膜分离技术在缓解水安全问题中的应用

膜分离技术在缓解水安全问题中的应用

1. 简介

1 简介

近年来，随着全球气候的快速变化，气温升高、热带气旋增多、温带风暴路径向两极移动，导致暴雨、干旱等极端天气事件频发，加剧了水资源时空分布的不均衡。同时，气候变化通过气温、降水、光辐射、风速和风型等因素影响水污染物的来源和分布，对水环境质量产生重大影响[1]。

经济的快速增长导致大量工业、农业和生活废水排入水体，造成了严重的水污染。虽然不像洪水和干旱那样容易让人震惊，但日益严重的水污染实际上已逐渐成为一场全球性的灾难。无论是对人类生存安全的威胁，还是对社会经济的破坏，水污染都堪称世界头号杀手[2]。作为人类生存面临的最严峻问题之一，全球水资源短缺的矛盾可能会因水污染而加剧。水安全问题正成为全球关注的热点之一。

我国水环境污染严重，虽然一直在不断治理，但总体改善速度缓慢。由此造成的功能性水资源短缺，迫使我国部分地区不仅将一、二级水源作为自来水，部分地区还逐步允许使用三级水源。水污染对人类的危害是直接的、持续的、潜伏性的，有的危害甚至永久地危害子孙后代的健康和利益。因此，水污染防治已成为刻不容缓的问题[3]。传统的水处理工艺，即絮凝、沉淀、过滤和消毒，主要杀灭水中的微生物，而无法处理目前三级水源中的重金属污染和致癌、致畸、致突变等有机化合物污染，另外占地大、成本高等因素也制约了其发展。面对水资源短缺、水环境污染等问题，寻求新的水处理技术才是解决之道。 膜分离技术因占地面积小、自动化程度高、污染物去除范围广、工艺流程短等特点被称为21世纪最有发展前途的高科技技术之一，在解决水安全问题中逐渐受到重视。

《2我国水资源安全现状》

2 我国水安全现状

水安全不仅是一个环境问题、经济问题，更是一个社会问题、政治问题。过去由于社会公众水安全意识淡薄，对其重要性、艰巨性、复杂性认识不足，不注重节约和保护水资源，长期不当开发利用，以及法律法规体系不完善，导致出现了一系列水安全问题。

当前，我国水安全问题主要体现在以下几个方面：a.水资源短缺。全国年缺水总量约5×，近2/3的城市不同程度缺水。加之水资源时空分布不均衡，与生产力布局不匹配，发展需要与水资源条件矛盾突出；b.水环境污染。相当比例污水未经处理，造成河流、湖海和地下水严重污染；c.水生态破坏。据中科院南京地理与湖泊研究所统计，近30年来，因围海造地等人为因素造成近百个湖泊消失，接近湖泊总数的十分之一，约8000平方公里。此外，湿地面积不断减少，湿地生态环境持续恶化；d.水灾害突出。 南方洪涝、北方旱灾、水土流失等问题突出；e.突发事件频发。近年来，我国极端气候、突发性水污染事故和自然灾害频繁发生，威胁城市供水安全，影响正常的生产生活秩序，造成严重的社会影响；f.传统水净化技术存在一定的局限性，新型污染物不断涌现，污染日趋复杂。饮用水呈现出污染物复杂、污染过程复杂、污染效应复杂的污染特征，传统水处理技术主要去除水中的悬浮物、胶体颗粒等，对有机物的去除能力有限。

《3 膜分离技术现状》

3 膜分离技术现状

膜分离是指利用具有选择渗透性的膜作为分离介质，在外界能量或化学势差驱动下，实现双组分或多组分混合物的分离、纯化、浓缩等处理的新型分离技术。目前，工业应用较为成熟的膜分离技术有微滤、超滤、纳滤、反渗透和电渗析等。与传统水处理技术相比，膜分离技术具有显著的优势[4]：a.工艺能耗低。大多数膜分离过程是在低温或室温条件下进行的，分离过程中不发生相变，与萃取、蒸馏、蒸发等传统分离过程相比，可大大降低能耗；b.膜分离技术分离效率高，产水水质优良。传统的混凝、沉降等技术主要基于重力分离，其分离最小极限为微米级，而膜分离技术可以实现纳米级物质的分离。 利用膜分离技术可以去除水中的消毒副产物、病毒、细菌及有机物，经膜分离处理后的水质明显优于其它处理方法；c.膜分离时加入的药剂量极少，传统水处理技术需要加入大量的化学药剂，可能对水质造成二次污染，而膜分离技术可以从根本上解决这一问题；d.膜分离技术操作简单，维护费用低，可提供可靠、稳定的水质，出水水质仅与膜的选择性有关，与原水运行条件和水质关系不大；e.膜分离技术所需设备占地面积小，通常可直接将膜分离工艺引入企业原有的生产工艺中，避免对生产线进行大的改动；f.膜分离过程通常以压力为推动力，易于实现自动化。

