膜分离技术在水处理环境工程中的应用

摘要：随着人口与用地规模的持续增长，我国各大省市的需水量与日俱增，但我国水资源却相当匮乏，北方城市尤甚。为满足日益增长的用水需求，缓解缺水危机，水资源重复利用的重要性日益凸显，水再生与回用相关技术逐渐引起重视。此外，水处理环境工程不仅能够替代清洁水的使用，节约水资源，还可以有效减少污水排放，实现污水的资源化利用。

关键词：膜分离技术；水处理环境工程；应用

引言

水处理环境工程作为一种经济的非传统水资源，具有水量大、水质稳定、对环境友好等优点，对废水深度处理后进行循环利用可有效缓解水资源短缺问题，在世界各国已达成共识。膜分离技术作为水处理环境工程的常用技术，具有装置结构简单，占地面积小和能耗低等优点。然而，膜污染是困扰其发展过程中的一个重大问题。研究城市水资源开发及利用既是国家要求，也是势在必行，这对加强城市用水科学循环和保障城市可持续发展具有深远的战略意义。

1膜分离技术原理及特点

1.1原理

利用膜分离技术分离不同相态或不同相对分子质量的物质，其分离过程及原理如下：在过滤过程中，通常使用供料泵为过滤液提供过滤压力，过滤液透过膜表面时，表面的过滤层将过滤液中相对分子质量大的分子物质拦截，相对分子质量小的分子物质通过，过滤液在透过膜之后形成透过液。因此，膜过滤系统有两个出口，一个是回流出口，用于让相对分子质量大的分子物质富集的浓液排出，流回储料罐或浓液罐；另一个出口是让相对分子质量小的分子物质通过，形成透过液即清液。考察膜过滤性能的指标主要包括过滤精度和过滤速度。过滤精度与膜本身过滤层的物理结构如孔径大小、表面性能等相关；过滤速度通过单位时间内单位膜面积所形成的清液量（即膜通量）来衡量。影响过滤速度的主要因素有膜孔隙率、料液温度、黏度、浓度、固含量、过滤压力等。

1.2特点

和传统分离技术相比，膜分离技术具有很多优点：1）分离收率高、损耗低；2）膜材料性质较稳定，使用膜过滤进行分离，无新的杂质引入到系统中；3）过滤过程温度、压力等相对平稳，物料停留时间短，不发生相变；4）膜过滤系统自动化程度高、流程短、便于操作、能耗小、人工成本低；5）膜材质及膜组件种类多样，适合不同级别相对分子质量的物质分离。

2膜分离技术在水处理环境工程中的应用

2.1超滤

在水处理环境工程领域，如果水质要求不高，则可以将絮凝沉淀、臭氧氧化等预处理技术与微滤或超滤搭配起来，以分离水处理环境工程中的悬浮物或胶体。

作为一种典型的低压膜过滤技术，超滤有着对污染物良好的机械截留能力，对水质优越的适应能力，以及在处理过程中无相变并且无二次污染的优势。超滤膜分离机理可概括为筛分（超滤膜直接截留直径较大的分子）、吸附（直径较小的分子通过分子间作用力吸附在膜上）、架桥三种形式。醋酸纤维素被首先应用为超滤膜的材料，而目前聚砜、聚烯烃系列有机膜材料应用更为广泛。

在超滤膜运行过程中，会有滤饼层在膜表面沉淀和在膜孔中堵塞的现象，这种现象被称为膜污染。膜污染会导致膜的水通量下降，进而造成渗透性能下降和膜寿命缩短。膜污染被认为是现今膜分离技术面临的最严峻挑战之一。

根据不同的物质在膜面上吸附能力的不同，膜污染可分为可逆污染（可通过水力清洗的方式去除）和不可逆污染（需要使用化学清洗方法）；根据污染物类型，可以分为无机污染、有机污染、生物污染和颗粒/胶体污染。造成超滤膜污染的主要污染物质有颗粒物、有机物和微生物。根据研究，有机物是超滤膜污染的主要原因，原水中的有机物非均匀地吸附在膜表面就会造成不可逆的污染。水生藻类透明外聚合物颗粒（TEPS）是超滤膜表面生物污染的主要贡献者。

