膜技术在水处理行业应用分析

张伟伟

【摘 要】社会的发展，环境的破坏，导致水资源污染严重，全世界都在关注水的问题。在我国80%以上的水体被不同程度污染，污染物越来越复杂，为了满足水质的需求，针对各种水源开发出不同的工艺，水的处理技术不断更新。相对传统技术，膜技术表现出工艺简洁、自动化程度高、水质适用范围广、出水水质大幅提升等优势。水处理行业已进入大发展时代，膜技术将在未来得到大力推广、应用。

【关键词】水处理 膜技术 反渗透 超滤

最新资料显示，到目前，世界上约有100个国家缺水，26个国家严重缺水，40%的人口遭受缺水之苦，每年约有2500万人因水污染而死亡，有10亿人喝不到干净的饮用水。我国人均水资源占有量，仅相当于世界人均水资源占有量的四分之一，在全国600多个城市中，有400多个城市供水不足。随着社会的发展，工业用水日益增加，废水排放量增长速度极快，水体污染问题日益突出。为了保证生活、生产用水，国家越来越重视水资源的保护和高效利用，采取高投入、严标准，促进水处理行业的全面发展。膜技术被称为是21世纪的水处理技术，是近几十年来发展最迅速，应用前景最广的技术。与传统水处理技术相比，膜技术具有节能、投资少、操作简便、处理效率高等优点 ，膜技术的应用给人类带来了巨大的环境和经济效益。

1 膜技术的发展

1748年法国阿贝.诺伦特首次揭示了膜分离技术现象；1863年杜布福特制成第一个膜渗析器，开始膜分离技术新纪元；1950年朱达制成具有实用价值的离子交换膜；1953年美国里德教授在OWS开始反渗透的研究；1961年美国Hevens公司首先推出管式膜组件制造法；1964年美国通用原子公司研制出螺旋式反渗透组件；1967年美国杜邦公司研究出尼龙-66中孔纤维膜组件； 1970年E.卡斯勃尔研制成含流动载体的液膜，使膜技术提高到创新水平；90年代出现了纳滤。

在我国，1965年开始反渗透的研究，1975年开始超滤研究，与国际基本同步，成为仅次于欧美、日本的膜技术大国，在反渗透、超滤、微滤、纳滤、电渗析等领域都进行了成功的研究并已形成市场化工业体系。由于水源日益匮乏、污染严重，膜分离技术受到世界各技术先进国家的高度重视。近30年来，美国、加拿大、日本和欧洲等国家，一直把膜技术定位为高新技术，投入大量资金和人力，促进膜技术迅速发展，使用范围日益扩大。极大带动给水处理、纯水生产、海水淡化、苦咸水淡化、污水处理等水处理行业的变革。

2 膜分离技术的基本原理和特点

2.1 膜分离技术的基本原理

由于分离膜具有选择透过特性，所以它可使混合物质有的通过、有的留下。但不同的膜分离过程使物质留下、通过的原理有的类似，有的完全不一样。总的说来， 分离膜之所以能使混在一起的物质分开，不外乎两种手段。

（1）根据混合物物理性质的不同——主要是质量、体积大小和几何形态差异， 用过筛的办法将其分离。微滤膜分离过程就是根据这一原理将水溶液中孔径大于100nm的固体杂质去掉的。（2）根据混合物的不同化学性质。物质通过分离膜的速度取决于以下两个步骤的速度：首先是从膜表面接触的混合物中进入膜内的速度（称溶解速度）；其次是进入膜内后从膜的表面扩散到膜的另一表面的速度，二者之和为总速度。总速度愈大，透过膜所需的时间愈短，总速度愈小，透过时间愈久。例如反渗透一般用于水溶解盐去除。这是因为反渗透膜是亲水性的高聚物，水分子很容易进入膜内，在水中的无机盐离子则较难进入，所以经过反渗透膜的水就被除盐淡化了。

