膜分离技术在水处理中的研究热点与进展

2020-12-26马平安赵海亮崔红军周晓娟

安徽化工 2020年5期

张博，马平安，邓蕾，赵海亮，崔红军，周晓娟

（1.西安水务（集团）规划设计研究院有限公司，陕西西安710082；2.西安建筑科技大学建筑设计研究院，陕西西安710055）

水资源短缺和水环境污染是全球面临的两个重大环境问题。膜分离技术因操作简单、能耗低、效率高等优点而受到广泛关注[1-2]。在我国水环境污染的严峻形势下水处理技术显得尤为重要。膜分离技术的理论研究和工程应用，更是符合可持续发展战略的规划要求。本文综述了目前国内外膜分离技术的研究进展，探讨了膜分离技术的发展趋势和热点，以期为今后膜分离技术的绿色化可持续发展提出新的理念。

1 膜分离技术原理和特征

膜分离技术的主要原理是利用特殊材料的膜，外加动力，实现水中的小分子、固体颗粒等的分离。膜分离技术兼有分离、浓缩、纯化和精制功能，而且具有高效、节能、环保、分子级过滤以及过滤过程简单、易于控制等特性。膜分离技术与萃取、脱色等传统的分离技术相比，具备效率高、能量消耗低、易操作、无相变且可回收、零污染等优点[3]。膜按照孔径大小分为微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）和反渗透膜（RO）四种形式。各类膜在水处理领域有广泛研究和应用。

2 膜分离技术在净水处理的应用

以膜技术为核心的第三代水处理技术正在成为解决水环境安全问题的有力武器。目前国内以上海、深圳等沿海地区率先开展膜技术在净水中的应用[4]。如上海青浦第三水厂采用高效沉淀、臭氧生物活性炭与超滤膜组合工艺处理黄浦江上游微污染原水，该工艺确保出厂水浊度＜0.1 NTU，耗氧量＜1.5 mg/L，氨氮＜0.2 mg/L，处理效果稳定，供水安全性高[5]。2019年，深圳盐田区建成市首个自来水直饮示范区，采用臭氧-活性炭、超滤膜等深度处理工艺，提高出厂水水质，实现自来水直饮全覆盖。西北地区也有膜水厂的应用，由我院设计的延安引黄工程东川水厂，设计能力为6万m3/d，系省内首座以超滤膜系统为核心的第三代水处理工艺净水厂，处理建构筑物组（叠）合设计，减少填方，节约用地，高效降耗，于2018年6月通水。

膜技术在自来水厂改造上也有应用，尤其是用地紧张的老旧水厂改造有一定前景。江西九江市罗桥水厂采用浸没式超滤膜工艺，将原有产水量为1万m3/d的砂滤池原位改造成产水量为2.0万m3/d的虹吸超滤膜滤池，提高了水量和水质，并未占新地，实现低液位差虹吸产水，且产水不用水泵抽吸，系统运行稳定，能耗低[6]。该项目运行良好，膜通量大，截留精度高，为今后自来水厂的提标改造提供了工程应用实例。

在当今水资源短缺的背景下，膜技术在微咸水软化和海水淡化中的应用前景广阔。正渗透（FO，Forward Osmosis）是一种新兴的海水淡化技术，利用半透膜上的渗透压梯度，可从多种水源中生产淡水[7]。萃取液是FO工艺的重要组成部分，理想的提取液具有高渗压、低反通量和易再生等。Zhao D等[8]开发了几种多功能的FO萃取液，提高FO的通量，探索简便的再浓缩方法。Xue W等[9]以合成海水为萃取液，研究了FO浓缩的性能。废水中溶解的有机碳、磷酸盐和氨分别浓缩了2.3倍、2.3倍和2.1倍。污染物在进料侧保留大于80%，排出的渗透水水质提高。另外也有用组合膜系统对海水淡化预处理的研究，Song Y等[10]将UF和NF组装成集成膜系统（IMS）作为海水反渗透的预处理系统。结果表明，分子量截留小于20 kDa的超滤膜可以实现NF膜的高软化效率。采用UF2作为预处理工艺的NF系统的通量高，达到了61.4 L/(m2·h)，最佳工况为：工作压力为1.5 MPa，错流速度为0.035 m/s，进料温度为12.5℃。在此工况下，对Ca2+，Mg2+，SO42-的截留率分别为44.37%，73.26%和99.82%。

总之，膜分离技术属第三代净水处理工艺，可提高供水水质，尤其在自来水厂提标改造中具有应用前景，同时对于海水淡化和微咸水软化处理上研究颇多，具有广泛的研究空间。

3 膜分离技术在废水处理中的应用

膜分离技术在废水处理中有也有广阔用途，膜技术在废水处理中通常与生物处理技术等相结合。Safa M等[11]研究了MBR处理含油废水，当温度、pH值和溶解氧分别保持在20℃～25℃，6.5～7.5和2～3.5 mg/L时TPH（总石油烃）与COD的比值在0.2～0.8之间变化。当TPH/COD=0.6和HRT=24 h时，TPH去除率达到99%。Clara M等[12]研究了MBR对8种药物、2种多环麝香香料和9种内分泌干扰物的去除进行了分析，结果表明，抗癫痫药物如卡马西平几乎未去除；其他化合物如双酚A、止痛布洛芬或降脂药苯扎贝特去除率均大于90%。