为了减少膜污染发生的可能性，在超滤前需要对进水进行预处理，通过混凝沉淀、臭氧氧化等方法降低有机物浓度以达到超滤膜的进水水质要求。然而，超滤膜在运行过程中会不可避免地出现膜污染，因此需要根据实际定时对膜进行反冲洗和化学清洗。在研究造纸厂污水回用中微滤或超滤作为反渗透系统预处理评价实验时，逐渐增加水通量，同时缩短反冲洗间隔（在反冲洗时还需排干或排出部分装置中的水）并在发生事故时进行化学清洗，以恢复膜的性能。此外，人们还在研究膜表面改性方法，使膜抗有机和微生物污染性能在不影响膜通量的情况下提高。

2.2反渗透

如果在水处理环境工程，对水中无机离子和溶解性有机物的含量有要求，则需要使用反渗透工艺。在超滤（或微滤）-反渗透双膜工艺中，作为预处理的超滤的作用是机械筛分，截留颗粒物、胶体和大分子有机物，为反渗透提供高水质进水，减少其反冲洗和化学清洗周期，降低运行成本，而对无机离子和溶解性有机物的去除起决定作用的是反渗透阶段。反渗透相较于化学方法，主要驱动力是压力，不需要经过相变，因此耗能低；省去了吸附剂和沉淀剂的成本；工程设计和操作简单，建设周期短；净化效率高，对环境无害。在反渗透技术发展初期，膜使用的材料与超滤膜相同，均是醋酸纤维素。随着技术发展，人们研制出以芳香聚酰胺为材料的反渗透膜。芳香聚酰胺反渗透膜的工作效率（通过水通量与脱盐率评价）很高，但其在使用过程中也暴露了众多缺点：反渗透膜对水质要求较高，容易产生各种类型的膜污染。生物污染是反渗透膜污染的一种常见类型。生物污染包括粘附，生长，扩散三个阶段。为了缓解反渗透膜的微生物污染，常在预处理过程中投加活性氯（如NaClO），但活性氯会破坏芳香聚酰胺膜结构，对芳香聚酰胺反渗透膜的污染是不可逆的。

研制抗生物污染反渗透膜主要有两种思路：减少微生物的粘附和膜表面主动杀菌。微生物是通过分子间作用力和静电力等作用力附着在反渗透膜上的，膜表面的物理化学性质决定着这些作用力的大小。可以通过一系列方式对反渗透膜进行表面改性，使其获得低表面能、亲水性、电负性等特性，以降低微生物的粘附。

反渗透膜难以完全抑制细菌的粘附，少量粘附的细菌经过生长和扩散仍然会造成严重的生物污染，因此通过表面改性技术，可以使膜具有主动杀菌能力。抗菌剂类型有：有机抗菌剂（壳聚糖、溶菌酶等天然抗菌剂，季铵盐、胍阳离子等合成抗菌剂）、无机抗菌剂（银离子、二氧化钛、碳基纳米材料等）。多种具有不同性质的表面改性材料复合，可研制出具有抗菌耐氯多重性质的反渗透膜。妥布霉素（TOB）属于氨基糖胺类抗生素，对革兰氏阴性菌和大部分革兰氏阳性菌均具有强烈的杀灭作用。

结束语

膜分离技术不仅能够高效地将有机物与无机物进行分离，显著减少环境污染，同时也为资源的循环再利用提供了可行的途径，从而推动了环保与资源利用的双向发展。在未来的研究中还需要进一步解决膜材料成本偏高、膜易污染等问题，随着技术的不断进步和工艺的持续优化，膜分离技术有望在造纸黑液处理领域中发挥愈发重要的作用，但在一些新兴的工艺中，还需更多的研究和实践，为行业的可持续发展提供强有力的技术支持。

参考文献

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