膜集成技術在水處理中的研究進展范文

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[摘要]膜集成技術在水處理領域具有十分重要的地位。本文簡要介紹了國內外膜集成技術在給水處理和廢水深度處理中的研究及應用進展，并對海水淡化膜集成技術進行了描述。另外，還就當前膜集成技術存在的問題提出了合理化建議，對采用膜集成技術的實際工程項目具有指導意義。

[關鍵詞]膜集成技術；水處理；海水淡化；研究進展

水資源是世間萬物賴以生存的環境資源，隨著社會工業的不斷發展，越來越多優秀的淡水資源遭到人類的干擾和破壞，水資源危機日漸嚴重。利用先進的工藝技術將生活污水和工業廢水轉化為可利用的清水是解決水資源危機的有效途徑。目前，應用最廣的污水處理技術是運行費用較低的生化處理工藝，但其存在占地面積大、處理工藝流程長和產水效果不夠理想等不足；而膜分離技術則可有效解決此問題，其占地面積少，工藝流程短、產水效果優秀，是一種十分有效的污水回用技術。膜分離即膜過濾，利用跨膜壓力使水等小分子溶劑透過半透膜，而大顆粒物質截留在膜另一側的過程，它可分離、提純、富集、濃縮，同時具有環保、節能、高效、操作簡單易控制等特性。膜分離技術主要包括微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和反滲透(RO)等，一般采用錯流過濾或死端過濾方式，此外還開發有膜反應器、膜蒸餾等膜技術[1]。通常情況下，一種污水的回用技術僅靠一種膜去達到理想效果是很難實現的，為了滿足各種回用水質的需求，膜集成技術為其提供了可能。集成膜系統(IMS)即將超濾、微濾與納濾、反滲透技術相結合使用[2-3]，組成污(廢)水深度處理及膜法海水淡化的工藝，以滿足不同產水水質需求的效果。超濾和微濾用于預處理工藝可完全去除廢水的懸浮物、藻類、細菌和SS等，對CODCr、BOD5也有一定的去除效果；其產水水質優于三級排放標準，不僅可滿足后續反RO膜的進水水質要求，而且減緩了RO膜的污染，清洗周期可增加至傳統預處理工藝的6~8倍[4]。隨著膜材料的不斷進步、制膜工藝的成熟，當今膜集成技術發展十分迅速，在涉及水處理各個領域，在給水處理、廢水深度處理以及在某些特殊行業的廢水處理中均有廣泛的應用，且應用規模有逐年擴大的趨勢。

1膜集成技術在給水處理中的應用

1.1膜集成技術在海水淡化中的應用

在過去十多年中，超濾或微濾作為海水淡化傳統預處理工藝的一種替代性工藝逐漸發展起來。

1.1.1MF+RO膜集成技術

MF可去除海水中的藻類、大顆粒懸浮物等，其作為RO的預處理工藝具有流程簡單、操作成本低等優勢，但傳統MF技術并不能處理高污染的表層海水[5]。在實際工程中，為了保證RO膜的連續穩定運行，RO的預處理工藝多采用傳統預處理工藝+MF、新型連續微濾(CMF)等組合工藝。采用0.2μm孔徑的中空纖維膜進行CMF預處理，能耗較低(約0.15~0.3kWh/m3)，產水SDI15值小于2，SS粒徑小于0.2μm(多介質過濾為5~10μm)，出水水質可安全進入后續RO單][6]。劉耀磷[4]等采用混凝/MF工藝對海水進行了處理研究，經該工藝后的海水濁度低于0.1NTU，SDI15值低于1.5，CODMn約3.5~4.0mg/L，滿足后續RO進水水質要求。

1.1.2UF+RO膜集成技術

超濾用于海水淡化預處理是近些年發展起來的膜法預處理技術之一，主要用于海水淡化反滲透(SWRO)的預處理過程，該RO預處理工藝出水水質穩定、對膠體和溶解有機物去除效果好等優點[7]，具有廣闊的應用前景。UF還可用于熱法海淡濃鹽水海水淡化的預處理[8]，熱法海淡濃鹽水經UF過濾后，產水濁度低于0.1NTU，SDI15低于1.5，可安全進入后續SWRO膜單元。

