膜技术在水处理中的应用研究
（徐州工程学院 江苏徐州 221018）
摘要：膜技术作为一种先进的分离技术，在水处理领域展现出广阔的应用前景。在水处理中，膜技术通过其独特的分离机制，能够高效去除水中的悬浮物、胶体、细菌、病毒及部分溶解性有机物等杂质，显著提升水质。在海水淡化领域，反渗透膜技术凭借其高效、低能耗的特点，成为海水淡化的主流技术。
关键词： 膜技术；水处理；海水淡化；反渗透膜
1.引言
1.1 膜技术的发展历程
膜技术作为一种先进的分离技术，起源于20世纪初，随着科技的持续进步而不断发展。从最初的简单过滤膜到现代的高性能分离膜，其发展历程经历了数次革命性的变革。这些变革不仅体现在膜材料的创新与改进上，还包括制备工艺的完善和膜组件设计的优化等方面。
在膜技术的发展初期，主要关注的是膜的过滤性能，用于简单的固液分离。随着研究的深入，人们开始探索更多种类的膜材料和制备技术，以满足不同领域对分离精度和效率的需求。这促使了膜技术向更高性能、更多功能的方向发展。
进入21世纪后，膜技术继续保持着快速发展的势头。新型膜材料的不断涌现和制备工艺的持续改进，使得膜的性能得到了进一步提升。同时，随着环保意识的日益增强和水资源短缺问题的加剧，膜技术在水处理领域的应用也受到了越来越多的关注。如今，膜技术已成为解决全球水资源危机的重要手段之一。
膜技术的发展历程是一个不断创新、不断完善的过程。随着科技的不断进步和应用需求的不断增长，我们有理由相信，膜技术将在未来发挥更加重要的作用，为人类的可持续发展做出更大的贡献。
1.2膜原理
膜技术是一种基于膜的分离技术，利用膜的半透性实现物质的选择性传输和分离。膜原理是根据溶质的大小、形状、电荷以及溶剂与膜的相互作用，溶质在膜上发生不同方式的传输，从而实现分离和纯化[1]。膜原理主要有4种。
一是微滤。微滤使用微滤膜，其孔径相对较大，可截留大部分细菌、悬浮物和泥沙等，但允许水和较小颗粒通过。微滤膜广泛应用于饮用水预处理，以去除大颗粒悬浮物和细菌，保护后续膜工艺不受污染。
二是超滤。超滤是利用半透膜的微孔结构，以一定的外界压强（0.1～0.5 MPa）为推动力，实现对物质的选择性分离与回收。在污水处理中，超滤主要用于大分子污染物和胶体污染物的分离与回收。
三是反渗透。在反渗透过程中，对水或其他溶液施加高压，使其反渗透穿过孔径极小的半透膜。膜的孔径大小只允许水分子通过，而盐、重金属和有机物等粒径较大的溶质则被阻隔在膜的一侧。这样可以从海水或污水中去除盐分和污染物，实现海水淡化和废水处理。
四是电渗析。电渗析使用特殊的电渗析膜，利用电场效应实现对离子的选择性传输。在电渗析过程中，正负两极的电场会促使离子在膜上的传输，使得离子选择性地从一个腔室转移到另一个腔室，实现离子的分离和去除[2]。
2.膜技术在水处理中的应用
2.1 去除有机物
天然有机质（NOM）是一种复杂的有机物质，存在于地下水和地表水中。虽然它是无毒的，但NOM的存在会通过改变水的颜色、气味和味道来降低饮用水的质量。它可以在水生态系统中作为有毒有机和无机化合物（如农药和放射性核素）的转运体。黄腐酸和疏水腐植酸是NOM的主要成分，这些化合物可与重金属形成强配合物，形成有机金属配合物，在运输能力、生物利用度和毒性方面都会增加，从而危害人类健康。因此，在水处理过程中去除NOM至关重要。
