膜集成技术在水处理中的研究进展范文

[摘要]膜集成技术在水处理领域具有十分重要的地位。本文简要介绍了国内外膜集成技术在给水处理和废水深度处理中的研究及应用进展，并对海水淡化膜集成技术进行了描述。另外，还就当前膜集成技术存在的问题提出了合理化建议，对采用膜集成技术的实际工程项目具有指导意义。

[关键词]膜集成技术；水处理；海水淡化；研究进展

水资源是世间万物赖以生存的环境资源，随着社会工业的不断发展，越来越多优秀的淡水资源遭到人类的干扰和破坏，水资源危机日渐严重。利用先进的工艺技术将生活污水和工业废水转化为可利用的清水是解决水资源危机的有效途径。目前，应用最广的污水处理技术是运行费用较低的生化处理工艺，但其存在占地面积大、处理工艺流程长和产水效果不够理想等不足；而膜分离技术则可有效解决此问题，其占地面积少，工艺流程短、产水效果优秀，是一种十分有效的污水回用技术。膜分离即膜过滤，利用跨膜压力使水等小分子溶剂透过半透膜，而大颗粒物质截留在膜另一侧的过程，它可分离、提纯、富集、浓缩，同时具有环保、节能、高效、操作简单易控制等特性。膜分离技术主要包括微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)等，一般采用错流过滤或死端过滤方式，此外还开发有膜反应器、膜蒸馏等膜技术[1]。通常情况下，一种污水的回用技术仅靠一种膜去达到理想效果是很难实现的，为了满足各种回用水质的需求，膜集成技术为其提供了可能。集成膜系统(IMS)即将超滤、微滤与纳滤、反渗透技术相结合使用[2-3]，组成污(废)水深度处理及膜法海水淡化的工艺，以满足不同产水水质需求的效果。超滤和微滤用于预处理工艺可完全去除废水的悬浮物、藻类、细菌和SS等，对CODCr、BOD5也有一定的去除效果；其产水水质优于三级排放标准，不仅可满足后续反RO膜的进水水质要求，而且减缓了RO膜的污染，清洗周期可增加至传统预处理工艺的6~8倍[4]。随着膜材料的不断进步、制膜工艺的成熟，当今膜集成技术发展十分迅速，在涉及水处理各个领域，在给水处理、废水深度处理以及在某些特殊行业的废水处理中均有广泛的应用，且应用规模有逐年扩大的趋势。

1膜集成技术在给水处理中的应用

1.1膜集成技术在海水淡化中的应用

在过去十多年中，超滤或微滤作为海水淡化传统预处理工艺的一种替代性工艺逐渐发展起来。

1.1.1MF+RO膜集成技术

MF可去除海水中的藻类、大颗粒悬浮物等，其作为RO的预处理工艺具有流程简单、操作成本低等优势，但传统MF技术并不能处理高污染的表层海水[5]。在实际工程中，为了保证RO膜的连续稳定运行，RO的预处理工艺多采用传统预处理工艺+MF、新型连续微滤(CMF)等组合工艺。采用0.2μm孔径的中空纤维膜进行CMF预处理，能耗较低(约0.15~0.3kWh/m3)，产水SDI15值小于2，SS粒径小于0.2μm(多介质过滤为5~10μm)，出水水质可安全进入后续RO单][6]。刘耀磷[4]等采用混凝/MF工艺对海水进行了处理研究，经该工艺后的海水浊度低于0.1NTU，SDI15值低于1.5，CODMn约3.5~4.0mg/L，满足后续RO进水水质要求。

1.1.2UF+RO膜集成技术

超滤用于海水淡化预处理是近些年发展起来的膜法预处理技术之一，主要用于海水淡化反渗透(SWRO)的预处理过程，该RO预处理工艺出水水质稳定、对胶体和溶解有机物去除效果好等优点[7]，具有广阔的应用前景。UF还可用于热法海淡浓盐水海水淡化的预处理[8]，热法海淡浓盐水经UF过滤后，产水浊度低于0.1NTU，SDI15低于1.5，可安全进入后续SWRO膜单元。

