21世纪水处理领域关键技术膜分离可满足任何程度净化

　　年在中国香港召开的关于“21世纪革新的水与废水处理技术的进展”国际会议中，丹麦的哈尔莫斯教授提出，膜分离技术的引入，预示着水可以从任何污染程度净化到满足需求的任何净化程度，用于供水的处理工艺与用于废水的处理工艺的差别将消失。
　　膜技术是21世纪水处理领域的关键技术。在水处理方面，膜分离技术脱离了传统的化学处理范畴，转入到物理固液处理领域。这应该可以看作是由19世纪应用快滤方法作为现代化标志以来，100年后的又一次重大技术突破，这种技术已大量应用于饮水深度处理上。
　　膜分离技术可适用于从无机物到有机物，从病毒、细菌到微粒甚至特殊溶液体系的广泛分离，可充分确保水质，且处理效果不受原水水质、运行条件等因素的影响。膜分离过程为物理过程，不需加入化学药剂，提高了人们对水处理过程的信赖程度，易于为群众接受，属于人们称道的“绿色”技术。膜分离技术分离装置简单，占地面积小，系统集成容易，便于运输、拆卸、安装，运行环境清洁、整齐。膜分离过程系统简单、操作容易，且易控制，便于维修，有利于生产自动化的推广与普及。作为一种新兴的水净化技术，膜技术既可解决传统工艺所难于解决的诸多问题，又具使用中的优势，所以已被大规模用于处理饮用水。根据2000年的统计，世界上已有50多家应用膜技术生产饮用水的大型水厂使用MF及UF技术处理的饮用水总量达200万立方米/天。
　　常用的膜技术包括电渗析、微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO），其中电渗析属于电势梯度作为驱动力，属脱盐工艺。而后四种膜法属于压力梯度作为驱动力，且微滤、超滤为过滤工艺，纳滤、反渗透为脱盐工艺。虽然饮用水水厂采用膜分离技术的历史只有约40年，但是随着饮水水质标准的提高，特别是对水中日益增多的致病微生物与有毒有害的有机物（包括消毒副产物）等限值的严格要求，使得膜技术在饮水处理中的应用也越来越广泛。
　　1.电渗析
　　电渗析是一种膜分离技术。它采用离子交换膜作为分离膜，在直流电场下，以电位差为推动力，使水中阴阳离子定向迁移并通过离子交换膜，从而把离子从水中分离出来。电渗析技术可以进行水的除盐处理，用于高含盐水的生活饮用水除盐处理、工业给水的除盐处理等。
　　2.微滤（MF）
　　微滤（microfiltration，简称MF）膜属于筛型精滤介质，表面截留微粒、污染物，达到净化、分离、浓缩等目的。微滤膜大多是由具有一定刚性和均匀性的纤维素、高分子聚合物材料、无机材料制成的多孔性过滤介质。
　　微孔滤膜孔径一般为0.1～1μm，孔径十分均匀，例如平均为0.45μm的滤膜其孔径变化仅在（0.45±0.02）μm范围。微孔滤膜的表面约有107～1011个/cm2的微孔，孔隙率一般在80%左右，通量比同等截留能力的滤纸快40倍。滤膜薄而轻，便于保存运输。微孔滤膜流动阻力小，使用驱动压力低，一般只需低压即可运行。因此微孔滤膜应用广泛，从家用净水器到尖端空间工业，都在不同程度上应用这一技术。
　　微孔滤膜可以用多种不同材料制备。根据使用材料微孔滤膜可进一步分成有机膜和无机膜，其中有机高分子聚合物是最主要的微孔滤膜材料。主要用于水处理的商品化微孔滤膜材料主要有：纤维素酯类、聚酰胺类、含氟材料类、聚烯烃类与无机材料类。
　　微滤的应用主要有：①去除颗粒物质和微生物；②去除天然有机物（NOM）和合成有机物（SOC）；③作为反渗透、纳滤或超滤的预处理；④污泥脱水与胶体物质的去除。
　　3.超滤（UF）
　　超滤（Ultrafiltration，简称UF）是一种膜分离技术，能够将溶液净化、分离或者浓缩。超滤是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜孔径范围为0.1（接近微滤）～0.002μm（接近纳滤）。一般来说，超滤膜的截留相对分子质量在1000～300000之间，操作压力一般为0.1～0.5MPa。主要用于截留去除水中的悬浮物、胶体、微粒、细菌和病毒等大分子物质。最早的超滤饮用水处理厂是1988年11月在法国Amorlcourt投产的。
　　与传统给水净化工艺与消毒相比，超滤的主要优点为：①超滤过滤法没有相变，无需加热，因此不仅省能，而且特别适用于处理热敏性物质；②设备简单，占地面积小，特别是中空纤维超滤膜组件，不仅设备简单，由于单位体积膜面积大，即填充系数大，占地面积很小；③操作压力低；④能量消耗少。内压式的中空纤维超滤膜组件，没有死角，覆盖层薄，渗透通量大，易清洗，更省能。
　　超滤技术的应用包括：①作为反渗透或纳滤膜的预处理；②用于对饮用水中浊度、微生物等颗粒的去除。③超滤能有效去除20%～50%的三卤甲烷前体物。三卤甲烷是低分子量有机物，尺寸小于超滤膜孔径，但研究表明采用超滤膜吹脱工艺能有效去除这些物质。
