膜分离技术在再生水处理中的应用研究综述

邓建绵, 童　玲, 周振民

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)



膜分离技术在再生水处理中的应用研究综述

邓建绵, 童玲, 周振民

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

摘要：水资源短缺是目前制约我国社会经济可持续发展的瓶颈之一，再生水回用是解决该问题的有效措施.膜分离技术具有出水水质优良、占地面积小、易于实现自动化等特点，受到各界的高度重视.本文分析了微滤膜、超滤膜、纳滤膜与反渗透膜的特点，综述了它们在再生水处理中的应用研究现状.结果表明:由于运行成本高等原因，膜分离技术在再生水处理工程应用中较少；我国应进一步加大膜制备技术开发研究的投入，开发抗污染、高通量、低成本的分离膜，促进我国再生水事业的发展.

关键词：水资源；再生水；膜分离技术

随着人口的增长与社会经济的发展，用水量日益增加，缺水形势日益严峻.目前，缺水已成为制约我国社会经济可持续发展的瓶颈之一.城市污水具有水量大，集中，水质、水量稳定，距离城区较近等特点，将城市污水深度处理回用是解决缺水问题的有效途径，其日益受到中央与地方各级政府的重视.至2010年底，全国已建再生水厂343座，再生水管道5 521 km，再生水厂和管道工程投资共计114.99亿元，全国污水处理回用总量为28.29亿m3/a.

近年来，各级政府部门又对污水处理回用提出了更高的要求.2011年“中央一号”文件《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》明确提出，污水处理回用是实现最严格水资源管理目标的一项重要措施.《国家环境保护“十二五”规划》明确要求要推进污水再生利用.我国《水利发展规划(2011—2015年)》要求，到“十二五”末，资源型和水质型缺水城市的污水再生利用率要达到20%以上.《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》要求，科技项目要重点支持城市水循环利用技术.水利部《节水型社会建设“十二五”规划》要求，到2015年，我国海水淡化、再生水利用、雨水集蓄利用、矿井水利用等非常规水资源利用量要达到100亿m3以上.

目前，深度处理后的污水主要用于工业、农业、城市非饮用水、景观环境等方面.据统计，2010年，全国再生水回用于地下水回灌0.18亿m3/a、工业8.42亿m3/a、农林牧业 6.48亿m3/a、城市非饮用1.28亿m3/a、景观环境11.93亿m3/a.

用途不同，对再生水水质要求不同，合理选择再生水处理技术，确保再生水水质符合要求是再生水处理工程正常运行的保障.膜分离技术由于出水水质优良、稳定，占地面积小，易于实现自动化等特点，受到各界高度重视.

1膜分离技术在再生水处理中的应用现状

根据膜的形态、材料、结构、功能不同，膜有不同的分类.在水处理行业，膜一般按孔径范围分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜与反渗透膜，不同膜的孔径分布不同，净化机理与净化效果也不同.

1.1　微滤膜

微滤膜孔径大小为0.01~10.00 μm，截留分子量在100 000道尔顿以上.由于微滤膜孔径较大，主要依靠筛分效应截留水中的污染物质,可用孔流模型解释它的传质机理.微滤膜具有操作压力低，水通量大等特点.可以去除水中的悬浮物、胶体、细菌等污染物质，对溶解性污染物质去除效果较差，可用于对水质要求不高的再生水处理厂或作为纳滤膜与反渗透膜的预处理.

北京市某再生水厂采用微滤/反渗透工艺深度处理再生水[1]，出水化学需氧量(Chemical Oxygen Demard,COD)质量浓度与浊度的平均值分别低于0.45 mg/L与0.064 NTU，87.7%出水中的氨态氮(Ammonia Nitrogon,NH3—N)低于检测限.98.8%出水中的总磷含量(Total Phosphorus,TP)质量浓度低于0.01 mg/L，出水总溶解固体(Total Dissolved Solids,TDS)质量浓度低于30.8 mg/L，出水水质良好、稳定.陈超等[2]用改性微滤膜深度处理污水厂二级出水.微滤膜出水色度为15倍，总悬浮固体(Total Suspended Solids,TSS)、五日生化需氧量(5-days Bidogical Oxygen Demand,BOD5)、TP质量浓度分别小于5.00,5.40,0.03 mg/L，总大肠菌群含量少于2个/L，水质满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920—2002)的要求.

