膜分离技术在污水处理中的应用

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摘 要：随着社会经济和化学工业的迅速发展，水污染问题也日益突出，引起人们的广泛关注。相比于传统的污水处理方法，膜分离技术由于具有操作简便、低能耗、有利于资源回收的巨大优势而倍受科学界和产业界关注。本文通过检索文献的方法探究了膜分离技术的基本原理与发展前景，分别介绍了微滤、超滤、纳滤、反渗透等技术，并以其应用实例体现了膜分离技术在污水处理中的优势所在，并结合薄膜的清洗和污染说明了其瓶颈。由此阐述说明充分开发、推广和应用膜分离技术的重要性。
关键词：污水处理;膜分离;膜污染
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）18-0014-02
0 引言
我国是世界上水污染最严重的国家之一，随着我国工业水平的不断发展，工业污水重金属及有害物质含量超标。水体富营养化以及城市生活中的污水不能得到完全的无害化处理已经引起全社会的日益重视。为改善我国水资源现状，加强污水处理措施成为必由之路。传统的污水处理方法有化学沉淀法，氧化还原法，蒸发浓缩法等，但其存在能耗大，处理效果不佳，高投资等缺点。与传统方法相比，膜分离法作为新型水处理技术，以高分子薄膜作为分离介质，更加高效、操作简单、能耗低且能够回收一定可用资源，不仅能够更好地处理污水，也完美符合循环经济的概念，是具有广阔发展前景的一种污水处理方法。
1 膜分离技术概述与分类
膜分离技术的传质原理是，由于待分离物的分子粒径不同，在通过半透膜时发生分离，从而实现液体或气体的高度分离纯化。针对不同的分离要求和所含杂质的成分，膜分离技术又可分为微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）等几类，其孔径由大至小直到无孔膜，在不同污水处理领域中都有广泛的应用。图1展示了几种膜分离技术的分离范围。
1.1 微滤（MF）膜分离
微滤是最常见的一种膜分离过程，由于微滤膜的孔径较大，在多级分离装置中，常作为预处理工艺进行使用。微滤膜孔径约为0.02微米至1.2微米，主要用于截留溶液中的大尺度胶体等悬浮颗粒或固体。
1.2 超滤（UF）膜分离
超滤的孔径尺寸介于微滤和纳滤之间，其滤膜孔径在0.05微米至1纳米之间，一般而言，其操作压力为0.1-0.5Mpa。超滤膜主要用于去除污水中的悬浮微粒、胶体、细菌病毒等大分子物质。
1.3 纳滤（NF）膜分离
纳滤是一种比超滤更为精细的膜分离过程，它的孔径极小，约为1nm至3nm。在多重过滤中纳滤的作用主要是用于过滤废水中的重金属离子和有机物。
1.4 反渗透（RO）膜分离
将相同液面高度的含有同一溶质的浓稀溶液分别置于半透膜两侧，稀溶液的溶剂将自动向浓溶液一侧渗透。此时，如果对浓溶液一侧施加压力，当压力大于渗透压时，溶剂将会向自然渗透方向相反方向移动，即从浓溶液一侧向稀溶液一侧渗透，从而在浓溶液一侧达到浓缩溶液的效果，而稀溶液则被进一步稀释。在实际中，反渗透膜常用于海水淡化，在低压侧得到淡水。然而，由于反渗透膜是半透无孔膜，其传质过程涉及溶解相关机理，因此对它的污染往往是不可逆的，在污水处理过程中，通常需要对经过反渗透膜处理的污水进行预处理。
2 膜分离技术的应用实例
图2展示了膜透过程原理。近年来，膜分离技术因其操作简单，减少能耗，能够回收有用资源，优化资源配置等特性获得了广泛的研究，新的工艺和应用场合被不断开发。以下笔者将从工业污水中的油田废水与城市污水两个角度出发，给出两个膜分离技术在污水处理中应用的实际案例。
2.1 在工业污水中的应用
在油田开采等石油化工过程中，常常需要处理含油废水，在这类废水中，分离难度最大的油质是乳化油。传统方法使用电解法破乳使油凝聚，除了能耗大以外，费用也较高。而超滤技术不需要破乳即可将油粒子分离。废水的油脂含量逐渐减少，最后去除量可达90%以上，达到排放标准。另一方面，随着油脂的浓度增加，油粒子的体积越来越大，逐渐凝聚成漂浮油，在撇油装置将其撇除后，经过进一步加工处理，可作为成品油向外出售。不仅保证了资源的循环利用，还提升了经济效益。
2.2 在城市生活污水中的应用
随着科技的不断发展，人们的生活水平也在不断提高，但用水需求的不断上升伴随着城市污水处理迫在眉睫。运用膜分离技术，可以更加高效便捷的处理城市生活污水。相比于其他处理方式，膜分离技术处理城市生活污水能更好的节省成本节约资源，达到资源二次利用的效果，依据不同的分离程度，得到各种不同用途的水资源。通过微滤、超滤、纳滤、反渗透等多级分离装置，膜分离技术能有效去除虫卵、溶解盐等杂质，减少水质浊度与色度。经处理的水可以用以补充地表水与地下水，也可用于农田灌溉、消防、绿化等。在美欧等发达国家，管道直饮水系统的建设为众多城市提供了安全可靠的饮用水源。可见使用膜分離技术处理城市生活污水，可以极大地帮助解决城市中水资源匮乏的问题。
3 膜分离技术的发展瓶颈
图3展示了膜分离装置。在实际中，膜分离技术的发展也遭遇了很多的限制和瓶颈，滤膜的污染和清洗问题就是其中之一。它指的是薄膜在使用的过程中通量逐渐减小从而需要频繁清洗，导致其操作成本增高的现象。
薄膜被污染的原因很多，其中具有典型性的包括：难溶物质或者凝胶附着在膜表面使得溶液无法通过，粒径小于孔径的颗粒在孔内聚集导致孔堵塞等等。清洗滤膜需要多次的酸碱化学清洗，缩短的清洗周期可能会损伤薄膜导致其使用寿命缩减，从而降低了经济效益。要使膜分离技术在污水处理领域进一步得到推广和商业化，膜的污染和清洗问题必须得到解决。
4 结语
随着社会经济的迅速发展，人们的生活水平得以提高的同时，对水污染等环保问题也越来越重视。相比传统的污水处理方式，膜分离技术因其分离效果好，操作简便，更有利于资源的循环利用和经济效益的提升等优点，作为新型水处理技术受到广泛关注。世界各国的许多科研机构与政府部门都致力于膜分离技术的开发和推广。膜分离技术在处理城市生活污水和工业废水等方面都发挥了重要的作用，其广阔的用途促进了这项技术的发展。但目前仍有一些困难限制着膜分离技术的发展，其局限性体现在严重的膜污染和频繁的清洗造成薄膜的性能变差，为此需要开发廉价简便的清洗方式。另外，膜分离技术在污水处理领域中，拦截效率较高的是有机大分子和重金属等，但污水中所含杂质种类繁多，对于酸碱类和含氨类废水的截留效果不理想。随着膜材质的改进，相信这些问题会逐渐得到解决，膜分离技术在污水处理中的应用前景将会更加广泛。
参考文献
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