1.2膜集成技術在工業用純水供水中的應用

以自來水為鍋爐給水的水源，采用納濾與低壓反滲透組合工藝對鍋爐補給水進行處理，可使水質達到鍋爐補給水的要求，并且可預防鍋爐結垢。目前，主要用于純水供水處理工藝為一級或者二級NF與一級RO組合工藝，NF與RO串聯組合工藝和RO與NF串聯組合工藝，組合工藝產水可滿足高壓鍋爐補給水的高水質要求。我國的海勃灣電廠、包頭鋼廠、滄州電廠和寶鋼自備電廠等企業均采用RO技術來對鍋爐用水進行脫鹽處理[9]。

2膜集成技術在廢水深度處理中的應用

膜集成技術在廢水處理方面的應用幾乎涉及到各個領域，包括石油、化工、醫藥、紡織、食品加工、造紙等行業的廢水處理。近年來，隨著國家對環保要求的嚴格，人們環保意識的提高，以及各行業對水的循環再利用、深度處理的要求增高，廢水回收利用已成為人們開發和應用的焦點。膜分離技術也在向廢水深度處理及回用技術方向轉變，其在廢水處理中既可回收廢水中有價值的資源，又推進了廢水處理的深度。

2.1膜集成技術在工業廢水深度處理中的應用

2.1.1石化廢水深度處理

石化廢水含污染物質復雜，且石油類對有機膜材料有一定的危害，用雙膜法處理石化廢水可實現回用。安興才[10]等人采用CMF+RO膜集成技術對石化行業排水進行了深度處理后回用，其懸浮物和有機物去除率均達到95%以上。車春波[11]采用CMF+RO雙膜集成系統深度處理哈爾濱石化公司的石油化工排水，經過CMF+RO雙膜系統處理后，產水的濁度小于2NTU，平均下降93.6%；pH為6.0~7.5；電導率小于200μS/cm，平均下降為96.5%；COD小于5mg/L，平均下降96.3%，完全達到回用水質標準要求，產水可作為鍋爐補充水使用。王文正[12]等人采用CMF+RO膜集成技術處理某石化企業動力廠排放水，研究結果表明，膜集成系統對濁度去除率達99.3%以上，脫鹽率在90%以上，有機物去除率在93.9%以上，產水濁度<1NTU，pH在6~7.5之間，電導率＜160μS/cm，COD在5mg/L以下，達到了冷卻水的水質標準，滿足回用水的水質要求。

2.1.2含重金屬廢水深度處理

含重金屬廢水直接排放到水環境，對環境污染嚴重，也極大危害人類健康。侯書芳[13]等人采用UF+RO膜集成技術處理山東某電子有限公司堿性含鉻電鍍漂洗水，研究表明，經處理后出水中Cr6+濃度由140.1mg/L降到1.58mg/L，電導率由110μS/cm下降到10.5μS/cm，出水pH由10.0降至7.2左右，并且該處理系統實現創收的價值約5.4萬元/月，創造了一定的經濟效益。周立[14]等采用UF+RO雙膜集成工藝深度處理鉛鋅冶煉廢水，取得了較好的效果，工藝出水電導率低100μS/cm，出水總硬度低于10mg/L；一級RO、二級RO脫鹽率分別在97%和95%以上，系統回收率達82.5%，出水水質可達到《鉛、鋅工業污染物排放標準》(GB25466-2010)。

2.1.3造紙廢水深度處理

造紙廢水排放量大，COD、SS含量高，色度值大，是工業上比較難處理廢水之一。王森[15]等人利用MF+NF+RO膜集成技術對造紙廢水進行了深度處理回用研究，系統最終產水電導率降到12μS/cm，TDS去除率達98%，CODCr去除率大于90%，完全可達到生產回用水質要求。朱瀟瀟[16]等采用MF+NF雙膜法處理造紙廢水進行了研究，結果表明，單獨MF對溶解性有機物去除效果不佳，而在之前加入絮凝劑則可有效降低CODCr；NF可去除水中各種雜質離子，對硬度去除效果較好。PizzichiniM[17]等人利用MF+RO集成膜技術造紙廠廢水進行了回用處理，結果顯示，總系統產水TDS15mg/L，電導率70μS/cm，去除率達97.6%，TOC約1mg/L，去除率達99.7%，整個系統回收率達80%，產水可直接回用。