氯化是常规的消毒处理方法之一，但氯与NOM的相互作用形成了一系列人类致癌成分，包括可吸附的有机卤化物、三卤甲烷、卤化乙酸、卤化醛、酮类、卤化乙腈、胺和其他消毒副产物（DBP）。膜不仅可以去除这些副产物，还可以去除NOM。然而，由于在1nm～0.45μm的范围内NOM的分子尺寸分布变化很大，因此去除效率取决于所使用的膜的性质。研究发现，纳滤膜和紧密超滤膜可达到初始消毒的作用和广泛去除NOM。纳滤膜已被用于小型社区的饮用水生产，能够去除病原体、消毒副产物及其前体。
通过反渗透去除NOM也减少了维持配水系统中余氯浓度所需的氯用量，因为水体中的生物活性降低了,这受到地表水中的高浓度胶体和悬浮物的限制。微滤膜和超滤膜能够去除胶体、离子和非离子有机化合物，适用于去除 NOM 和高分子量DBP前体。目前膜处理集成系统应主要用于去除水体中的中、低分子量化合物。例如，超滤膜模块由致密膜组成，或者采用混凝、吸附或氧化过程的微滤膜/超滤膜混合系统，用于去除水中的腐殖质。药物活性化合物（PhACs）和内分泌干扰化合物（EDCs）是自然水体中常见的人为微污染物。EDCs 还可以通过工业和城市污水排放进入环境。活性炭吸附或高级氧化工艺（AOPs）通常用于这类微污染物的处理。但是，当给水中NOM含量较高时，由于运行成本的增加，先前提出的技术不具有吸引力。此外，通过 AOPs可以形成未定义生物活性的副产物。因此，压力驱动膜系统似乎更适合使用。EDCs可采用纳滤膜或微滤膜/超滤膜集成系统处理，去除率可达90%以上。研究表明，微滤膜和超滤膜去除EDC是基于疏水吸附和尺寸排除机制，采用混合纳滤-AOPs系统用于去除废水处理厂 中的各种 PhACs。由于纳滤和AOPs的协同作用，这些污染物被完全去除[3]。
膜生物反应器（MBR）也被用于去除废水中的药物。观察到 MBR的停留时间越长，对PhACs和EDCs的生物降解和去除效果越好。塑料的生产，特别是聚氯乙烯，已经导致邻苯二甲酸盐在环境中的存在。对一系列反渗透、纳滤和超滤系统对水中邻苯二甲酸盐的去除率进行了评估，发现去除率在97.6%至近99.9%之间。以上讨论的大多数污染物即使在微量浓度下也会对水生生物造成直接影响，这引起了公众的关注，特别是对水的再利用的工艺选择。
2.2 去除无机物
海水淡化是一种去除矿物成分的过程，通常用于从海水和微咸地下水中获得饮用水。反渗透技术已被视为一种与传统蒸馏技术相竞争的系统。反渗透前须有预处理系统，以确保渗透水符合标准的水质。原水的预处理对于避免膜污染、延长膜的使用寿命至关重要。一种更简单的膜过滤系统可以用于地下水，因为地下水通常比地表水更清洁。地表水可能含有各种类型和高浓度的污染物，所以需要更复杂的反渗透水处理系统，包括混凝和吸附。微滤膜和超滤膜被认为是脱盐前最合适的预处理系统，可以去除悬浮物、一些有机化合物和微生物污染。
与化学软化法和离子交换法相比，纳滤法因其较低的人工和操作成本而被广泛用作水软化的替代方案。硬水是指矿物质含量高的水源，会导致结垢。纳滤对硬度的去除率约为90%，这与所用膜的类型及其操作条件有很大的关系[4]。
水资源中硝酸盐的污染已经变得非常严重，它可能来自工业废水的排放或农业使用的氮肥。饮用水中硝酸盐的最大允许浓度已设定在50mg/L。反渗透技术已被用于处理南非农村地区的钻孔水，处理后水中硝酸盐氮从42.5mg/L降至仅 0.9mg/L。此外，反渗透的处理成本与离子交换和电渗析系统的成本相当。