《4 膜技术在水安全中的应用》

4 膜技术在水安全中的应用

膜分离技术因其独特的优势，被广泛应用于饮用水深度处理、废水处理、灾害应急供水以及特殊废水处理等领域，在水安全保障中发挥着重要作用。

《4.1膜技术在饮用水深度处理中的应用》

4.1膜技术在饮用水深度处理中的应用

饮用水深度处理所采用的膜技术主要有微滤、超滤、纳滤和反渗透等，由于各膜技术对水中杂质的截留性能和能力差别很大，在饮用水深度处理中发挥着不同的作用。

微滤可以截留水中的悬浮物、絮凝物、大分子有机物、细菌等，但无法去除水中的小分子胶体或有机物，因此微滤工艺常用于原水的预处理，在后续阶段与其他工艺配合进行进一步处理。超滤可以去除水中的部分重金属离子和隐孢子虫、细菌、病毒等微生物，还可以降低水中消毒副产物的含量[5]。张汉民等[6]利用超滤膜去除饮用水中的污染物，发现超滤可以有效去除水中的悬浮物和胶体，出水浊度保持在0.25NTU以下。纳滤是介于超滤和反渗透之间的一种膜分离技术，也是当前水处理领域的研究热点之一。纳滤膜的孔径在纳米范围，一般为1~2nm，其表面带负电荷。 纳滤技术可以在很低的操作压力下高效去除水中的有毒有害物质(如氯仿中间体、低分子有机物、农药、环境激素等)，同时保留对人体有益的微量元素和矿物质[7]。张等[8]采用纳滤去除三卤甲烷前体、水合氯醛前体和卤乙酸前体，去除率分别达到97%、86%和94%。Ahmad等[9]比较了NF90、NF200、NF270和DK四种纳滤膜的截留性能，实验表明NF90的截留率较好，对药物乐果和阿特拉津的截留率分别为85%和95%，NF270的渗透通量最高。本课题组[10]研究了用两种聚酰胺纳滤膜处理饮用水。 结果表明，纳滤膜对总有机碳的去除率可达93.9%，优于纳滤膜；纳滤膜对致癌物、致畸物、致突变物的去除率分别为87.5%和75%，显然对致癌物、致畸物、致突变物有更好的去除效果。海水淡化作为解决水资源短缺的有效途径之一，在许多国家和地区得到广泛应用，特别是海湾国家。以反渗透为代表的膜技术在海水淡化领域的应用受到极大关注[11]，国外具有代表性的反渗透海水淡化厂主要在中东和地中海地区。预计到2016年，海水淡化产量将超过3.8×1010 m3/a[12~14]。 2011年，我国首座自主设计安装的日产5×104 t淡水的膜法海水淡化项目在河北曹妃甸建成投运，标志着我国膜法海水淡化工程技术能力迈上新台阶。预计到2020年，我国海水淡化水产量总量将达到7.3×108 m3/a [15]。

《4.2膜技术在工业废水处理中的应用》

4.2膜技术在工业废水处理中的应用

工业生产过程要消耗大量的淡水，同时排出大量的废水。排出的废水中含有大量的原料、中间产品或制成品，如重金属、有毒化学品、酸碱、有机物、油类、悬浮物等。这些废水如果直接排放，会对人体和环境造成很大的危害。因此需要对其进行处理，使有害物质的含量达标后才能排放。膜分离技术在很多行业排放的废水处理中得到了广泛的关注和应用。