Xing W等[3]以颗粒活性炭流化床生物反应器与微滤组合工艺处理模拟的生活污水，微滤膜孔径为0.1 μm，最优条件下，该工艺对溶解性有机碳去除率可达到97.7%.Ordóez Ruth等[4]以微滤/反渗透工艺处理污水处理厂二级出水，中空纤维微滤膜孔径为0.05 μm，微滤膜通量范围为36.0~45.0 L/(m2·h)，微滤膜进水COD，BOD5，TSS，硬度质量浓度分别为23~58，5~11，2.0~15.0，120~147 mg/L，出水COD，BOD5，TSS，硬度质量浓度分别为8~45，1~8，<2.0，120~147 mg/L.微滤去除悬浮物效果较好，但对溶解性污染物质去除效果较差.Zhu Bo等[5]首先制备孔径为0.4 μm的负载有TiO2活性层的陶瓷微滤膜，然后研究陶瓷滤膜/臭氧氧化组合工艺深度处理污水处理厂二级出水的效果.实验跨膜压力为50 kPa，膜的错流流速为0.01 m/s.向微滤膜进水中投加质量浓度为8 mg/L的臭氧2 min进行预处理，运行2 h后，微滤膜水通量降低到原值的70%.该工艺对色度、254 nm处紫外吸光度(UV Absorbance at 254 nm,UVA254)与总有机碳(Total Organic Corbon,TOC)的去除率分别达到88%，75%，43%.

1.2　超滤膜

超滤膜孔径范围为0.001~0.010 μm.截留分子量1 000~100 000道尔顿，由于超滤膜孔径较大，主要依靠筛分效应对污染物质进行截留，可用孔流模型解释它的传质机理.超滤膜能够截留分子量大于1 000道尔顿、粒径大于2 nm的颗粒.

宋吉娜等[6]用截留分子量为30 000道尔顿的聚丙烯腈超滤膜处理城市污水处理厂二级处理水，超滤膜对浊度、细菌总数与大肠杆菌有较高的去除率，但对TOC、254 nm波长紫外光下的吸光度UVA254与色度的去除率分别为13.4%,33.1%与51.4%.北京市清河再生水厂[7]采用超滤、活性炭吸附工艺对污水处理厂二级出水进行深度处理，长期运行结果表明，该工艺对有机物质、悬浮物及胶体物质的去除率较高，但对氮的去除率较低.

Zheng Xing等[8]用慢滤/超滤组合工艺处理模拟的污水处理厂二级处理水.研究结果表明：当二级处理水中生物聚合体质量浓度为0.79 mgC/L，不用慢滤池预处理，超滤膜运行12 h，跨膜压力从12 kPa升高到70 kPa；当二级处理水中生物聚合体质量浓度为0.32 mgC/L，经慢滤池预处理，超滤膜运行30 d，跨膜压力从12 kPa升高到70 kPa.Muthukumaran Shobha等[9]用截留分子量为1 000道尔顿的管式陶瓷超滤膜与截留分子量为25 000道尔顿的卷式有机超滤膜处理模拟的污水处理厂二级处理水.卷式超滤膜对浊度，UVA254，COD，色度的去除率分别为95%，80%，75%，50%；管式超滤膜对浊度，UVA254，COD，色度的去除率分别为95%，85%，95%，92%.