2.1.4煤化工廢水深度處理

煤化工行業具有耗水量大、排放廢水量大且高污染等特點。近些年來，隨著水資源的嚴重匱乏以及人們對環保的高度重視，煤化工的行業發展受到嚴重制約。將膜集成技術應用于煤化工廢水的回用處理當中，實現廢水資源化再利用，則可促進煤化工行業的發展。吳雅琴[18]等人根據某煤化工企業高鹽廢水具體水質，設計運用RO+NF集成膜工藝處理經過預處理軟化后的產水，原水采用循環水系統排污水和中水回收系統排放的RO濃鹽水，廢水經集成膜后，出水SO42-濃度為5.1mg/L，NF對SO42-的截留率大于99.5%，理想的將SO42-和Cl-進行了分離；通過后續蒸發結晶與分質結晶工藝，生產的產品氯化鈉純度為96.8%，硫酸鈉純度為97.5%，完全滿足92%以上的工業鹽純度要求，使廢水達到了零排放的目的。王偉思[19]等人利用UF+RO雙膜工藝在山西某煤化工公司水處理車間針對煤化工廢水進行的實踐結果表明，該雙膜工藝對原水具有較高的抗沖擊性，超濾產水效果穩定，出水濁度低于0.5NTU，SDI15值低于3。

2.1.5鋼鐵廠廢水深度處理

鋼鐵行業耗水量極大，產生的廢水量也大，普遍存在廢水循環利用低的現象，利用雙膜法處理鋼鐵行業廢水可有效提高廢水的循環利用。馬世虎[20]采用CMF+RO集成膜工藝處理天津某聯合鋼鐵有限公司的鋼鐵生產廢水，處理后出水水質COD未檢出，總硬度不超過2mg/L，堿度低于1mg/L。董金冀[21]等人在邯鋼冷軋脫鹽水站應用UF+兩級RO雙膜法工藝對鋼鐵廢水進行回用處理，其中一級RO產水電導率為40~80μs/cm，脫鹽率≥97%，可做循環水的補水；二級產水水質穩定，產水電導率為2~4μs/cm，脫鹽率≥94%，水質可完全滿足鍋爐、冷軋酸洗、漂洗等系統的用水的要求。

2.1.6其他廢水深度處理

其他廢水還包括食品廢水、印染廢水、含氰廢水、礦井廢水和熱電廢水等。王應平[22]等采用UF+RO膜集成工藝對馬鈴薯淀粉廢水進行了深度處理研究，其處理后的水BOD5小于10mg/L，水質達到淀粉工業水污染排放標準(GB25461-2010)要求，可達標排放。史志琴[23]等利用UF+RO膜集成工藝味精發酵產生的綜合廢水進行了處理，其整個系統產水CODCr約10mg/L，SO42-濃度＜100mg/L，回收率達80%，產水可回用于工業生產。劉勁松[24]等采用UF+RO膜法對某染整公司的印染廢水深度處理研究，系統最終產水色度為2，電導率為17μS/cm，CODCr及SS均未檢出，產水可回用于染色回用水。DebikE[25]等人利用UF+NF膜集成技術對印染廢水進行了中水回用研究，整個系統產水CODCr、電導率和色度均達到回用水質標準，可用于生產回用水。張力[26]采用UF+兩級RO膜集成工藝對含氰廢水處理進行了研究，整個系統產水CN-含量降至0.005‰以下，截留率高達89%，可達標排放。李貞[27]利用UF+RO雙膜法對礦井廢水進行了處理研究，產水水質可達到GB5749-2006生活飲用水衛生標準；崔玉川[28]等討論了RO法在高礦化度礦井水處理回用中的應用，對RO工藝用于山西煤礦區礦井水回用于生活飲用水進行了總結分析，并提出了相關建議，總結出用RO工藝處理礦井水回用于生活飲用水，噸水投資在1500~3500元，制水成本在1.5~3.5元/m3。劉建秋[29]等人利用高效纖維過濾+RO組合工藝對熱電廠廢水進行了中水回用研究，其系統運行穩定，回收率達85%，產水水質可達到回用標準。

