膜分离技术在饮用水处理中的应用思考

◎ 郑 昆，杨 红

（1.吉林化工学院 生物与食品工程学院，吉林 吉林 132000；2.吉林通用航空职业技术学院，吉林 吉林 132000）

随着社会经济的快速发展，水环境污染问题日趋严重，显著增加了水中溶解性有机物的种类与数量，严重威胁到人们的饮用水安全。因此，要在饮用水处理中积极应用先进的处理技术，切实保证饮用水水质安全。膜分离技术由于具备较强的实用性、高效性和节能性，成为研究和推广的重点技术。

1 膜分离技术的原理及优势

1.1 原理

天然或人工合成的薄膜是膜分离技术的核心元件，薄膜的选择透过性良好，依托外界能量、化学位差等分离、提纯与富集双组分或多组分溶质与溶剂，最终分离具备不同物理或化学性质的混合物[1]。

1.2 优势

和传统水处理技术相比，膜分离技术具有一系列优势。①能耗低。在应用膜分离技术时，化学反应、状态变化等皆不会出现于分离过程中，显著降低了运行耗能，有助于缓解当前的能源危机。②常温操作。膜分离技术对操作环境的温度条件要求较低，在常温条件下即可正常运行。③应用范围广。在应用膜分离系统时，不会改变本身属性及物质性状，不需要添加其他类型的辅助催化剂，也不会有物质产生，可在多杂质复杂废水分离、无机物有机物分离、病毒细菌分离等多个领域应用。④成本低。膜分离系统不需要采用过于复杂的操作设备，显著降低了设备成本及维护难度。膜材料、膜系统的价格低廉，设备不需要占用过多的土地面积，具有十分优良的水处理效果[2]。⑤可控性强。通过应用电子信息技术能够远程操控膜分离系统设备，有助于实现自动化管理，降低工作人员的管理难度。

2 膜分离技术的主要类型

2.1 微滤膜分离

微滤膜分离技术是利用对称微孔膜进行过滤，膜的孔径一般为0.1～10.0 μL，依托压力差驱动，可对含高分子量的溶液进行有效过滤。一般依据50～100 kPa的标准控制压力差，筛分截留效应是其传质分离机理，微粒、大分子溶质以及悬浮物质能够被微孔膜高效截留[3]。在饮用水处理中应用微滤膜分离技术，通过对细小粒子、菌体、悬浮性污染物进行截留，可实现水质净化目标。结合实践表明，微滤膜的优势众多，由于均匀分布膜孔，可保证过滤效果。现阶段，主要采用具备热稳定性的材料制作微滤膜，如聚氯乙烯等高分子材料。此外，微滤膜具有较长的使用寿命，一般不会出现脱落情况。但微滤膜容量较小，分离堵塞问题的发生概率较高。因此，在应用微滤膜分离技术之前，可预过滤处理饮用水，避免出现堵塞问题。

2.2 超滤膜过滤

超滤技术与微滤膜分离具有基本类似的处理过程，利用非对称膜处理饮用水，依据100～1 000 kPa的标准控制压力差，通过施加外界压力，利用多孔膜分离溶液中的水和分子。超滤膜的孔径为2.5～45.0 nm，依靠筛分截留效应实现传质分离目的。在超滤膜过滤过程中，溶剂、小分子物质可以顺利透过超滤膜，而生物大分子、胶体物质则会被截留。通过在饮用水处理中应用超滤膜过滤技术，可将水中的微生物、胶体等物质有效去除。超滤膜具有较为特殊的结构，膜孔堵塞问题一般不会出现在分离过程中，可显著延长超滤膜的使用寿命。同时，超滤膜具有较高的过滤精密度，水中的胶体、藻类等物质皆可被有效去除。但膜污染问题容易出现在超滤膜使用过程中，导致其分离效率受到影响。为恢复超滤膜的通量，可定期反复清洗超滤膜，主要原因在于此种膜具有良好的机械强度与耐化学腐蚀性能。

2.3 纳滤膜分离

纳滤膜分离技术能够对粒子粒径在1 nm以内的溶质进行截留，溶剂、低价小分子物质能够顺利透过。和微滤和超滤技术相比，纳滤膜分离技术具有较为优良的分离性能，可更好地去除水体中的小分子量物质，且整体运行能耗偏低，不会产生二次污染问题，分离物质的固有性质也不会受到影响，目前已经被广泛应用于矿泉水净化、饮用水软化等诸多方面。通过在饮用水处理中应用纳滤膜分离技术，可有效去除饮用水中的微量有害离子、有机微污染物等，但人体所需的矿物质可以被保留。在现阶段，主要利用荷电化法、界面聚合法等制备纳滤膜，具有耐高压、强度大等优势。但在应用过程中，工作人员要定期清洗纳滤膜，否则膜污染会降低膜通量及污染物截留率。如果在饮用水处理中引入预处理工艺，如生物活性炭吸附等，则可有效降低膜污染程度。

