膜分离技术在深度处理城市饮用水中的应用

闫夏娇

(山西省水利水电科学研究院)

1 问题的提出

目前，我国的水体污染问题突出，其主要原因有自然和人为两个方面。水体自然污染是由于雨水对各种矿石的溶解作用，以及火山爆发和干旱地区的风蚀作用所产生的大量灰尘落入水体所致;水体人为污染是由于人们向水体排放大量未经处理的工业废水、生活污水和各种废弃物，造成水质恶化。通常所说的水污染，主要是指后一种。现状市政供给的自来水作为饮用水，很容易受到污染，其原因主要为:①自来水厂加工工艺陈旧;②城市输水管道老化失修及蓄水池、水塔缺少养护;③突发事件及工业污染;④常规自来水消毒剂的污染;⑤水藻污染。针对日益严峻的饮用水污染状况，国家出台了《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)，将饮用水水质指标由原来的35项增加到106项，对其中的污染限值要求进行了更为严格的规定。

多年来，城市饮用水的净水工艺大体经历了三个发展阶段:第一代常规的混凝—沉淀—过滤—氯消毒净水工艺，主要解决颗粒污染物，有效地控制了病菌的传播;第二代净水工艺在第一代工艺的基础上增加了臭氧颗粒活性炭，能够去除水中有毒害的微量有机污染物;随着20世纪末期饮用水中“两虫”(即贾地鞭毛虫和隐孢子虫)的出现，膜分离技术的应用成为城市饮用水第三代处理工艺的技术主流，通过与前两代技术的工艺组合，能够将水中的杂质和微生物几乎全部除去。曾经的城市饮用水处理工艺，已经很难适应当前居民对饮用水水质的标准要求。随着城市净水工艺的不断发展变革，居民饮用水的安全观念逐步提升，以膜分离技术为核心的净水技术逐渐被广泛推广应用。

2 净水原理与特点

膜分离技术是指以天然或人工合成的高分子薄膜为介质，在外界能量或化学位差的推动力作用下，基于膜的选择渗透功能，对混合物中溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和浓缩。它能把流体分隔成不相通的两个部分，使其中的一种或几种物质能透过，而将其他物质分离出来。与传统过滤的不同之处，在于膜可以在分子范围内进行分离。目前，膜分离技术在水处理、医药工业、食品工业、石油化学工业、环境保护、航天等领域得到了广泛应用。

2.1 膜分离技术的净水原理

膜分离技术，是利用一张特殊制造的有选择透过性的薄膜，在外力推动下对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种新型分离技术，可根据混合物的物理性质不同用过筛的方法将其分离，或根据混合物的不同化学性质分离物质。物质通过分离膜的速度(溶解速度)取决于进入膜的速度和进入膜表面扩散到膜的龙眼(另一表面)的速度(扩散速度)。溶解速度完全取决于被分离于膜材料之间物质化学性质的差异，而扩散速度除物质化学性质外还与物质的分子量有关，速度越快，透过膜所需的时间越短，混合物中各组分透过膜的速度相差越大，则分离效率越高［1］。

2.2 膜分离的种类及特点

膜分离技术的核心是薄膜的孔径大小，根据不同的孔径范围(或截留分子量)，可分为微滤、超滤、纳滤和反渗透4种类型膜［2］。

2.2.1 微滤(MF)

微滤也叫微孔过滤，属于一种精密过滤，是一个筛分分离过程。根据微滤膜材料的不同，可划分为无机和有机两大类。微滤膜孔径尺寸一般为0.02-10 μm，可以对较大直径的细菌和其他悬浮类固体进行分离。根据微滤膜的分离特点，主要被用于从气相和液相中分离细菌、细小微粒及其他污染物。微滤膜是目前膜技术推广应用最广的一类。

2.2.2 超滤(UF)