由于工业化和城市化进程的迅猛发展，水源中可能存在铁、汞、砷、铬、铜和铅等重金属污染物。在许多情况下，混合压力驱动膜和传统的水处理系统被认为是一种有吸引力的替代方案，有利于环境保护和处理过程的经济性。采用压力驱动的混合空气氧化和微滤系统去除地下水中的铁,特别是当铁含量很高时。 为了降低饮用水中砷的含量，可以采用反渗透/超滤混合混凝法。反渗透膜能去除地下水中99%的砷。纳滤膜也用于砷的去除，发现纳滤除砷的机理，主要取决于处理溶液中存在的离子与膜面电荷之间的静电斥力。
3.膜技术在海水淡化中的应用
3.1 海水淡化的重要性
1. 开源增量技术：海水淡化能够增加淡水总量，是一种不受时空和气候影响的水资源利用技术。
2. 水质保障：淡化海水的水质好，可以达到甚至优于生活饮用水卫生标准，能够保障沿海居民的饮用水安全。
3. 经济可行性：随着技术的进步，海水淡化成本逐渐降低，在某些地区已经接近或低于自来水的价格。
3.2 膜技术在海水淡化中的应用及优势
膜技术在海水淡化领域的应用已逐渐展现出其独特的优势。与传统的海水淡化方法相比，膜技术如反渗透膜能够更有效地去除海水中的盐分和其他杂质，从而生产出高质量的淡水。此外，膜技术还具有能耗低、环境污染小、操作简便及占地面积小等优点，使得其在海水淡化领域具有广阔的应用前景。
在实际应用中，反渗透膜技术已成为海水淡化的主流技术之一。通过特定的半透膜，反渗透技术能够利用压力差将海水中的盐分和杂质截留在膜的一侧，而纯净的水分子则通过膜孔渗透到另一侧。这一过程无需加热或相变，因此能耗相对较低。同时，由于反渗透膜的精密孔径控制，其能够有效去除海水中的各种有害物质，保证出水的水质安全。
除了反渗透技术外，其他膜技术如纳滤和超滤也在海水淡化中得到了应用。这些技术虽然去除盐分的效果可能不如反渗透技术，但在预处理和后续处理中具有重要作用。例如，超滤技术可以用于去除海水中的悬浮物、胶体和有机物等杂质，为后续的反渗透处理提供更佳的进水条件。
3.3 海水淡化中膜技术的创新与改进
随着膜技术在海水淡化中的广泛应用，针对海水淡化过程中遇到的挑战，研究者们不断进行技术创新和改进。这些创新和改进旨在提高膜技术的性能、降低成本并减少环境影响。
优化膜组件的设计和制备工艺也是当前的研究热点。通过改进膜的结构、孔径分布和表面性质，可以提高膜的通量和截留性能。此外，研究者们还在探索新型的膜操作模式，如振动膜、旋转膜等，以进一步提高海水淡化的效率。
3.4 膜技术在海水淡化中的关键作用
膜技术在海水淡化领域的应用已经取得了显著的成效，尤其是反渗透膜技术，已经成为当前海水淡化的主流技术。反渗透膜以其独特的分离机制，能够有效地去除海水中的盐分和溶解性有机物，从而生产出符合饮用水标准或工业用水标准的淡化水。
在海水淡化过程中，反渗透膜的选择性分离作用发挥得淋漓尽致。在压力差的推动下，海水通过反渗透膜时，盐分和大部分溶解性有机物由于分子尺寸较大，无法穿过膜的微孔，因此被截留在膜的一侧。而水分子则能够顺利通过膜孔，进入另一侧，从而实现了海水与盐分的有效分离。这种分离过程不仅高效，而且能耗相对较低，使得反渗透膜技术在海水淡化领域具有广阔的应用前景。
除了处理效果好之外，反渗透膜技术还具有运行稳定、占地面积小等优点。这使得反渗透膜技术不仅适用于大型海水淡化项目，也适用于小型或分散式的海水淡化需求。同时，随着膜材料的不断改进和制备工艺的优化，反渗透膜的性能将得到进一步提升，成本也将逐渐降低，这将进一步推动反渗透膜技术在海水淡化领域的应用普及。