1.3　纳滤膜

纳滤膜孔径接近于1 nm，切割分子量200~1 000道尔顿，主要依靠筛分效应与Donnan效应对污染物质进行截留，可用Donnan平衡模型、空间电荷模型、静电位阻模型和杂化模型等模型进行解释.纳滤膜不仅能够去除悬浮物、细菌，也能够去除小分子有机物、无机盐等.

吴琳琳等[10]采用臭氧/土壤/纳滤组合工艺处理污水厂二级出水，其中纳滤膜对溶解性有机碳(Dissolved Organic Carbon,DOC)、UVA254与电导率的去除率分别为72%～83%，75%～84%，40%～50%，出水DOC质量浓度稳定在1 mg/L以下.李清雪等[11]采用微滤/活性炭吸附/纳滤组合工艺处理邯郸市某污水厂二级出水.该工艺对CODMn，TOC，UVA254平均去除率分别达到42.09%，69.54%和78.53%；CODMn，TOC出水平均质量浓度分别为5.90，1.93 mg/L；出水UVA254为0.04 cm-1.

Chon Kangmin[12]等以MBR/NF(纳滤膜切割分子量210道尔顿)组合工艺处理城市污水处理厂二级处理水.纳滤膜进水电导率为258.0 μs/cm;DOC,TN,TP质量浓度分别为6.13 mgC/L，36.51,7.92 mg/L；出水电导率为110.6 μs/cm;DOC,TN,TP质量浓度分别为0.39 mgC/L，8.67,0.46 mg/L.Jacob Matthieu等[13]以MBR/NF组合工艺处理某城市污水厂二级处理水，当操作压力为1.2 MPa，浓缩系数为2时，纳滤膜进水254 nm波长紫外光下的吸光度UVA254、TOC、电导率分别是0.148 cm-1,8.0 mg/L,984 μs/cm，对UVA254,TOC,电导率截留率分别是97%,87%,91%.

1.4　反渗透膜

反渗透膜孔径在0.000 1 μm左右，切割分子量小于200道尔顿.反渗透膜属于无孔致密膜，可用溶解-扩散模型解释其传质机理.反渗透膜能够大量去除水中的无机离子与有机物.

仲惟雷等[14]采用生化塔/沉淀池/消毒/纤维素过滤器/砂滤池/反渗透组合工艺处理某污水厂二级出水，进水COD、氨氮、总硬度质量浓度分别为60,10,450 mg/L，出水氨氮质量浓度小于0.5 mg/L，COD检测不出，总硬度质量浓度小于1 mg/L.张秀丽等[15]采用超滤/反渗透组合工艺处理污水厂二级出水.当操作压力为0.45 MPa时，该工艺对TDS、氨氮、碱度、COD的去除率分别为91.01%,90.70%,91.70%，99.38%.

2膜分离技术在污水处理回用中的注意事项

膜分离技术在污水处理回用中应注意以下事项.

1)合理确定预处理工艺，减轻膜的污染.膜组件运行一段时间后会受到污染,污染后的膜需要进行清洗.这不仅造成运行管理不便，而且会增加工程运行费用，缩短膜的使用寿命，是影响膜分离技术推广应用的问题之一.因此，必须对分离膜进水进行预处理，减缓膜的污染.微滤膜、超滤膜的预处理主要有絮凝沉淀、过滤、臭氧氧化等[5，18]；纳滤、反渗透的预处理一般还要增加微滤、超滤等工艺[4，19].

2)根据处理水水质要求，合理确定再生水处理工艺.目前，再生水主要用于市政杂用、补充景观用水、农田灌溉、工业冷却用水等几个方面.用途不同，对回用水水质的要求不同，可以采取适宜的工艺技术，降低工程投资与运行费用，如市政杂用与灌溉对回用水水质要求较低，可采用微滤或超滤工艺即可满足要求[20-21]；回灌地下与冷却等用水对水质要求较高，可考虑采用纳滤与反渗透工艺[22-23].因此，合理确定回用水处理工艺，简化运行管理，对工程的可持续发展具有重要意义.