1.2膜集成技术在工业用纯水供水中的应用

以自来水为锅炉给水的水源，采用纳滤与低压反渗透组合工艺对锅炉补给水进行处理，可使水质达到锅炉补给水的要求，并且可预防锅炉结垢。目前，主要用于纯水供水处理工艺为一级或者二级NF与一级RO组合工艺，NF与RO串联组合工艺和RO与NF串联组合工艺，组合工艺产水可满足高压锅炉补给水的高水质要求。我国的海勃湾电厂、包头钢厂、沧州电厂和宝钢自备电厂等企业均采用RO技术来对锅炉用水进行脱盐处理[9]。

2膜集成技术在废水深度处理中的应用

膜集成技术在废水处理方面的应用几乎涉及到各个领域，包括石油、化工、医药、纺织、食品加工、造纸等行业的废水处理。近年来，随着国家对环保要求的严格，人们环保意识的提高，以及各行业对水的循环再利用、深度处理的要求增高，废水回收利用已成为人们开发和应用的焦点。膜分离技术也在向废水深度处理及回用技术方向转变，其在废水处理中既可回收废水中有价值的资源，又推进了废水处理的深度。

2.1膜集成技术在工业废水深度处理中的应用

2.1.1石化废水深度处理

石化废水含污染物质复杂，且石油类对有机膜材料有一定的危害，用双膜法处理石化废水可实现回用。安兴才[10]等人采用CMF+RO膜集成技术对石化行业排水进行了深度处理后回用，其悬浮物和有机物去除率均达到95%以上。车春波[11]采用CMF+RO双膜集成系统深度处理哈尔滨石化公司的石油化工排水，经过CMF+RO双膜系统处理后，产水的浊度小于2NTU，平均下降93.6%；pH为6.0~7.5；电导率小于200μS/cm，平均下降为96.5%；COD小于5mg/L，平均下降96.3%，完全达到回用水质标准要求，产水可作为锅炉补充水使用。王文正[12]等人采用CMF+RO膜集成技术处理某石化企业动力厂排放水，研究结果表明，膜集成系统对浊度去除率达99.3%以上，脱盐率在90%以上，有机物去除率在93.9%以上，产水浊度<1NTU，pH在6~7.5之间，电导率＜160μS/cm，COD在5mg/L以下，达到了冷却水的水质标准，满足回用水的水质要求。

2.1.2含重金属废水深度处理

含重金属废水直接排放到水环境，对环境污染严重，也极大危害人类健康。侯书芳[13]等人采用UF+RO膜集成技术处理山东某电子有限公司碱性含铬电镀漂洗水，研究表明，经处理后出水中Cr6+浓度由140.1mg/L降到1.58mg/L，电导率由110μS/cm下降到10.5μS/cm，出水pH由10.0降至7.2左右，并且该处理系统实现创收的价值约5.4万元/月，创造了一定的经济效益。周立[14]等采用UF+RO双膜集成工艺深度处理铅锌冶炼废水，取得了较好的效果，工艺出水电导率低100μS/cm，出水总硬度低于10mg/L；一级RO、二级RO脱盐率分别在97%和95%以上，系统回收率达82.5%，出水水质可达到《铅、锌工业污染物排放标准》(GB25466-2010)。

2.1.3造纸废水深度处理

造纸废水排放量大，COD、SS含量高，色度值大，是工业上比较难处理废水之一。王森[15]等人利用MF+NF+RO膜集成技术对造纸废水进行了深度处理回用研究，系统最终产水电导率降到12μS/cm，TDS去除率达98%，CODCr去除率大于90%，完全可达到生产回用水质要求。朱潇潇[16]等采用MF+NF双膜法处理造纸废水进行了研究，结果表明，单独MF对溶解性有机物去除效果不佳，而在之前加入絮凝剂则可有效降低CODCr；NF可去除水中各种杂质离子，对硬度去除效果较好。PizzichiniM[17]等人利用MF+RO集成膜技术造纸厂废水进行了回用处理，结果显示，总系统产水TDS15mg/L，电导率70μS/cm，去除率达97.6%，TOC约1mg/L，去除率达99.7%，整个系统回收率达80%，产水可直接回用。