2.4 反渗透膜分离

反渗透膜分离技术利用压力差对溶剂和溶液进行分离，通过加压处理膜一侧的液体，将会逆向渗透溶剂，渗透液、浓缩液最终形成于膜的低压侧与高压侧。其中，传质驱动力的压力差在0.1～10.0 MPa，当渗透压小于施加的外压，溶剂将会顺利透过反渗透膜，悬浮物质、无机离子、大分子溶质等则会遭到截留[4]。在应用反渗透膜分离技术时，通常要对原料液进行预处理，如借助于微滤、超滤等技术去除原液中的微小粒子，避免损害到反渗透膜。现阶段，反渗透膜分离技术主要在海水淡化、纯水制备等饮用水处理领域应用。

3 膜分离技术在饮用水处理中的具体应用

3.1 饮用水纯化

相较于传统处理工艺，膜分离技术在饮用水纯化方面具有较多的优势，其能够对水中的微污染物及消毒副产物进行有效清除，目前在饮用水处理中已得到广泛应用。以纳滤膜为核心的处理工艺由于具备较高的杂质去除率和较低的运行压力，被广泛应用于市政供水行业。以某自来水厂为例，采用传统处理工艺经常出现氯化物指标升高情况，严重影响到出水水质。针对这种情况，自来水厂决定利用膜分离技术升级改造现有处理工艺，不需要对外部水源进行更换，也不必增加外部管网接入，即可完成升级改造目标。在升级改造过程中，先利用超滤技术对水中微小颗粒及胶体物质进行去除，再利用纳滤及浓水反渗透工艺进行深部处理，使水资源利用率、出厂水水质得到同步提升。

3.2 海水淡化

我国很多沿海城市对海水资源较为依赖，但海水中微溶无机盐离子较多，采用常规处理工艺无法去除钙离子、镁离子等无机离子。针对这种情况，可利用目前较为成熟的反渗透法脱盐处理海水资源。结合实践表明，通过在海水淡化工程中应用反渗透膜技术，同时添加阻垢剂、酸等物质，可有效去除进水中的碳酸根、重碳酸根，有助于提高海水资源的利用率。以某海水淡化厂为例，先利用电解水机处理海水，再利用超滤过滤处理出水，最后利用反渗透膜分离设备进行脱盐处理。在该处理模式下，出水水质与饮用水标准相符合，不需要添加任何类型的混凝剂，安全性较强、自动化程度较高[5]。

4 饮用水处理中膜污染问题的形成原因及处理措施

4.1 膜污染问题成因

膜分离技术在饮用水处理的应用过程中会经常遇到膜污染问题，膜污染指的是在膜表面截留微粒、胶体粒子或溶质大分子等杂质，受机械、物理、化学作用的影响，减小或堵塞膜孔。通常可从物理污染与化学污染两个角度划分膜污染的类型，物理污染指的是杂质沉积在滤膜表面，阻塞膜孔，化学污染指的是截留杂质之间发生吸附或化学反应。膜污染的危害极大，不仅影响膜的通透量与过滤效果，还会导致滤膜使用周期大幅度缩短。即便清洗后的滤膜，也无法保证膜系统的运行效率。有机和无机胶体、菌落、细小颗粒有机物等会导致膜污染，而膜的通透性降低的主要原因有以下几方面。①浓差极化。在膜分离系统长期运行过程中，不断升高膜表面上的物质浓度，中央部分逐渐高于外周渗透压，随之降低膜的渗透通量。②膜孔堵塞。膜的表面蓄积大量被分离的溶质，导致膜孔遭到堵塞，膜的通透性降低。③大溶质吸附。膜分离的溶质具备吸附作用，将会在膜表面吸附更多的物质，进而堵塞膜孔。④形成凝胶层。如果溶质浓度大于饱和浓度，将会聚集在膜表层，导致凝胶层的形成。

4.2 膜污染处理措施

膜污染问题会严重影响膜通透性，降低饮用水处理效率及经济效益。因此，要结合膜污染的形成原因，采取科学的处理措施，预防和应对膜污染问题。①进水预处理。初始进水含有过多的杂质，如有机物、胶体、无机物和砂粒等，如果没有采取科学的预处理技术，将会对膜的使用性能及寿命产生影响。因此，为防范膜污染问题，需对进水进行预处理。在具体实践中，可综合应用絮凝沉淀、粒状活性炭吸附等方法对料液中的大颗粒进行去除，利用过氧化物、含氯试剂等消毒剂预防有机物污染。同时，还要合理确定工作压力，如果压力过大或过小，不仅会增加操作难度，还会增加沉淀层的密度与厚度。此外，积极创新制膜技术，在不影响膜分离性的基础上，将小分子化合物添加到膜表面，这样将会有一层保护膜形成，能够避免膜表面蓄积可能造成膜污染的物质。②改良膜材料性质。将特定的添加剂加入膜制作过程中，可促使膜的疏水性、膜表面的粗糙度等得到改善，以达成膜抗污染能力增强的目的。例如，将表面活性剂SMM加入聚砜溶液中，可显著增强聚砜膜的机械强度与亲水性。或利用正交试验对溶剂、聚合物、添加剂的投加比例进行调整，也可增强超滤膜的抗污染性能。

5 结语

近些年来，膜分离技术日趋成熟，在饮用水处理领域得到广泛的应用，不但能够克服常规工艺的弊端与问题，还能够进一步提高水资源利用率。但在膜分离技术应用过程中，还面临着膜污染等问题。因此，相关主体要进一步研究膜分离技术，探索膜污染问题的应对策略，不断改进与完善膜分离技术，促进饮用水处理水平的提高。