膜技术不仅可以处理废水中的特征污染物，同时也可分离和回用废水中的重金属及其他物质。Qdais H A等[13]研究RO和NF技术在处理含Cu2+和Cd2+废水中的应用，RO工艺对Cu2+和Cd2+去除率分别为98%和99%，NF能够去除90%以上的Cu2+。Cheryan M等[14]研究了膜在处理油水乳状液中的应用，可用于回收水性清洁剂和机加工冷却液。Humpert Daniel等[15]研究膜技术对木质素的回收，可将木质素浓度从62 g/L升高到285 g/L，大大提高了木质素纯度。Shizhan Wang[16]发明了一种基于膜技术的酸废液净化回收方法，通过膜过滤分离系统过滤、分离、纯化到总产液和浓缩液中，浓缩后可直接回用于生产。

膜技术组合工艺的研究也是研究方向之一。Marcucci M等[17]对纺织废水深度处理进行研究，以砂滤+MF（或UF）膜工艺+NF（或RO）膜进行分离处理，并进行初步经济分析，结果表明，膜技术可用于纺织废水的回用，实现工业规模转化。

总之，膜分离技术在废水处理中的研究主要集中在膜分离技术与其他相关工艺组合，开发新型的膜分离工艺，减缓膜污染和膜堵塞问题，如将不同的膜技术进行组合使用，或者与常规的水处理技术联合使用，可提高处理效果，降低处理成本。

4 膜分离技术在其他领域的应用

膜分离技术在生物医学和食品等领域也有广泛的应用，对其研究更是方兴未艾。如Zhang L等[18]研究了膜分离技术在川芎茶调颗粒提取工艺中的应用，采用单因素法筛选最佳膜类型为SMN-130A2350054，最佳压力为1.7 MPa，最佳温度为36℃，最佳洗涤剂为1%聚磷酸钠。Chen Jianfeng[19]开发出一种制备西索米星的膜分离工艺，通过超滤膜净化去除含西索米星原料中的蛋白质、多糖等大分子杂质，纳米膜分离脱盐，减压浓缩回收溶剂，真空浓缩干燥得到西索米星粗品。膜技术果汁和葡萄酒产品也有广泛应用，主要在产品的分离纯化、澄清、稳定、浓缩和脱醇等方面发挥着重要作用[20-21]。

总之，在其他行业，超滤和微滤膜技术主要用于过滤，纳滤和反渗透主要用于浓缩。但是膜污染是个制约因素，果胶及其衍生物在膜表面形成凝胶状结构，从而降低渗透通量，因此目前重点是利用酶固定化技术，提高过滤性能和操作方法，以减少污染。

5 膜分离技术的研究热点

膜分离技术的研究热点是对新型膜材料的研究和膜污染的控制研究，以期改善膜性能，延长膜使用寿命，保证出水水质，从而推动膜技术在净水处理中的发展。

膜材料的研究主要集中在高效新型复合型膜的构建上，以期获得亲水性、防污性、高通量、高排斥性能的膜材料。新型材料包括碳纳米管（CNTs）结构碳材料、氧化石墨烯膜材料等，如CQDs（Arbon Quantum Dots）纳米结构碳材料其制备工艺简单、成本低廉，同时具备良好的物理化学性质，在各种膜设计中均有应用[22]。Wei Y等[23]研究石墨烯基材料（Graphene Oxide），对GO膜和传统分离膜进行了比较和讨论，并对分子动力学模拟结果与GO膜的应用进行了比较。Kar S等[24]研究碳纳米管（CNTs）等纳米结构膜材料，认为碳纳米管作为一种新兴的净水技术，对于去除水中重金属和有毒物质极具潜力。Kim J等[25]利用纳米催化剂制备了陶瓷膜，研究了纳米催化剂对陶瓷膜性能的协同作用，结果显示，新膜材料可减少污染，改善渗透质量和提高通量。

膜污染的控制主要研究膜的污染机理和减缓膜污染的措施，促使膜技术的优势与作用能够高效发挥。膜污染机理主要是由于浓差极化、表面结垢和膜孔堵塞等因素造成[26-27]，目前主要是通过试验和建立模型进行机理研究。如李伟英等[28]研究微絮凝—金属膜组合工艺对微污染水源水进行处理，采用膜比通量，并且结合EDS、SEM等微观表征以及动态膜污染数学模型等方法，对微絮凝—金属膜组合工艺在处理微污染水源水时的膜运行方式以及膜污染机理进行深入探究，研究结果可为金属膜的实际应用提供具有参考价值的理论依据和技术指导。Shirazi S等[29]分析了浓差极化和无机污染的机理和模型，考查了操作参数和膜性能对膜表面无机垢形成的影响。Wang Z等[30]对MBR中膜表面形成的膜污染和凝胶层进行了系统的表征，研究表明，凝胶层是由Mg、Al、Fe、Ca、Si等无机元素和有机物共同作用形成的，有机物与无机沉淀相结合，促进了凝胶层的形成，导致膜生物反应器中的膜污染。

膜污染的清洗也是研究方向之一。Rodriguez J J等[31]研究发现，KMnO4与NaOH是最佳的清洗剂，KMnO4最佳清洗浓度为1 g/L。不同材质的膜和不同处理对象的最佳清洗方式不尽相同，应试验后进一步确定，通常组合药剂清洗效果更好。