纳滤水处理技术研究进展

郭敏俊，屈撑囤，车晓军

(西安石油大学陕西省油气田环境污染控制与储层保护重点实验室，陕西　西安　710065)



纳滤水处理技术研究进展

郭敏俊，屈撑囤，车晓军

(西安石油大学陕西省油气田环境污染控制与储层保护重点实验室，陕西西安710065)

纳滤膜是20世纪80年代研发一种新型分离膜，以压力驱动的荷电纳滤膜对水中二价离子和多价离子具有很好的分离效果。文中概括总结了纳滤方法在水处理中的应用现状和发展趋势。研究得出：纳滤膜可在外加压力下脱出溶液中的无机盐和大分子物质，此外，纳滤膜还可以较好的截留总溶解固体、有机物、色度等多项指标，使处理后的水质满足排放要求甚至达到回用标准。

纳滤；水处理；回用

目前水资源的严重匮乏和污染已经严重影响到人民的日常生活，而且随着科技的发展，新型技术和材料的应用使得工业污水的处理难度大大增加，因此开发高效、清洁的水处理技术尤为重要。纳滤(Nanofiltration, NF)是一种介于超滤膜(UF)和反渗透膜(RO)之间的一种新型膜分离技术，其孔径范围在纳米级，纳滤膜截留分子量为200～2000 Da[1]。纳滤膜通常表面带负电荷，对不同电荷和价态的离子具有相应不同的Donan电位[2]。纳滤膜表面分离层是由聚电解质构成的，且表面带有一定的电荷，作用机理主要是通过静电相互作用阻碍多价离子的渗透，使纳滤膜在较低的压力下仍可以有较高的脱盐性。纳滤膜属于压力驱动膜，推动力主要是压力差，是介于孔流机理和溶解-扩散机理之间的过渡态，其传质机理一般被认为是溶解—扩散方式[3]。

1　纳滤膜的特征

2　膜分离技术的分类及其基本特性

工业废水处理中常见的膜分离技术主要有电渗析、反渗透、超滤、纳滤、微滤、膜蒸馏、液膜技术等[6]。一些常规的膜分离技术对比见表1。

表1　膜分离技术的分类及其基本特性Table 1　Membrane separation technique’s classification and their characteristics

3　纳滤膜分离技术的应用

纳滤膜分离技术的应用在中国起步较晚，最近十多年才得到广泛发展应用。纳滤膜特殊的传质分离特性使其被广泛应用于水处理领域，主要表现为以下三个方面：①分离水中不同价态离子；②对一价离子截留率要求不高、对二价离子或高价离子截留率较高的水处理；③分离回收部分有机物。纳滤技术广泛应用于食品、医药、化工和水处理等多个领域。主要用于高含盐水处理中的脱盐软化、生活污水的深度处理、饮用水的预处理以及食品饮料浓缩回收等行业。纳滤膜可在较低的外加压力下脱除溶液中的大部分高价离子无机盐和部分大分子有机物，从而降低有机物和总溶解固体含量，从而降低电导率和色度等指标，使处理后的水质满足该行业的国家许可排放标准甚至达到回用要求[7]。

3.1金属加工和电镀行业

在金属加工等工业中，清洗水中往往含有较高浓度的Hg2+、Cu2+、Cd2+、Ni2+、Cr6+等重金属离子，应用纳滤分离技术可回收这些重金属离子，并具有较高的回收率[8]。银玉容等[9]用抗污染超滤膜(聚偏氟乙烯合金膜)、高压纳滤膜(聚芳香酰胺膜)处理含Cu2+、Cr6+、Ni2+等重金属离子的电镀废水，将电镀废水经预处理达到进膜要求后通过抗污染膜超滤、高压纳滤，实验表明采用抗污染膜超滤—纳滤多级膜处理后 Cr6+去除率高达90%以上，电镀废水可达电镀清洗水标准。

3.2纺织印染行业

在纺织印染废水处理中，传统的臭氧化法耗水量大，时间长，可用纳滤膜水处理技术替代。研究表明，纳滤膜可去除纺织废水中90%以上的COD和色度，使处理后的水满足回用标准，重新用于染色。Sahinkaya等[10]对牛仔布纺织废水的回用实验表明，该废水经过活性污泥反应器后，对水中的COD及色度具有明显的去除效果，但水质仍远远达不到回用标准，在后续工艺加入纳滤过程后，COD去除率达90%左右，出水电导率由降至1.98～2.67 mS/cm，色度低于10度(铂-钴色度法)，出水水质达到回用标准。

3.3食品加工行业

食品加工行业产生的废水一般含有高浓度糖类、蛋白质[11]，因此需要对这类废水中的有机物进行回收。刘红梅等[12]用微滤膜和纳滤膜多级膜联合处理技术对黄姜废水进行处理，结果表明：可从废水中提取出纯度为85%～90%的葡萄糖溶液，COD从82000 mg/L降至4000 mg/L，进一步生化处理便可满足排放标准。纳滤膜允许部分一价离子通过，对高价离子和小分子有机物具有较高的截留率的特点可在一定程度上将食品加工废水中的可用有机物与盐分离，达到回收的目的。

3.4化工行业

纳滤技术还能应用于一些特殊的化学工业废水中。陕西金堆城钼业钼酸铵生产改造项目中利用纳滤膜和反渗透膜多级膜联合处理技术处理钼酸铵废水，废水中钼离子去除率高达90%以上，使废水满足回用标准，此外还可以从浓缩水中回收钼离子[13]。纳滤技术在大豆异黄酮洗脱液浓缩中的应用研究表明[14]：在 35 ℃、2.5 MPa下，废水经M8-10纳滤膜处理后，，原料液中固形物含量从1.82%浓缩至11%，大豆异黄酮洗脱液中85%的乙醇溶液被分离出来。纳滤膜可以再生反复使用，实验运行周期为10 h，用无水乙醇清洗纳滤膜组件1 h，膜通量基本能恢复到初始通量。因此纳滤膜水处理技术运行温度较低，物料浓缩时间短，尤其适合热敏性物料的浓缩。

