中空纤维膜技术及其在水处理中的应用进展

邱颉

摘 要：中空纤维膜分离技术是近年来新兴的水处理技术，以该技术为主体的膜生物反应器分为内压式和外压式，在净水和废水处理中已成功应用。它具有水通量高、占地面积小以及出水水质好等优势。本文从概念、特性及应用等方面介绍了中空纤维膜技术的概况，并展望了中空纤维膜技术在水处理领域的应用前景。

关键词：中空纤维膜；水处理；应用

近年来，我国水污染状况日益恶化，水质问题已成为全世界关注的焦点之一，开发经济、高效的新型水处理技术十分必要。膜技术是水处理领域最高效、快捷的方式之一，研究人员已做出大量、有效的工作。

中空纤维膜在我国的发展始于20世纪70年代，1974年大连、上海、天津等地陆续展开中空纤维膜的研究，研究者于20世纪70年代末成功地研制出以芳香聚酰胺酰肼为原料的反渗透中空纤维膜及小型膜组件[ 1 ]。随后，中空纤维膜的研究得到较大发展，逐渐步入工业化阶段。

1 中空纤维膜技术的概念及其特点

中空纤维膜是超滤膜的一种，它是超滤膜技术中最成熟、先进的技术之一。中空纤维膜的外径是0.5～2.0mm，内径是0.3～1.4mm，管壁上布满微孔，孔径以能截留物质的分子量表达，截留的分子量可达几千至几十万，可100%截留细菌、病毒、胶体、热源及微小的悬浮物等。原水在中空纤维膜的外侧或内腔加压流动，构成外压式和内压式。经中空纤维膜处理过的水质清澈甘甜，可直接饮用。

中空纤维膜的特点是：

1）耐压性好，中空纤维膜的耐压性能主要取决于内外径之比，与管壁的厚度无关。

2）中空纤维膜无需支撑体，使用过程简单，无需加热，节约能源。

3）膜组件可做成任意大小和形状。

4）单位体积的有效膜面积大，填充密度高、通透量大。

5）适用范围广，适用于多种大分子有机物、无机物的分离。

2 中空纤维膜在水处理中的应用进展

自20世纪70年代以来，膜生物反应器（MBR）先后在北美、欧洲得到广泛应用，90年代末期在我国开始应用。它是将膜分离技术中的膜组件与生物处理工程中的生物反应器相结合组成的新型生物处理装置。目前，膜生物反应器普遍采用的就是中空纤维膜。

2.1 在水质净化中的应用

中空纤维膜技术通常作为预处理环节广泛应用于自来水、超纯水及纯净水的制备、饮用水的深度净化、矿泉水的净化和海水淡化。值得提出的是，天然的矿泉水经过中空纤维膜的超滤净化后不改变微量元素成分，同时达到可以直接饮用的目的。刘锴等采用动态法对聚砜中空纤维超滤膜进行表面光接枝改性，通过调节膜孔径，改善膜的亲水性，从而控制反应程度，提高其筛分去除能力，改性后的超滤膜用于饮用水的净化处理，净化后的水质良好[ 2 ]。

2.2 在废水处理中的应用

近年来，世界各国都在研发中空纤维膜技术，并将其应用于各类废水处理的工艺中，该技术具有工艺流程简单，节省占地空间，水的通量高及处理后水质良好等优势，能够实现水资源的可持续利用，有效缓解水资源短缺的现状。

2.2.1在含油废水中的应用

目前，我国大部分油田已进入开采的中后期，需要注入的水量日益增加，采出水量也随之增多，油田的采出水对于一些干旱地区而言是珍贵的水资源。将中空纤维膜超滤技术应用于油田回注，出水水质可完全达标。梁立军等采用中空纤维膜组件对大庆油田出水进行过滤净化，处理后的滤过水水质良好。毛智明等采用中空纤维膜制备的膜组件进行长达22天的油水分离研究，结果表明：该膜组件的截留率保持在98%以上，渗透液含油量小于1mg/L[ 3 ]。

2.2.2在印染废水处理中的应用

印染行业中，PVA浆料的使用大大增加了废水中难降解有机物的含量，造成严重污染。当前，常用的印染废水处理方法有化学法、物理化学法和生物化学法等，实际应用中多采用生化与物化相结合的方法，但传统方法对于难生化降解的有机物处理效果不理想。

因此，研发处理PVA浆料废水的新工艺势在必行。郑辉东等[ 4 ]利用中空纤维膜对PVA浆料废水进行试验研究并分析了不同试验条件对处理效果的影响。研究表明，经中空纤维膜处理后的废水可达到中水标准。

2.2.3在生活污水处理中的应用

荷兰开展了处理能力为240m3/d的中试试验并取得成功，此后开始建造以中空纤维膜生物反应器（MBR）为主体的污水处理厂，处理能力为18000m3/d。

英国已建成四个MBR生活污水处理厂，德国已建成五家大规模MBR污水处理厂，另有两家污水处理厂已在规划中，其中一家使用膜面积总计88000m3，建成后将成为全世界最大的以MBR为主体工艺的污水处理厂[ 5 ]。

3 结论与展望

以中空纤维膜技术为核心的水处理工艺具有操作简易、能耗低、低压运行，装置占地面积小、出水水质好等优势，能够实现水资源的高效循环利用，具有较高的环境效益和经济效益。随着我国工业化进程的加速和水资源的日益短缺，污水和废水的资源化利用已成为可持续发展的重要手段。膜处理技术在水处理领域的应用必将越来越广泛。但将中空纤维膜技术广泛应用于水处理的各个领域还有待于进一步研究，随着膜分离技术和生物技术的发展，研发低成本、抗污染及适应性强的膜材料也将是未来的主要研究方向。

参考文献：

[1] 刘传生，李映，陈海燕.中空纤维膜的开发与应用进展[J].合成技术及应用，2014，29（2）：18-22.

[2] 刘锴，吴光夏，宋华等.聚砜中空纤维超滤膜动态法表面光接枝改性[J].环境污染治理技术与设备，2004，5（1）：32-35.

[3] 毛智明，曹义鸣，介兴明等.纤维素非对称中空纤维超滤膜的制备与油水分离应用的研究[J].石油化工，2010，39（7）：750-756.

[4] 中空纤维超滤膜回收PVA废水研究[J].福建化工，2004（1）.

[5] 李红兵，顾国维等.中空纤维膜生物反应器处理生活污水的特性[J].环境科学，1999，20（2）：53-56.