2.2 膜分离技术的特点

（1）膜分离过程不发生相的变化，与其它方法相比能耗较低，因此又称节能技术。（2）膜分离过程是在常温下进行的，因而特别适于对热敏感的物质，如废水中有价值的重金属、化学药品、生产原料等的分离、分级、浓缩与富集过程。而用膜法处理饮用水，其出水水质只取决于膜自身的性质，如膜孔径、膜的选择性等，与原水水质无关。（3）膜分离技术不仅适用于有机物和无机物、病毒、细菌的分离，而且还适用于许多特殊溶液体系的分离，如溶液中大分子与无机盐的分离，一些共沸物或近沸点物系的分离等，而后者是常规方法无能为力的。（4）膜分离是一种物理过滤过程，故不会产生副产物。（5）膜分离法装置简单、操作简易、便于维修且分离效率高。

3 膜分离技术简介

3.1 膜分离技术的分类

3.1.1 按膜的过滤精度分

膜分离技术有微滤、超滤、纳滤和反渗透。（1）微滤（MF）：过滤精度（?m）0.1～10，过滤压力（Mp）0.1～0.3，截留分子量（Daltons道尔顿）>100000，去除悬浮颗粒、细菌、部分病毒及大尺度胶体，主要用于饮用水去浊、中水回用、纳滤或反渗透系统预处理。（2）超滤（UF）：过滤精度（?m）0.002～0.1，过滤压力（Mp）0.1～0.5，截留分子量（Daltons道尔顿）10000～100000，去除胶体、蛋白质、微生物和大分子有机物，主要用于饮用水净化，中水回用，纳滤或反渗透系统预处理。（3）纳滤（NF）：过滤精度（?m）0.001～0.003，过滤压力（Mp）0.3～1.5，截留分子量（Daltons道尔顿）200～1000，去除多价离子、部分一价离子和分子量200～1000Daltons的有机物，主要用于脱除水的硬度、色度及放射性镭，部分去除溶解性盐，工艺物料浓缩等。（4）反渗透（RO）：过滤精度（?m）0.0004～0.0006，过滤压力（Mp）>1，截留分子量（Daltons道尔顿）>100，去除溶解性盐及分子量大于100Daltons的有机物，主要用于海水及苦咸水淡化、锅炉给水、工业纯水制备、废水处理及特种分离等。

3.1.2 按膜的材质分

（1）无机膜。一、金属膜：是20世纪90年代由美国研制成功的，以多孔不锈钢为基体、TiO2陶瓷为膜层材料的一种新型金属-陶瓷复合型无机膜。具有良好的塑性、韧性和强度，以及对环境和物料的适应性，是继有机膜、陶瓷膜之后性能最好的膜材料之一。国外新研制的金属膜采用不对称结构，以粗金属粉末作支撑材料，以同种合金的细粉末喷涂作有效滤层（厚度小于200μm） ，其孔径分布集中在1～2μm 之间，属微滤（MF） 范围，颗粒物难以进入滤膜内部堵塞滤道而滞留在膜表面，形成表面过滤。与传统多孔烧结金属滤材相比，不对称金属膜滤通量高3～4倍，压降较小，反冲洗周期长达6～8个月，且反冲效果较好。随着纳米技术的发展，金属纳米粉的制备技术日趋成熟，这为更高精度的金属膜提供了材料基础，纳米金属膜的发展前景十分广阔。二、陶瓷膜：陶瓷膜的研究始于20世纪40年代，80年代初期成功地在法国的奶业和饮料业推广应用后，陶瓷膜分离技术和产业地位逐步确立，应用也已拓展至食品工业、生物工程、环境工程、化学工程、石油化工、冶金工业等领域，成为苛刻条件下精密过滤分离的重要新技术。我国无机膜的研究始于20世纪80年代末，通过国家自然科学基金以及各部委的支持，以南京工业大学为代表的陶瓷膜研究团队，已经能在实验室规模制备出无机微滤膜及超滤膜等。进入90年代，原国家科委（现科学技术部）对无机陶瓷膜的工业化技术组织了科技攻关，推进了陶瓷微滤膜的工业化进程。国家“863”计划也将“无机分离催化膜”项目列入其中，至21世纪初，我国已初步实现了多通道陶瓷滤膜的工业化生产，并在相关的工业过程中获得了成功的应用。2002年第七届国际无机膜大会在中国召开，标志着我国的无机膜研究与工业化工作已进到国际领先水平。