3.5海水淡化

3.6含盐废水处理

3.6.1苦咸水脱盐

在苦咸水脱盐方面，孟祥超[22]等采用美国GE公司的DL1812C纳滤膜，以天津塘沽区某湖湖水(属于高浓度苦咸水)为研究对象，苦咸水经保安过滤器、活性炭过滤器及超滤膜预处理后，符合纳滤膜进水水质要求。实验结果表明：(1)纳滤膜最佳操作压力为0.6 MPa；(2)温度宜控制在20 ℃左右，以保证产水通量和离子去除率；(3)纳滤膜运行周期为12 h；(4)纳滤膜对不同价态离子的去除效果不同，对高价离子的去除率明显高于一价离子。纳滤膜对苦咸水中的Ca2+、Mg2+、Cl-的去除率分别为90%、78%、44%；(5)纳滤膜的酸洗效果远好于碱洗，酸洗可去除膜表面的无机盐离子和部分结垢且不会损坏纳滤膜。

3.6.2盐湖卤水

盐湖富含总量巨大的锂、钾、镁、硼等无机盐资源，盐湖卤水属于多组分系统，组成复杂。卤水中的无机盐大多以一价或者二价离子形式存在，纳滤膜对其中二价和高价离子截留率一般高于90%，对一价离子截留率一般低于50%[23]，从而可分离盐湖中的一价离子与二价离子。

3.7生活污水深度处理

纳滤膜不仅能够去除无机盐，也能够去除悬浮物、部分小分子有机物、细菌等。

3.7.1污水厂出水深度处理

污水厂经常规的污水处理后往往达不到回用标准，与纳滤技术联合使用往往能提高污水处理效果。吴琳琳等[24]采用纳滤处理技术深度处理污水厂二级出水，污水经臭氧氧化、土壤生化处理后满足纳滤进水水质要求，纳滤膜对溶解性有机碳、UVA254与电导率的去除率分别为 72%～83%，75%～84%，40%～50%；出水溶解性有机碳质量浓度低于1 mg/L。李清雪等[25]采用纳滤处理技术深度处理邯郸市某污水厂二级出水，污水经微滤、活性炭吸附后满足纳滤进水水质要求，纳滤膜对 CODMn，TOC，UVA254平均去除率分别达到 42.09%，69.54% 和78.53%。Chon Kangmin等[26]以 MBR/NF组合工艺处理城市污水处理厂二级处理水，纳滤膜对电导率、溶解性有机物、总磷、总氮的平均去除率分别达到60%、94%、76%、92%。

3.7.2饮用水深度处理

目前，自来水厂一般采用氯气对常规处理工艺出水杀菌消毒，虽能去除大部分有机物，但是余氯残留较大，对人体有害。Peltier等[27]对1999-2003年间纳滤系统对供水的影响进行了调查，结果表明：采用纳滤处理技术，系统出水中的DOC 降低到平均0.7 mg/L，出水余氯的含量由0.35 mg/L 减少到0.1 mg/L，采用纳滤系统后管网中三卤甲烷的形成减少了 50%，此外，生物降解型溶解有机碳(BCOD)也大幅度减少，提高了产水的生物稳定性。Escobar等[28]对南佛罗里达州某日处理量为30000 m3/d 的水厂进行了近一年的研究，该厂采用纳滤膜法处理出水，研究表明，纳滤膜对BCOD的去除率高达97%，去除效果不受BCOD 浓度和水质变化的影响。吕建国等[29]采用NF4040-90型纳滤膜来淡化处理高氟苦咸水，研究表明，出水氟离子浓度小于0.11 mg/L，氟去除率高达90%以上，出水水质符合国家生活饮用水卫生标准6(GB 5749-2006)，且制水成本较低，运行状况良好。

4　结　论

此外，纳滤技术还广泛应用于垃圾渗滤液、医药废水、淋浴水，石油废水等行业。但是膜分离过程中膜污染问题和膜成本问题极大地限制了膜技术的发展。因此，在进行纳滤深度处理高含盐污水时，需谨慎选择合适的纳滤膜，选择合适的运行周期来避免纳滤膜的堵塞。此外，分析膜的污染原因并选择适当的清洗周期和清洗方式也是减少膜污染的有效办法。此外，合适有效预处理技术也是预防膜污染的有效方法之一。

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Research Progress on the Nanofiltration Water Treatment Technology

GUO Min-jun, QU Cheng-tun, CHE Xiao-jun

(Shaanxi Oil and Gas Pollution Control and Reservoir Protection Key Laboratory,Xi’anShiyouUniversity,ShaanxiXi’an710065,China)

Nanofiltration membrane is a new type of separating membrane developed in the 1980s, nanofiltration membrane is drive by pressure and has better performance of separation for bivalent ions and multivalent ions in water. The development trend and present application situation of nanofiltration method in water treatment were summarized .The studies showed that nanofiltration membrane can emerge inorganic salt and macromolecular material under the pressure, total dissolved solids, organic matter and colority, and so on, it also had good intercept effect, made the treated water quality meet the emission requirements even reuse standard.

Nanofiltration; water treatment; reuse

郭敏俊(1989-)，男，在读研究生，2013年毕业于华中科技大学武昌分校环境工程专业，现在西安石油大学攻读硕士，研究方向：节能与环保技术。

屈撑囤(1964-)，男，教授，博士学位，研究方向:油气田环境保护。

X703

A

1001-9677(2016)013-0034-04