定可靠的水质，分离效率高，操作简单，能耗低。
反渗透膜运行压力高，有截留性，能将大多数无机离子从水中去除，脱盐、浓缩效果好；纳滤膜具有松散的表面结构，对低浓度的盐类有很高的去除效果，可在较低的压力下实现较高的水通量，它对有机污染物、THMs、DBPs和天然有机物有非常好的去除效果，但由于去除大部分硬度，出水会对管网产生腐蚀；超滤膜虽无脱盐性能，但能截留水中的细菌、病菌、胶体和大分子微粒，而水和低分子量溶质则允许透过膜超滤膜的平均孔径介于反渗透膜与微孔过滤膜，超滤膜的平均孔径介于反渗透膜与微孔过滤膜之间，超滤和微孔过滤运行压力低，它们之间只是孔径不同，都可截留水中大部分悬浮物、胶体和细菌，其作用相当于以除浊为目的的传统处理工艺，不仅适合处理地下水、也适合处理地面水。
反渗透、超滤、微孔过滤之间的差别见表2。
表2 反渗透、超滤、微孔过滤之间的比较
项目 反渗透 超滤 微孔过滤
膜孔径 2~3nm以下 5nm~0.1μm 0.22~10μm
操作压力（MPa） 2~7 mm以下 0.1~1.0 0.1~0.2
1nm以下 分子量300~30000
主要分离对象 的无机离子 的大分子以及细菌、 细菌、粘土
及小分子 病毒、胶体等微粒 等颗粒

2.3 膜材料
制造膜的材料、主要有有机聚合物、陶瓷以及其它材料。第一代有机合成膜是醋酸纤维膜，这类膜对pH值、温度适应范围小，易被化学清洗剂腐蚀。第二代膜是以聚砜为代表的有机合成膜，这类膜对酸碱、温度适应性范围大，抗腐蚀和氧化性能强。第三代膜是以陶瓷为代表的无机膜.与以上两种相比,陶瓷膜具有更好的化学稳定性,耐酸性、抗微生物能力强以及耐高温等优点。陶瓷膜只有管式组件，其最主要的优点是能处理含有较大颗粒悬浮物的杂质的原水而不堵塞通道，很适合净水厂处理。
膜组件有平板式、管式、卷式和中空纤维四种。卷式和中空纤维膜过滤面积大，管式的进水通道容易堵塞，目前膜分离净水厂使用的都为中空纤维膜，少数使用无机膜。

2.4 其它膜处理技术
渗析、电渗析技术常用于脱盐和水的软化，目前水淡化主要的方法是蒸馏法，如多效蒸发、多级闪蒸，其中多效蒸发最为广泛。液膜是一种新兴技术，处于早期研究阶段。几种膜分离法的组合使用（即集成膜）也是近几年来的一项新技术。