3)根据污水特征，开发新的适用于污水处理回用的抗污染膜.膜的污染与膜的化学特性、结构等密切相关.根据污水中主要污染物质的荷电性能，开发出适宜的分离膜，利用同性相斥的原理，可减少膜对污染物质的吸附，有助于提高膜的抗污染性[24-25].

目前所用的分离膜大多为非对称膜，膜表面具有致密层，致密层下部为多孔支撑层.污染物进入多孔支撑层后，不易通过反冲洗去除[26-27].因此，合理选择膜表面致密层微孔孔径可以提高膜的水通量，减少污染物进入多孔支撑层，减缓膜的污染，不仅便于维护管理，而且节省运行费用.

4)合理确定运行参数，减缓膜的污染.分离膜的运行参数主要有运行压力、错流流速、运行时间等.增加膜的运行压力能够提高膜的通量，但如果膜的运行压力过大，不仅会加快膜的破损，而且易于将部分污染物质压入膜的多孔支撑层，加快膜的污染[28-29]；增加错流流速，膜表面凝胶层变薄，能够提高膜的水通量[30]，但会加快膜的污染[31].膜运行一段时间后会受到污染，膜的水通量将降低，当达到一定程度后，需要对膜进行清洗，相邻两次清洗之间的时间为运行时间，合理确定运行时间可以提高膜的产量，延长膜的使用寿命.

3前景与展望

再生水回用是解决我国水资源短缺的有效途径之一.我国各级政府部门对再生水的回用提出了明确目标.目前对再生水回用提出的要求不仅是量的增加，还有再生水水质标准的提高.膜分离技术是提高再生水水质的有效技术之一，在再生水处理中具有良好的应用前景.

预计2015年我国对膜的需求量达到200亿元，并以每年25%~30%速度增长.目前，我国能够工业生产的主要是微滤膜与超滤膜，纳滤膜与反渗透膜主要是进口，国内很少有工业化生产.国内生产的微滤膜与超滤膜由于水通量较小、截留效果较差及强度较低等原因，与国外产的相应膜相比还存在销售量较少，销售价格较低等问题.

今后，我国膜分离技术研究方向主要有：①纳滤膜与反渗透膜的工业化生产研究，分析纳滤膜与反渗透膜工业化生产制备参数优化问题；②超滤膜与微滤膜的制备技术优化研究，主要是提高微滤膜与超滤膜的强度、水通量与截留效果；③各种膜应用参数优化研究，提高膜的分离效果、水通量，延长膜的使用寿命.

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(责任编辑：蔡洪涛)

Research Overview on the Application of Membrane Separating Technology to Recycled Water Treatment

DENG Jianmian, TONG Ling, ZHOU Zhenmin

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Abstract:The shortage of water resources is one of the bottlenecks restricting the current economic sustainable development of China, but the recycled water reclamation is an effective way to solve the problem. The membrane separation technology with some advantages, such as good water quality discharged, small covering area, easy realization of automation, etc., is attached great importance by all the fields of society. In the article, we analyzed the characteristics of micro-filtration membrane, ultra-filtration membrane, nano-filtration membrane and reverses osmosis membrane, and reviewed their application situations in the treatment of recycled water. The investigation results show that the membrane separation technology is rarely applied to recycled water treatment because the operating cost is higher than that of the traditional treatment technology. China should increase the investment of developmental researches about the membrane preparation technology, and lay emphasis on developing anti-pollution, high-flux and low cost membranes, so as to promote the development of the recycled water cause.

Keywords:water resources; recycled water; membrane separation technology

中图分类号：X52

文献标识码：A

文章编号：1002-5634(2015)02-0084-05

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.02.018

作者简介：邓建绵(1970—)，男，河南叶县人，副教授，博士，主要从事水污染控制方面的研究.

基金项目:水利部科技项目(DRCYSN(2012)473)；贵州省水利科技项目(KT201315).

收稿日期:2015-02-28