超滤膜的孔径为0.001-0.02 μm，介于微滤和纳滤之间。以薄膜两侧溶液的压力差为驱动力，当溶液从膜一侧流向另一侧时，只有直径小于膜孔径范围的小分子物质能够通过，同时截留分子量＞500 daltom、粒径＞2-20 nm的颗粒，能够从溶液中分离出蛋白质、细菌、胶体、悬浮固体类物质。

2.2.3 纳滤(NF)

纳滤膜的孔径范围介于超滤和反渗透之间，基于扩散吸附原理，以膜两侧的压力差为推动力对通过膜的溶液进行分离，能够截留的有机物分子量约为200-800 MW左右。大多数的纳滤复合膜，表面的分离层由聚电解质构成，并具有一定的抗盐性能。在对溶液的分离过程中，高分子量有机溶质被截留，而盐类组分则部分可以穿透薄膜。

2.2.4 反渗透(RO)

反渗透膜表面的微孔直径一般在0.000 1-0.001 μm之间，是以膜的孔径划分类别中最为精细的一类。以膜两侧溶液的静压为助推力，能够有效截留所有溶解盐分及分子量大于100 daltom的有机物。通常情况下，只有溶剂(一般是水)能够透过薄膜，几乎可截留所有的微生物及离子类物质，出水几乎可以达到纯净水。反渗透膜可除去可溶性盐、重金属、有机物、细胶体粒子、发热物质等，由于分离后具有出水质量高、运行成本低、无污染、操作方便、运行可靠等众多优点，现已成为海水、苦咸水淡化以及制备纯水最节能、可靠的方法。

3 技术特点及应用现状

3.1 技术特点

膜分离技术处理城市饮用水，是近年来饮用水处理的一项突出技术。相比传统的混凝、沉淀、过滤、消毒技术，经过膜分离技术处理后的水质可以达到以前水处理设施从未达到的水质标准，特别是膜技术与其他技术联用的组合工艺，几乎可以完全除去水中的微生物，达到蒸馏状态的纯净水。膜分离城市饮用水具有以下特点:①是一种物理分离过程，不产生任何副产品，驱动力是膜两侧的液体压力差，可实现自动控制;②可分离分子量大的物质，时间短，效率高;③分离过程可在常温下进行，基本不发生“相”的变化，耗能低，能量转化率高。

3.2 应用现状

随着膜技术的不断发展，膜的新材料不断研发，膜质量和膜通量有效提高，制造成本日益降低，膜分离技术在处理城市饮用水中的应用越来越广泛。目前，我国采用膜过滤的自来水厂呈现快速发展的态势，在北京、上海、广州等地，相继建成投产了多座规模大于10万 m3/d的水厂。以膜分离技术为核心的家用净水设备，体积小、占地少、结构简单，与自来水管道对接方便，控制、维修、更换简易方便，分离效率高，更是得到了大范围的普及推广。

4 目前存在的主要问题

膜分离技术由于工艺流程的原因，在压力下不可避免地会被栓塞、污染，因此必须定期舒塞、清洁和更换，运营成本相对较高，且容易造成二次污染。目前，对膜污染的原因及控制技术，也缺乏深入的理论研究和实践;廉价、性能完备的膜的制备，以及和其他技术联用的组合工艺还不完善;膜分离技术在城市给水厂的应用还较少，尤其是还没有在规模较大的给水厂中应用，缺乏对适宜饮用水各种膜处理工艺的选择设计和运行经验。这些问题的存在，均影响着膜分离技术在水处理过程中的推广应用。

5 前景展望

膜分离作为水处理研究中的一项先进技术，由于具有出水水质稳定、易实现自动化控制、能耗低、无需人为添加消毒剂等诸多优点，将逐渐成为净水技术的主流。随着膜污染、膜材料研发等技术难题的破解，膜分离技术在处理城市饮用水领域的应用前景将更加广阔，将在未来城市的水生态建设与维护中发挥极其重要的作用。

［1］黄维菊，魏 星.膜分离技术概论［M］.北京:国防工业出版社，2008.

［2］程方，邢国平，刘红斌.水处理与膜分离技术问答［M］.北京:化学工业出版社，2012.