膜技术在城市河道污染治理中的应用

李 江 ，管金鑫，于 杰

城市河道作为全球生态环境的重要组成部分，长期在人类的生存和发展中扮演着极其重要的角色。然而，随着经济社会发展，城市化进程加速，大量未经充分处理的工农业废水、生活污水直接排入城市河道，远超出河道的自净化能力，从而导致出现水体溶解氧下降、富营养化、水生生物群落简化、水体黑臭等状况。城市河道污染严重影响人与自然的可持续发展，威胁生态和人类生命安全。因此，城市污染河道治理迫在眉睫。高效易行的河道治理技术是推进河道治理的关键。膜分离技术作为一种新型的高效分离技术在水处理、海水淡化、石油化工等领域得到广泛应用，在城市河道污染治理方面崭露头角。

膜分离技术是一种新型且高效的分离技术，利用分离膜的选择性，在膜两侧推动力的作用下，实现待处理体系的分离、浓缩或纯化。超滤、微滤、纳滤和反渗透是水处理领域应用最广泛的膜技术，其截留示意图如图所示。根据待处理水体的水质和处理目标选择合适的膜过程。由于这4种膜过程属于严格的物理过程，因此被认为是“绿色”的分离技术。另外，基于疏水膜开发的膜工艺在特种废水处理中也有独到的优势。以下将从黑臭水体原位修复和污废水排放前净化两个角度，结合工作原理和应用实例浅谈膜分离技术在河道污染治理中的应用。

>膜过滤图谱

黑臭水体原位修复

河道水体中溶解氧DO 的含量是反映水质好坏的重要指标。当水体中DO 含量高时，水生生物生长正常，好氧菌群活跃，水质良好；反之，水生生物生长受限甚至消亡，好氧菌群简化，水体处于厌氧状态，出现黑臭现象。人工曝气复氧技术可以有效提高水体中DO 含量，充分发挥河道水体自净化功能。传统曝气技术主要包括鼓风曝气和机械曝气，虽已在水处理领域广泛使用，但仍存在能耗高、曝气效率低（氧利用率一般低于20%）等问题。分离膜具有孔径小、孔隙率高的优势，利用分离膜进行曝气，产生的气泡体积远远低于传统曝气技术所产生的气泡体积，极大提高了氧的传质效率。当气体压强低于分离膜的泡点时，气体透过膜进入水体几乎不产生气泡，即无泡曝气。利用分离膜进行无泡曝气，氧传质效率理论上可达100%。苏冬艳利用中空纤维疏水膜对河流污水进行曝气复氧实验，实验结果表明，膜曝气氧利用率达传统曝气技术的7～8 倍。另外，经膜曝气复氧后，水体DO 含量可稳定在较高水平，生物多样性逐步恢复，水质得到一定净化，黑臭现象明显改善。

微生物修复技术是指利用微生物对污染物较强的吸附和降解功能净化水体并逐步恢复水体自净能力的水处理技术，是当前河道污染治理的研究热点和主要技术手段。近年来，研究者将膜技术和微生物技术有机耦合，开发出一系列新型、高效的水处理技术，如膜曝气生物膜反应器（MABR）等。

MABR 是指一种利用透气膜进行曝气供氧的污水生物处理工艺。一方面，利用中空纤维疏水膜曝气可以实现无泡曝气，提高氧利用率；另一方面，中空纤维膜具有高比表面积的优势，是生物膜附着生长的良好载体。MABR 工艺的主要特点有无泡曝气、异向传质和分层结构。无泡曝气的特点已在上文阐述。异向传质是指氧气透过膜进入生物膜而污染物则从生物膜的外侧向生物膜内部传递。基于此，氧气浓度在中空纤维膜外表面最高并且随着向外传递而逐步降低，而污染物的分布则恰恰相反。正是由于氧气和污染物异向传质的存在，膜表面的生物膜形成显著的分层结构。由于膜表面处氧浓度最高，在此形成好氧层，随着氧浓度的逐步降低，分别形成兼氧层和厌氧层。这种独特的分层结构赋予MABR 诸多优势，如可实现同步硝化反硝化，污泥量少等。

天津大学李保安团队开发了基于MABR 技术的强化耦合生物膜反应区水处理技术，并成功将其应用于城市河道治理。例如，根据天津华苑再生水景观河污染现状，开发了适合于河道治理用的水草式MABR 曝气膜组件和浮动式MABR 河道水体修复系统。系统运行期间，河道水体的自净能力显著提升，水质状况得到显著改善，无藻类水华现象发生。该项研究为推广MABR 技术在河道污染水体修复中的应用奠定了良好基础。

污废水排放前的净化

以上介绍的技术均属于先污染后治理的范畴，要从根本上实现河道水体的净化，还需加强污染源头的治理。MBR及其改进工艺具有出水水质好、占地面积小、易于集成且自动化程度高等优势，非常适合城市污水处理。吴趸等开发了耦合沸石吸附的一体式Z-MBR 工艺用于城市景观水处理。该工艺对化学需氧量、氨氮、总氮的去除优于传统活性污泥法。在景观湖泊和河流旁边修建一体式Z-MBR 水处理站，有望修复城市景观水体。在杭州徐家河河岸污水处理项目中，工程师整合、截留、合并了河流沿线10个排污口，利用MBR 工艺对污水进行集中处理，使污水达到一级A 标准后再排放，改善了河道水质。此外，膜技术在河流碱水淡化方面的应用也早有报道。由于沿途大量的盐溶解和水库导致的水蒸发以及高盐度水的排放，美国科罗拉多河盐含量达800 ～1200 mg/L，从而损害了河流下游的农作物生长。为此，美国政府建成了基于蒸馏法和反渗透法的Yuma 脱盐工厂，将近400×103m3/d 的高盐度河水引入脱盐工厂进行淡化处理。经反渗透处理后的水含盐量约285 mg/L，低盐度水经管道输送回科罗拉多河与未处理河水混合。此项工程可显著降低河流下游的盐含量，大大改善了河流及沿河地区的生态环境。

结论与展望

河道黑臭水体原位修复是我国现阶段河道治理的迫切需求，基于中空纤维疏水膜技术的无泡曝气复氧技术和MABR 技术可有效改善受污染河道水质，恢复水体自净功能。另外，以MBR 为主体的膜工艺可从河道污染源去除污染物，从根本上杜绝河道污染的发生。

膜技术在受污染河道治理中的应用在我国尚处起步阶段，应以MABR 和MBR 为技术主体，结合我国河道污染现状建立示范工程，为推广膜技术在河道治理中的应用提供技术保障。另外，高性能的分离膜是实现高效膜过程的核心，结合河道治理过程的实际需求，开发综合性能优良、性价比高的膜材料是实现膜技术在河道治理中规模化应用的迫切需求，也是未来的研究热点。同时，新型膜工艺的开发也是未来的重点研究方向之一。