2.2膜集成技術在市政污水深度處理中的應用

膜集成技術應用于城市污水再生處理，出水可用作工業用水，滿足各級別用戶需求，減少了對工業新水的使用。康麗萍[30]利用UF+RO組合工藝對市政污水廠外排水進行了中水回用研究，其系統連續運行穩定，產水電導率小于40μS/cm，水質可滿足冷軋車間凈循環冷卻水和制冷換熱水的補充水水質要求，可直接回用。北京經濟技術開發區再生水廠[31]使用MF+RO雙膜組合工藝對污水廠二級出水進行處理，系統設計CODcr去除率85%，BOD5去除率70%，SS去除率97%，NH3-N去除率50%，處理后的出水水質達到GB/T19923-2005《城市污水再生利用工業用水水質》的標準，可直接回用至區內工業企業。天津市某污水廠再生水回用工程采用的是UF+RO雙膜工藝[32]，系統產水濁度為0.01~0.04NTU，電導率＜15μS/cm，脫鹽率大于99%，產水水質可達到回用標準，且運行成本低，約1.584元/噸水，具有良好的經濟和環境效益。

3結語與建議

當今世界，水處理方向朝著以開發回收水資源與保護環境的方向發展，膜集成技術因其具有占地面積少、設備簡單、環保節能等特點，在水處理領域的研究及應用日益廣泛。隨著集成膜材料性能的改進、價格的降低以及技術的成熟，在不久的將來完全有可能取代傳統的水處理工藝，在給水處理和污水處理方面均發揮出極大的促進作用。針對膜集成技術提出以下建議：(1)利用膜集成或將膜集成技術與其它工藝技術相結合，以達到最好的處理效果及最優的經濟效益是今后發展的重點之一；此外，針對不同水質的成分及性質，研制適用的新型膜材料及其膜組件是未來重點研究的方向之一。(2)要保證RO系統長期穩定運行，十分有效的預處理工藝是至關重要的。我國RO膜預處理技術的研究及應用尚處于初始階段，應向開發智能型、能量綜合利用、處理效率高、符合技術經濟要求的集成性預處理工藝方向發展。通過新型預處理工藝大幅度降低進水的濁度、SS、硬度和TDS等的含量，并減少化學藥劑投加量和膜的清洗次數，從而提高系統回收率，實現環保節能。(3)由于海水含鹽量高、滲透壓大，導致膜法海水淡化過程中所需操作壓力高，故RO高壓泵電耗高，而RO壓力驅動主要由高壓泵提供，其能耗占整個系統能耗的60%。SWRO制水成本主要由預處理單元、RO單元投資及折舊、系統能耗、能量回收系統和取水及濃水排放費用組成，其中系統能耗所占比例約為30%，是SWRO法制水成本中最關鍵的構成要素。因此，降低RO系統能耗是削減制水成本的最有效途徑，可通過開發可再生能源(如太陽能、風能等)來代替或補充膜法海水淡化的高能耗。(4)集成膜法產生的濃鹽水直接排放對環境和生態會造成一定的危害，可通過濃鹽水綜合利用和零排放技術來實現膜集成技術可持續發展。大力發展濃鹽水綜合利用技術，將濃鹽水作為應用于制鹽、氯堿化工等行業制備化工原料，不僅可以減少資源浪費，攤薄海水淡化成本，同時也可以減少濃鹽水的直接排放造成的環境污染。

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作者：張巖崗1；吳禮云2；王東1；吳冰2；于金旗3 單位：1．北京首鋼國際工程技術有限公司，2．首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司