2.1.4煤化工废水深度处理

煤化工行业具有耗水量大、排放废水量大且高污染等特点。近些年来，随着水资源的严重匮乏以及人们对环保的高度重视，煤化工的行业发展受到严重制约。将膜集成技术应用于煤化工废水的回用处理当中，实现废水资源化再利用，则可促进煤化工行业的发展。吴雅琴[18]等人根据某煤化工企业高盐废水具体水质，设计运用RO+NF集成膜工艺处理经过预处理软化后的产水，原水采用循环水系统排污水和中水回收系统排放的RO浓盐水，废水经集成膜后，出水SO42-浓度为5.1mg/L，NF对SO42-的截留率大于99.5%，理想的将SO42-和Cl-进行了分离；通过后续蒸发结晶与分质结晶工艺，生产的产品氯化钠纯度为96.8%，硫酸钠纯度为97.5%，完全满足92%以上的工业盐纯度要求，使废水达到了零排放的目的。王伟思[19]等人利用UF+RO双膜工艺在山西某煤化工公司水处理车间针对煤化工废水进行的实践结果表明，该双膜工艺对原水具有较高的抗冲击性，超滤产水效果稳定，出水浊度低于0.5NTU，SDI15值低于3。

2.1.5钢铁厂废水深度处理

钢铁行业耗水量极大，产生的废水量也大，普遍存在废水循环利用低的现象，利用双膜法处理钢铁行业废水可有效提高废水的循环利用。马世虎[20]采用CMF+RO集成膜工艺处理天津某联合钢铁有限公司的钢铁生产废水，处理后出水水质COD未检出，总硬度不超过2mg/L，碱度低于1mg/L。董金冀[21]等人在邯钢冷轧脱盐水站应用UF+两级RO双膜法工艺对钢铁废水进行回用处理，其中一级RO产水电导率为40~80μs/cm，脱盐率≥97%，可做循环水的补水；二级产水水质稳定，产水电导率为2~4μs/cm，脱盐率≥94%，水质可完全满足锅炉、冷轧酸洗、漂洗等系统的用水的要求。

2.1.6其他废水深度处理

其他废水还包括食品废水、印染废水、含氰废水、矿井废水和热电废水等。王应平[22]等采用UF+RO膜集成工艺对马铃薯淀粉废水进行了深度处理研究，其处理后的水BOD5小于10mg/L，水质达到淀粉工业水污染排放标准(GB25461-2010)要求，可达标排放。史志琴[23]等利用UF+RO膜集成工艺味精发酵产生的综合废水进行了处理，其整个系统产水CODCr约10mg/L，SO42-浓度＜100mg/L，回收率达80%，产水可回用于工业生产。刘劲松[24]等采用UF+RO膜法对某染整公司的印染废水深度处理研究，系统最终产水色度为2，电导率为17μS/cm，CODCr及SS均未检出，产水可回用于染色回用水。DebikE[25]等人利用UF+NF膜集成技术对印染废水进行了中水回用研究，整个系统产水CODCr、电导率和色度均达到回用水质标准，可用于生产回用水。张力[26]采用UF+两级RO膜集成工艺对含氰废水处理进行了研究，整个系统产水CN-含量降至0.005‰以下，截留率高达89%，可达标排放。李贞[27]利用UF+RO双膜法对矿井废水进行了处理研究，产水水质可达到GB5749-2006生活饮用水卫生标准；崔玉川[28]等讨论了RO法在高矿化度矿井水处理回用中的应用，对RO工艺用于山西煤矿区矿井水回用于生活饮用水进行了总结分析，并提出了相关建议，总结出用RO工艺处理矿井水回用于生活饮用水，吨水投资在1500~3500元，制水成本在1.5~3.5元/m3。刘建秋[29]等人利用高效纤维过滤+RO组合工艺对热电厂废水进行了中水回用研究，其系统运行稳定，回收率达85%，产水水质可达到回用标准。

