浅析膜技术在城市节水中应用

2012-01-26辽宁省城市供水节水办公室刘绍伟

中国建设信息化 2012年17期

◎ 辽宁省城市供水节水办公室刘绍伟

1、前言

我国是一个淡水资源短缺的国家。据初步统计，全国正常年份缺水量约400亿m3，由于淡水资源短缺，严重制约了我国经济社会的快速发展。近年来，随着我国城乡生活及工业用水的需求量不断增加，对城市供水水质和保障率的要求也不断提高，缺水性质从以工程型缺水为主向资源型缺水和水质型缺水为主转变。缓解淡水资源供需矛盾的根本途径是节约用水、高效用水。只有高效用水，提高用水效率和效益，才能减少污水处理的负荷，真正解决水的环境与资源问题。开展城市节水工作，除了要采取法律、经济、道德、教育、工程等切实可行的综合措施外，还要充分发挥高新科技手段在节水中的作用。其中，膜技术就是最为典型的高新科技手段之一。

膜是指一种具有特殊选择性分离功能的无机或高分子材料。它能把流体分隔成不相通的两部分，使其中一种或几种物质透过，而将其他物质分离出来。膜技术是指依靠膜的选择性进行分离、纯化与浓缩的技术，具有无相变、占地小、不需化学药剂、易自控等优点。膜技术在城市节水中的应用，主要包括以下三个方面，首先在用水源头，实现非常规水源的开发，如海水和苦咸水淡化，饮用水净化，地下水补救等；其次在水源应用过程中，实现对传统工艺的清洁生产改造；在污水的处理方面，实现废水深度处理回用与资源化。

2、膜技术在非常规水源开发中的应用

据有关部门统计，海水、内陆地表咸水湖、地下咸水，共约占总水量的98%，开发淡水资源以外的非常规水源成为节水工作的重要方面，淡化脱盐技术中，对苦咸水脱盐RO占绝对优势，占76.23%。 1995年后，新增海水淡化和苦咸水淡化容量RO为90%。膜法淡化水技术反渗透已成为海水和苦咸水淡化制取脱盐水最为经济有效的方法。资料表明，到2010年止，世界上已建成膜法海水和苦咸水淡化厂，其生产能力达到日产淡水3600万吨，可提供世界5%的人口生活用水。其中世界最大的膜法海水淡化工程在最为缺水的中东以色列开始运行出水，其规模高达日产33万吨淡化水，满足了以色列15%家庭用水。最大的苦咸水淡化工程是美国尤马河水的处理工程，产水量37×104 m3/d，保证了河下游水的卫生标准。国内已建成日产万吨级海水淡化与苦咸水淡化厂，经济技术指标均达到国际先进水平。山东荣成日产10000m3RO海水淡化装置，耗电为4.5kwh/m3。沧州集团日产18000m3RO装置，苦咸水淡化，耗电为3.1kwh/m3。到2010年，全国海水淡化能力达到80～100万立方米/日，为滨海城市、海岛，舰船，苦咸水地区解决饮用水和工业用水提供取之不尽的水源保证。因此，膜技术实现了“开源与节流”，增加了可利用水资源的总量，节约天然淡水资源。

3、膜技术传统工艺清洁生产改造中的应用

膜技术对传统工艺的改造，一方面实现减少传统工艺对化学药剂的使用量，提高了产品的回收率，另一方面物料与水循环使用，减少了水源的需求与污水排放。膜技术成为清洁生产最重要的技术手段之一，在改造传统工艺和节水减污中发挥更重大的作用。其应用领域也十分广泛，几乎覆盖了食品、饮料、生物、制药、石油、化工等诸多行业。

在食品饮料工业，膜技术的应用始于60年代末，先是用于乳品加工和啤酒无菌过滤，并逐渐用于果汁饮料加工、酒类精制、饮用纯水生产等方面。近年来已扩展到发酵和生物工程的应用，各种动、植物蛋白的加工等行业。目前应用较多的是饮料用水的处理技术，其次是酶制剂的浓缩和精制。此外微滤和超滤技术在白酒的除浊增香，啤酒的除菌保鲜，果酒、黄酒、保健酒的精制，果汁的澄清，尤其是苹果汁的澄清等方面应用较多。速溶茶的生产已开始用超滤和反渗透技术进行提纯和浓缩。

在生物制药工业，抗生素的相对分子量大都在300－1200范围内，纳滤膜适用于相对分子在1000以下的物质，传统生产过程为发酵澄清、萃取、减压蒸馏，使用的有机溶剂量大而能耗高、污染大，而在对发酵液采用纳滤膜浓缩或浓缩萃取液，实现了水或有机溶剂的循环使用，已经成功用于维生素、头孢菌素、青霉素三大医药品种发酵液的分离，几十种抗生素新药的纯化。大量中成药生产也开始运用膜技术。在国内各大制药厂几乎都有膜技术改造后的新的生产工艺在运转，每年节约水量可达上千万吨。