　　4.纳滤
　　纳滤（Nanofiltration，简称NF）膜的研制与应用较反渗透膜大约晚20年。20世纪70年代J．E．Cadotte研究NS-300膜，即为研究NF膜的开始。当时，以色列脱盐公司用“混合过滤”（HybriclFiltration）来表示介于反渗透与超滤之间的膜分离过程，称为松散反渗透（LooseRO）膜。后来美国的Filmtec公司把这种膜技术称为纳滤，一直沿用至今。之后，纳滤技术发展得很快，膜组件于80年代中期商品化。目前，纳滤技术已成为世界膜分离领域研究的热点之一。
　　纳滤膜介于反渗透和超滤膜之间，其膜表面分离皮层可能具有纳米级微孔结构；孔径在1nm以上，一般0.001～0.002μm；主要去除一个纳米左右的溶质粒子，截留相对分子质量在200～1000。纳滤膜材料可采用多种材质，如醋酸纤维素、醋酸一三醋酸纤维素、磺化聚砜、磺化聚醚砜、芳香聚酰胺复合材料和无机材料等。
　　纳滤膜的这些性能决定了其在饮水处理中特有的广阔的应用，简述如下：
　　(1)软化膜软化水主要是利用纳滤膜对不同价态离子的选择透过特性而实现对水的软化。膜软化在去除硬度的同时，还可以去除其中的浊度、色度和有机物，其出水水质明显优于其他软化工艺。而且膜软化具有无须再生、无污染产生、操作简单、占地面积省等优点，具有明显的社会效益和经济效益。
　　(2)用于去除水中有机物纳滤膜在饮水处理中除了软化之外，多用于脱色、去除天然有机物与合成有机物（如农药等）、三致物质、消毒副产物及其前体和挥发性有机物，保证饮用水的生物稳定性等。纳滤膜对三卤甲烷（THMs）、卤乙酸（HAAs）和可能的三氯乙醛氢氧化物（CH）这三种消毒副产物前体的平均截留率分别为97%、94%和86%。通过合适纳滤膜的选用，可以使得饮用水水质满足更高的安全优质饮水水质标准。
　　此外，纳滤出水是低腐蚀性的，对饮用水管网的使用期和管道金属离子的溶出有正面的影响，有利于保护配水系统的材料。试验表明采用必要后处理的纳滤膜系统能够使管网中铅的溶解减少50%，同时使其他溶出的金属离子浓度满足饮水水质标准要求。
　　5.反渗透（RO）
　　反渗透（ReverseOsmosis，简称RO）技术是利用半透膜（RO膜）以水压（或泵加压）使水由较高浓度的一方渗透到较低浓度的一方，利用孔径仅为0.0001～0.0012μm的RO膜（相当于大肠杆菌大小的1/60000，病毒的1/3000），将重金属、细菌、病毒等大量混入水中的杂质全部清除，导电率在10μs/cm（25±1℃）以下，溶解性总固体含量小于3mg/L，从而达到规定的理化指标及卫生标准。由于反渗透技术生产的水纯净度是目前人类掌握的一切净水技术中最高的，纯净度几乎达到100%，所以人们称这种水为纯水。
　　反渗透是近40年发展起来的膜分离技术。20世纪60年代反渗透技术的崛起带动了整个膜分离技术的发展。1953年美国佛罗里达大学的Reid等人首次提出用反渗透技术淡化海水的构想，1960年美国加利福尼亚大学的Loeb和Sourirajan研制出第一张可实用的反渗透膜，标志着现代膜科学技术的诞生。从此以后，反渗透膜开发有了重大突破，膜材料从初期单一的醋酸纤维素非对称膜发展到表面聚合技术制成的交联芳香族聚酰胺复合膜等新型材料与高效膜。操作压力也扩展到高压（海水淡化）膜、中压（醋酸纤维素）膜、低压（复合）膜和超低压（复合）膜。膜组件的形式近年来也呈现出多样化的趋势，除了传统的中空纤维式、卷式、管式及板框以外，又开发出回转平膜、浸渍平式膜等。
　　今天世界上反渗透水处理装置的能力已达到每天数百万立方米。目前世界最大的反渗透苦咸水淡化装置在美国日产水量为28万吨的运河水处理厂；最大的反渗透海水淡化装置是位于沙特阿拉伯的日产水量为12.8万立方米的淡化厂。
　　在这些膜技术当中，纳滤膜在0.35～1MPa的操作压力下对水中的有机物具有很高的去除效果，同时可选择性的去除一些溶解性离子。纳滤的作用实际相当于一般概念的高级处理，如臭氧、活性炭、粉末炭-微滤或超滤等，可以认为以纳滤为核心的组合技术是优质饮水净化的最佳实用技术。
　　美国自来水协会（AWWA）膜技术研究委员会指出了将来膜技术的重点研究领域：
　　①膜的污染机理，即膜与污染物的界面相互作用，这涉及到膜材料与有机物的特性研究；
　　②有效的膜清洗的机理研究；
　　③建立详细的溶质或污染物的截留率数据库，以便于为工程应用提供信息；
　　④膜浓缩液的毒性研究，这包括常见离子的毒性、高浓度病菌或致突物质可能的危害以及一些污染物如镭、氟化物的商业价值。
　　对这些方面的深入研究有利于帮助将来设计高效、经济的膜处理水厂，可以预见在将来的50年内，膜技术将会作为一种关键技术普遍应用于饮用水的生产中。