2.2膜集成技术在市政污水深度处理中的应用

膜集成技术应用于城市污水再生处理，出水可用作工业用水，满足各级别用户需求，减少了对工业新水的使用。康丽萍[30]利用UF+RO组合工艺对市政污水厂外排水进行了中水回用研究，其系统连续运行稳定，产水电导率小于40μS/cm，水质可满足冷轧车间净循环冷却水和制冷换热水的补充水水质要求，可直接回用。北京经济技术开发区再生水厂[31]使用MF+RO双膜组合工艺对污水厂二级出水进行处理，系统设计CODcr去除率85%，BOD5去除率70%，SS去除率97%，NH3-N去除率50%，处理后的出水水质达到GB/T19923-2005《城市污水再生利用工业用水水质》的标准，可直接回用至区内工业企业。天津市某污水厂再生水回用工程采用的是UF+RO双膜工艺[32]，系统产水浊度为0.01~0.04NTU，电导率＜15μS/cm，脱盐率大于99%，产水水质可达到回用标准，且运行成本低，约1.584元/吨水，具有良好的经济和环境效益。

3结语与建议

当今世界，水处理方向朝着以开发回收水资源与保护环境的方向发展，膜集成技术因其具有占地面积少、设备简单、环保节能等特点，在水处理领域的研究及应用日益广泛。随着集成膜材料性能的改进、价格的降低以及技术的成熟，在不久的将来完全有可能取代传统的水处理工艺，在给水处理和污水处理方面均发挥出极大的促进作用。针对膜集成技术提出以下建议：(1)利用膜集成或将膜集成技术与其它工艺技术相结合，以达到最好的处理效果及最优的经济效益是今后发展的重点之一；此外，针对不同水质的成分及性质，研制适用的新型膜材料及其膜组件是未来重点研究的方向之一。(2)要保证RO系统长期稳定运行，十分有效的预处理工艺是至关重要的。我国RO膜预处理技术的研究及应用尚处于初始阶段，应向开发智能型、能量综合利用、处理效率高、符合技术经济要求的集成性预处理工艺方向发展。通过新型预处理工艺大幅度降低进水的浊度、SS、硬度和TDS等的含量，并减少化学药剂投加量和膜的清洗次数，从而提高系统回收率，实现环保节能。(3)由于海水含盐量高、渗透压大，导致膜法海水淡化过程中所需操作压力高，故RO高压泵电耗高，而RO压力驱动主要由高压泵提供，其能耗占整个系统能耗的60%。SWRO制水成本主要由预处理单元、RO单元投资及折旧、系统能耗、能量回收系统和取水及浓水排放费用组成，其中系统能耗所占比例约为30%，是SWRO法制水成本中最关键的构成要素。因此，降低RO系统能耗是削减制水成本的最有效途径，可通过开发可再生能源(如太阳能、风能等)来代替或补充膜法海水淡化的高能耗。(4)集成膜法产生的浓盐水直接排放对环境和生态会造成一定的危害，可通过浓盐水综合利用和零排放技术来实现膜集成技术可持续发展。大力发展浓盐水综合利用技术，将浓盐水作为应用于制盐、氯碱化工等行业制备化工原料，不仅可以减少资源浪费，摊薄海水淡化成本，同时也可以减少浓盐水的直接排放造成的环境污染。

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作者：张岩岗1；吴礼云2；王东1；吴冰2；于金旗3 单位：1．北京首钢国际工程技术有限公司，2．首钢京唐钢铁联合有限责任公司