随着食品、染料、页岩气等行业的发展，含油废水排放量日益增加，膜技术在含油废水处理中取得了良好的应用效果。张等[16]采用改性聚偏氟乙烯超滤膜进行油水分离，通量高达3415 L/(m2·h)，截留率达99.95%，该膜具有良好的抗污染性能，该方法在含油乳化液废水处理中能得到很好的应用。陈等[17]采用改性聚丙烯微滤膜进行油水分离，也取得了满意的效果，通量为2000 L/(m2·h)，截留率保持在99%以上。在造纸工业中，漂白单元废水中所含的化学需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)是纸浆废水中色度的主要来源。 经超滤处理后色度可降低80%~90%，总需氧量（TOD）和COD可降低60%~70%[18]。纳滤技术在工业废水处理领域也得到了广泛的应用。在金属加工和电镀行业，清洗电镀废水中往往含有高浓度的Cu2+、Zn2+、Ni2+、Fe2+等金属离子，纳滤技术可将上述金属离子浓缩10倍，这些金属的回收率在90%以上[19]。陈等[20]对电镀废液进行了两级纳滤实验，铬酸盐在第一级以HCrO4-形式存在，将pH值调节到8以上，铬酸盐转化为CrO4-。 Ni2+和铬酸盐分别在两级浓缩水中被浓缩，从而达到从电镀废液中回收Ni2+和铬酸盐的目的。

Abu Qdais等[21]利用纳滤处理模拟废水中的Cu2+和Cd2+，结果表明这两种重金属离子的平均截留率可达97%。研究表明，纳滤技术对纺织工业废水也有良好的处理效果，能有效去除废水中的色度、有机碳及多种染料。Capar等[22]利用纳滤技术从丝绸厂废水中回收丝胶(分子量10~25kDa)。先将废水通过微滤和离心过滤分离出其他杂质，然后利用纳滤膜(NF-90 100Da)回收丝胶，发现回收率可达94%~95%。但由于丝胶与膜之间的相互作用以及丝胶的浓差极化，运行一定时间后膜通量会下降70%~75%。 用NaOH溶液清洗后，膜通量可恢复到83%以上。张建军等[23]采用聚酰胺纳滤复合膜处理染料废水，发现该膜对混合染料的截​​留率可达99%，98%的废水可回用。Raman等[24]采用纳滤处理木浆漂白液，发现90%的有色物质和木质素可被去除。苏金坡等[25]采用超滤反渗透工艺处理电厂循环冷却废水，以超滤作为反渗透的预处理，反渗透系统产水量为1 t/h（回收率为75%），经过连续运行一个月后发现，水中的大部分盐分、胶体和有机物已被去除。

反渗透技术在重金属废水处理中也得到了广泛的应用。-Nia等[26]研究了聚酰胺反渗透膜对含Cu2+、Ni2+等重金属废水的处理效果，结果表明，当废水中重金属含量为100～500mg/L时，反渗透膜对Cu2+和Ni2+的截留率均在98%以上。在重金属废水中添加螯合剂后，对Cu2+和Ni2+的截留率可达99.5%。

《4.3 膜技术在灾害应急供水中的应用》

4.3 膜技术在灾害应急供水中的应用

自然或人为灾害往往具有受灾面积大、受灾人数众多、经济损失惨重等特点。地震、洪水、干旱、山洪、泥石流等自然灾害发生后，国家在应急物资保障方面面临巨大挑战。由于建筑物损坏、城市供水管道破裂等原因，灾区大部分城市供水受阻甚至中断。因此，保障应急供水，不仅要解决灾区人民和救援人员的饮用水问题，还要解决保障安全优质水源的供应问题。本课题组针对平时可能发生核、化学、生物污染的城市供水问题进行了研究[27]，建立了纳滤膜组合工艺处理模拟放射性污染水、炭疽菌孢子污染水、化学剂污染水。 试验结果表明，以纳滤为核心的膜组合工艺对核、化学、生物污染水的净化效果十分显著，出水水质符合国家相关标准。设计的纳滤组合工艺可作为核、化学、生物污染应急供水技术。赵海洋等[28]利用超滤和低压反渗透膜工艺的双膜集成技术解决洪水灾害造成的城市饮用水安全问题，建立了产水量为25 m3/d的集成装置。该装置适用于多种复杂水源，便于多种方式运输和组装，适用于较为复杂的环境。试验发现，该集成装置对水质条件类似于洪水的河水具有良好的处理效果，产水水质超过国家饮用水标准，产水成本低于5元/m3，表明该技术和装置特别适合突发洪水期间的城市应急供水。