3、膜技术在水处理和污水深度处理中的应用
由于膜分离技术具有能耗低、出水水质稳定、去除的污染物范围广（如有机污染物、无机物、细菌、病毒、粘土等颗粒），有些膜技术还可以去除THMs、HAAs、DBPs和天然有机物等优点，被广泛应用在饮用水的深度处理、工业高质用水的制备、城市污水的深度处理和工业废水处理。在美国、日本、法国应用较多，由于受经济条件的制约，在我国的应用尚未普及。
3.1 在水处理中的应用
20世纪60年代，用电渗析和反渗透进行脱盐对饮用水进行处理，反渗透技术处理的水量所占比例不断增加。美国的反渗透生产能力居世界首位，其次是沙特阿拉伯，我国20世纪70年代在西北地区甘肃用反渗透法进行苦咸水淡化。
20世纪80年代后期NF发展起来，NF能进行水的软化和去除DBPs，在美国NF是应用第二多的膜技术。NF对低浓度盐类、天然有机物和THMs去除率高，可用于地下水的处理，若用于地面水，需有混凝、沉淀甚至用UF、MF做预处理。法国巴黎郊外的Mery Sur Qise水厂，是世界上最大的NF膜分离净水厂，其工艺流程是：
原水→沉淀→臭氧→双层过滤→MF→NF→出水和细菌适合地下水和地面水的处理，UF不仅能脱盐、软化、去除微污染物，而且出水浊度小于0.1NTU,大肠菌为零。世界上最大规模的MF膜分离厂是位于美国Calif.San.Jose的Saratoga水厂，1.9万m3/d,使用的是0.2μm孔径的中空膜。MF还能处理低温低浊度水，在美国的Marquette,Mich城市进行了MF技术的可行性研究，得以肯定后，建成了净水厂，运行一年多，出水满足城市饮用水要求，UF去除有机物效率不高，但与其它工艺组合使用，能达到很好的处理效果，如用UF出水再加压缩活性炭吸附处理进行饮用水的深度处理也有用PAC（Powered Activated Carbon）—UF技术处理地表水。用膜技术做成的家用净水器由于小型化、制水成本低的优点具有广阔的市场。膜技术在饮用水处理的应用中比较广泛。我国应用NF对微污染水源的某市自来水进行深度处理试验，认为具有能耗低、产水量大、水质好等优点。

3.2在城市污水深度处理中的应用
城市缺水制约着经济的发展，把城市的二级出水进行深度处理后再生回用是解决水源紧缺的一条途径。采用膜技术，大规模的把城市污水开发为新的水资源，还是近几年的重大研究项目。反渗透技术在近二十年来也用于了污水的深度处理，美国对此进行了深入的研究，确定了反渗透的脱盐效果、对有机物及富营养化成分的去除程度；美国加利福尼亚州的奥林奇县水域设有一个水厂，拥有世界上最先进的、最完整的水处理技术，是世界上最大的水再生系统，装置包括化学净化、除氮、过滤、活性炭吸附、消毒以及活性炭再生等，反渗透是作为最后的处理装置，此水厂称为21世纪水厂；日本用反渗透、超滤、微滤等膜技术作为高层建筑生活污水深度处理手段，使再生水达到中水回用标准，用于冲厕、消防、清扫卫生、城市绿化等杂用水；韩国汉城进行了一项采用管状陶瓷膜处理并且回用宾馆的污水研究，出水水质良好，满足韩国环境部的有关规定；在西班牙Santa Cruz进行的是将膜分离用于污水的三级处理，以降低二级出水的COD、细菌、磷等污染物。我国采用“微絮凝纤维过滤+膜滤”对洗浴废水进行了试验研究，试验表明，此工艺具有出水稳定、占地面积小的特点。我国的城市污水再生回用并不普及，膜技术在深度处理的应用相对也很少，今后我们还需在污水的再生回用和深度处理技术上进行研究。

3．3 膜技术在其它方面的应用
膜技术在污水的深度处理中得以应用，膜技术还可以用于海水淡化、工业高纯水（如电子行业食品行业发电厂、半导体及医药工业），制备，工业废水的处理（如电泳喷漆废水、乳化油废水、含PVA废水、羊毛脂废水等）和冶金、石油、化工、医药等其它许多领域。

4、小结
随着人们生活水平的提高，对饮用水水质要求也越来越高，我国属贫水国，西部地区缺水更加严重，城市污水再生回用将势在必行。在水处理技术中，膜分离技术是最有前途的一种方法，处理水污染领域有着非常广阔的前景，它的缺点是基建和运行费用高，需有高水平的预处理，受经济条件的约束，膜技术还未能大规模的应用，但随着膜技术的发展，膜价格也会下降，为水处理的应用创造条件。发达国家一直在积极开发膜技术的新材料，作为一个缺水的发展中国家，我国应该抓住时机，开发膜技术，使膜技术在水和污水的深度处理中得到更广泛的应用。参考文献：（略）