（2）有机膜。有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。从20世纪80年代初开始，采用耐热性、耐化学稳定性、耐细菌侵蚀和较好机械强度的特种工程高分子材料作为膜材料，克服了用纤维素类材料所制膜易被细菌侵蚀、不适合酸碱液清洗、不耐高温和机械强度较差等弱点。在这30多年中，先后出现了聚砜（PSF）、聚丙烯腈（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚醚酮（PEK）、聚醚砜（PES）等多种特种工程高分子材料，这些材料的出现使得膜的品种和应用范围大大增加。

3.1.3 按形状分

有卷式、管式、平板式和中空纤维式如图1所示。

3.2 膜法处理技术与传统处理装置的比较

以地表水处理至超纯水为例：

3.2.1 传统工艺

原水 斜管沉淀池 活性炭滤池（GAC） 机械过滤器 活性炭过滤器 阴、阳离子交换器 混和离子交换器 出水。

3.2.2 全膜法工艺

原水 微滤膜（MF）过滤 超滤（UF） 反渗透（RO） 二级反渗透（RO） 电除离子（EDI） 出水。

两种工艺对比，传统工艺的不足之处有：工艺复杂、占地面积大；不易实现自动控制、劳动强度大；频繁的反洗、填料的老化、破碎导致效率低、水质不稳定、制水周期短；阴、阳离子再生频繁，需消耗大量酸碱，导致劳动强度大、影响效率低、废液污染环境、运行费用高等。

膜技术具有以下优势：精度高、范围广，不仅可以去除不溶性物质，还能有效去除溶解性物质，适应各种水源，及出水水质要求；采用单元式组件，占地小、节省土地和构筑物建造费；药剂的用量大幅减少，降低运行费用；可实现自控，操作、维护方便，减少约50%劳动力成本。

4 我国水处理行业未来市场

4.1 整体行业发展

《环境保护法》、《水污染防治法》、“水十条”、水质标准的修改（如生活饮用水卫生标准水质指标由35项增至106项）等，随着一系列法律、政策的出台，相关水质指标的提升，充分体现出国家对水资源保护、治理的力度之前所未有。

2015年，我国水处理行业快速发展的一年，行业内发生了许多大事件：国家水污染防治专项资金规模增加至130亿元；国务院出台第二批206个PPP示范项目，其中城市给排水、河水综合治理、管网建设，仅三项投资额合计1310亿元；计划3年内投资865亿元，将武汉、南宁、重庆等16个城市作为海绵城市试点，并将给予专项资金扶持。有分析人士表示，仅仅16个城市总投资需求就在3000亿元以上，而我国共有332个地级行政区，保守估计每个地级市投资60亿元，则全国未来3-5年内投资总额至少达到2万亿元；水利部正在组织编制《全国农村饮水安全巩固提升工程“十三五”规划》，计划到2020年全面解决贫困地区饮水安全问题，力争使贫困县农村集中式供水人口比例提高到80%左右。据环保部《黑臭水体治理技术政策》编制组介绍，我国80%以上的城市河流受到污染，有很多甚至出现季节性和常年性水体黑臭现象，90%以上的城市地表水域受到严重污染。从政策层面和生产、生活对水的需求来看，水处理行业已进入快速发展期，未来市场空间很大，并将成为国家长期支柱性产业。

4.2 膜技术未来前景

《国家新型城镇化规划（2014—2020年）》从多方面对污水处理提出新要求。技术方面，污水处理正处于一个新老技术交替的时代，正从传统的污水处理技术向膜法水处理技术过渡，但是，膜法水处理目前在整个污水处理市场的占比份额约5%，新技术的市场前景广阔。《国家水安全创新工程实施方案》（2015—2020年），要求加快水污染控制与治理科技创新，促进海水淡化科技成果转化。同时，提出要大力推广膜处理技术，充分发挥膜生物反应器（MBR）等产业技术创新战略联盟作用。按照正在编制的膜行业“十三五”规划，到2020年功能膜产值突破2500亿元，年均增速为20%，RO膜技术完全达到国际先进水平，海水淡化RO膜国内市场占有率实现30%—50%，微滤膜及超滤膜质量实现新突破，国内市场占有率达60%—80%，期间将培育一批龙头企业，年销售收入在50亿—100亿元的超级企业5个。