在石油化工工业，推广全氟磺酸羧酸离子膜电解取代传统的汞阴极法和石棉隔膜法烧碱生产技术，按2005年统计，离子膜碱平均用水量要比隔膜碱平均用水量少用1.16／吨，电耗少用16.48千瓦时/吨，当前离子膜法烧碱比重离子膜占有率也仅占到40%，如果全部代替，每年可以节水上千万吨。钢铁冷轧乳化液废水陶瓷膜处理技术，已在宝钢、武钢、马钢、昆钢等公司推广，如果在采油炼油行业中应用，每年可以节水几亿吨。渗透汽化(PV)膜技术替代或部分替代传统的蒸馏，进行脱水和除去少量挥发组份，有显著的节水、降耗效果。在电镀行业，我国每年排出的电镀污水总量约为40亿立方米，这类污水的特点是高污染，难治理。采用电渗析、液膜、反渗透等膜技术进行工艺改造，一方面回收利用电镀原料（镍、铬等贵重金属和纯净水），大大降低生产成本，另一方面，可以实现电镀废水零排放或微排放，具有很好的经济和环境效益。杭州水处理中心和长沙力元新材料股份有限公司共同开发的日处理1200吨的电镀污水处理系统已稳定运行5年时间，各项技术、经济指标均达到并超过设计标准。

4、膜技术污水资源化中的应用

近年来，我国每年排放污水量约400-500亿m3，污水处理率仅55-65%左右，回用率更低，膜技术为污水、废水深度处理回用与资源化提供了重要技术保证，体现在膜高新技术与传统水处理技术的高度统一。在传统生物法（常规活性污泥法，A-B法，A2/0，水解一氧化，SBR，氧化沟等）处理后，采用超滤或微滤处理或反渗透处理回用满足城市工业与生活用水要求。特别是膜生物反应器技术，将超滤或微滤取代二沉池，强化了生化作用，是膜技术与传统生化技术有机结合而成的新型的污水再生技术，在近三五年取得了迅猛的发展。与传统的集中式的污水处理模式相比，分散式中小型膜法污水资源化处理工程解决了城市土地成本高、管网建设难、投资大、难管理、回用水可靠性差等问题，其更加适合于城市污水再生回用要求。

4.1 污水资源化供给工业用水

城市工业用水占城市用水总量的45%，主要包括冷却用水、热力和工艺用水、洗涤用水。其中工业冷却水用量占工业用水总量的80%左右，取水量占工业取水总量的30～40%。火力发电、钢铁、石油、石化、化工、造纸、纺织、有色金属、食品与发酵等八个行业取水量约占全国工业总取水量的60%(含火力发电直流冷却用水) 。膜技术污水再生技术在这些行业中的应用极大的缓节了缺水状况。2002年在我国最大的不锈钢生产企业太钢国内最大规模的污水回用工程开始运行，日产能处理水量7.2万吨/日，总投资4800万，采用中国蓝星集团水处理公司的反渗透膜分离技术，改造净环水软水站，也就是对现有达标排放的浊环水作进一步除盐处理，进行废水回用，从而满足50万吨不锈钢系统工程扩建供水要求。原来太钢每天用水17万吨，占太原市城市用水的1/4。技改后，太钢每年可少采1400万吨新水。水成本由采用引黄入晋水的成本3元，降至2.5元。目前，在鞍钢、辽河油田、哈尔滨啤酒、锦州石化等不同工业企业中实现了膜技术工业污水回用。如果全国按工业污水排放量的20%实现膜法浓度处理回用，则每年可以节约近100亿吨淡水资源，将大大缓解淡水资源短缺的问题，同时也将减少污水排放量，降低污水处理投资和运行成本。

4.2 污水资源化供给城市生活用水

城市生活用水包括：城市居民、商贸、机关、院校、旅游、社会服务、园林景观等用水。目前城市生活用水已占城市用水量的55%左右，而不直接接触人体的各种杂用水，约占生活总用水量的50%以上。中水是指生活污水经过处理达到规定的水质标准，可在一定范围内使用的非饮用水。实行污水资源化与中水回用是开展城市节水工作的重要举措。2008年，北京市为迎奥运，建设的北小河再生水厂和清河再生水厂中，首次采用国际上最先进的膜处理技术，使出水水质达到高级景观用水甚至饮用水的标准。其设计规模分别高达到4.5万吨/日与8万吨/日。天津、青岛、广州、沈阳等地也建成并投产运行的日产万吨以上的膜法城市污水再生厂。

随着膜技术的普及应用，膜材料与设备的国产化的实现，膜工程造价与运行成本还将进一步降低。同时，我国水工业市场化的不断完善，水价格体系的逐渐形成，公众节水意识的不断提高，相关法律法规的完善，推广应用膜技术的经济效益和社会效益将突显其优势，其必将成为城市用水再生回用的首选技术。