《4.4 膜技术在特殊废水处理中的应用》

4.4 膜技术在特殊废水处理中的应用

由于特种废水水量、水质特殊，其处理工艺和处理技术与城镇污水有很大不同。本课题组对特种废水处理做了大量研究 [29, 30]。以模拟核爆炸后放射性物质污染废水为研究对象，采用纳滤与离子交换组合工艺，去除污染废水中碘、铯、钚、铀等代表性放射性物质。结果表明，铀和钚的去污系数分别为 1.3×103 和 6.7×103，放射性去除率可达 99.93%。后来，又采用纳滤工艺处理模拟毒剂污染水和模拟核爆炸污染水，也取得了满意的效果。白庆忠等。 [31]采用聚丙烯酸钠无机纳滤膜处理含90Sr、137Cs、60Co放射性核素的低放射性废水，通过实验验证了聚丙烯酸钠辅助无机纳滤膜处理放射性核素的可行性，实验结果表明，在最佳条件下，低放射性废水中总β和总γ的净化率均达到95%左右，去污倍数可达20~30。Hwang等[32]利用纳滤技术处理模拟核污染废水中的锶，结果表明，对NaCl去除率高的纳滤膜对锶也有很好的去除效果，当锶以SrCO3而非Sr(OH)2形式存在时，锶的去除率随pH的升高而升高。Szoke等[33]利用纳滤技术处理模拟核污染废水中的锶，结果表明，对NaCl去除率高的纳滤膜对锶也有很好的去除效果。当锶以SrCO3而非Sr(OH)2形式存在时，锶的去除率随pH的升高而升高。 [33] 采用型号为 MWCO-200 的纳滤膜从硼酸碱溶液中去除长寿命的60Co。研究发现，60Co 的去除率与溶液的 pH 值密切相关，当 pH = 8 时去除率为 73%，当 pH = 11.5 时去除率可达 96%。膜分离技术作为一种新兴的放射性废水处理方法，在低浓度放射性废水处理中具有良好的去除效果和诸多优势，也是目前国内外重点研究的技术。但现有的膜材料在物理化学稳定性、机械强度、使用寿命、清洗维护以及核浓缩废水处理等方面都无法满足工业需求。因此，该领域膜分离技术的发展方向是开发新型膜材料、改进膜清洗方法、提高膜效率、减少膜二次污染 [34]。 针对炭疽样芽孢杆菌及其繁殖体和3种常见化学药剂模拟污染水，本课题组[35]采用自主研发的超滤-纳滤膜分离水处理设备，对生化污染水进行分段净化处理，取得良好的效果。等[36]采用超滤膜处理含砷废水，通过串联试验研究了运行条件和水质对砷去除的影响，结果表明，超滤膜对砷的去除与模型一致。

《膜技术解决水安全问题的5大发展趋势》

5 膜技术在解决水安全问题上的发展趋势

随着经济社会的发展，人工合成化合物的种类和数量急剧增加，新型污染物不断涌现，水污染引起的水安全问题日趋复杂。膜技术在水安全保障中得到了广泛的应用，但一些膜过程效率低下和膜污染是制约其更好应用的主要因素。因此，未来的研究工作应着重提高膜性能和过程效率，具体包括以下五个方面：a.研发新型膜材料和膜组件，开发耐污染、高性能的膜材料和膜组件，延长膜组件使用寿命，提高操作稳定性；b.通过开发通量和截留率更高的膜，降低反渗透等压力驱动型膜过程的高操作压力，从而降低过程能耗；c.膜分离机理研究。目前对膜分离机理的研究还不够系统和全面，加强膜分离机理研究将有助于更好地理解相关膜过程，从而增强对实际应用的指导作用；d.设计和优化新型膜工艺流程。 单一的膜工艺很难达到满意的处理效果，因此需要组合优化膜工艺，控制膜污染程度，提高处理效率；e.改善膜脱盐水出水水质，降低水中硼酸等有害物质的含量，保留部分微量元素和矿物质。

反渗透是目前海水淡化中应用最广泛的技术，需要较高的外压，膜易被污染。新兴的正渗透工艺具有水回收率高、膜污染少、潜在能耗低等优势[37]，在发电[38]、海水淡化[39]、食品浓缩[40]等方面展现出了良好的发展前景。正渗透在应急供水等领域也将发挥重大作用。此外，利用太阳能、风能等可再生能源的膜蒸馏等新型膜工艺，可以为一些远离陆地的岛礁开发提供水资源保障[41]。

六，结论

六，结论

随着气候变化和水环境恶化，我国水安全问题日益突出。膜技术作为一种新型分离技术，近20年来发展迅速，在解决水安全问题中发挥着重要作用。与传统水处理技术相比，膜分离技术具有显著的优势，使得其在饮用水深度处理、废水处理、灾害应急供水及特殊废水处理等领域得到广泛应用。在未来的发展过程中，开发新型分离膜、提高膜工艺效率、降低工艺能耗将成为研究重点。同时，膜技术在解决我国水安全问题中将发挥至关重要的作用，尤其是以正向渗透、膜集成技术为代表的膜工艺将具有广阔的发展空间。