总的来说，膜技术在海水淡化中发挥着不可替代的关键作用。反渗透膜技术以其高效、节能、环保等优势，已经成为海水淡化领域的重要发展方向。未来，随着膜技术的不断进步和创新，相信膜技术将在海水淡化领域发挥更加重要的作用，为解决全球水资源短缺问题贡献更大的力量。
4.膜污染控制措施
膜技术面临的一个主要的挑战是污染，其中待过滤水中的溶质粘附在膜的表面（外部污染）或在多孔膜的孔隙内部（内部污染），从而增加了水渗透的传质阻力 。限制或逆转膜污 染的传统方法包括在膜表面引入空气流（例如超滤膜的空气喷射）和化学（例如酸、碱或氯）膜清洗步骤，所有这些都增加了能源使用或操作成本。清洗方案，如反冲洗、就地清洗、空气冲刷和非原位清洗程序，根据膜和污染物类型、频率不同而有所不同。MBR可能需要非常频繁的原位清洗（在几分钟到几小时的时间尺度上）或偶尔的非原位清洗（由于废水污染物的复杂性，每1～3a进行1次）。
膜污染物最常见的类别：①有机化合物，如MBR中的胶体颗粒，它们聚集在一起，可以在膜表面形成饼层；②无机化合物（如硫酸钙、碳酸钙、磷酸钙和二氧化硅等）在膜表面的浓度超 过饱和极限 ，因此它们在膜表面沉淀，即膜结垢；③膜表面的生物生长（生物污垢），其中微生物增殖、代谢并产生细胞外聚合物质 ，这些物质提供锚定网络以支持膜表面的生物膜生长。二价阳离子可以加剧有机污染，例如，通过Ca2+桥接NOM分子形成粘附在膜表面的超分子物质。现正在探索将膜与混合工艺中的其他技术相结合，选择性地去除/转化污染物，以减轻污染。在不同的处理阶段，通过选择性去除目标溶质可以减少膜污染[5]，例如在膜上游使用传统的混凝/絮凝/沉淀工艺。
5.结语
与传统方法相比，膜工艺具有模块化、占地面积小、对时间变化有弹性等优点[6]。
膜技术特别是反渗透膜技术在解决高盐分、高硬度及高腐蚀性水质挑战中的关键作用。反渗透膜技术以其高效、低能耗和稳定运行的特点，成为海水淡化领域的主流技术之一。
随着环保意识的不断提高和可持续发展理念的深入人心，膜技术的环保性能和经济性也将成为未来研究的重要考量因素。在研发新型膜材料和优化膜技术性能的同时，需要充分考虑其环保性和经济性，以推动膜技术的可持续发展。
参考文献
[1] 赵洪涛 . 超滤污水处理系统中进水系统控制设计 [J]. 自动化博览，2023（5）：86-90.
[2] 李娇.膜技术在水处理中的应用研究[J].中国资源综合利用,2024,42(04):199-201.
[3] 张昕,王沛.膜技术在水处理中的应用研究[J].能源与环境,2024,(02):125-127.
[4] OTHMAN N H，ALIAS N H，FUZIL N S，et al.A Review on the Useof Membrane Technology Systems in Developing Countries ［J］.Mem-branes，2022，12（1）：30.
[6] 叶智谊.膜法水处理技术在生活污水处理中的应用[J].化工管理,2023（29）：72-75.
作者简介：曹昱坤（2004-），女，江苏徐州人，在校本科生，给排水科学与工程专业；电话：15062129519，Email: 2323210150@qq.com；通讯地址：江苏省徐州市云龙区丽水路2号，徐州工程学院环境工程学院。
