DQZHAN技術(shù)訊：膜分離技術(shù)：開源減排保障水**
針對水資源短缺和嚴峻的水污染現(xiàn)狀,尋找能有效保障水**的策略是亟待解決的社會發(fā)展問題 之一。膜分離技術(shù)的高效、操作簡單等優(yōu)點使其在水**保障方面?zhèn)涫荜P(guān)注。本文介紹了我國水**問題的內(nèi)涵和現(xiàn)狀,對膜分離技術(shù)在新水源開發(fā)、廢水減排和飲用水**保障三個領(lǐng)域的應(yīng)用和研究進展進 行了綜述,分析了膜分離技術(shù)在保障水**領(lǐng)域的作用,提出了解決水**問題的策略和方法。
1 前言
水作為重要的自然資源和社會資源,在整個人 類活動中起著舉足輕重的作用。近年來,一方面, 隨著我國社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展、城鎮(zhèn)化進程的加 快,用水需求量持續(xù)增長與水資源短缺之間的矛盾 日趨突出;另一方面,由于氣候變化、社會活動加劇 和環(huán)境污染等原因,使得我國不同地區(qū)在同一時期需要面對水多、水少和水臟等問題?？偠灾?我 國水資源總體形勢不容樂觀,水**問題對社會經(jīng)濟發(fā)展的約束作用在不斷增強。
膜分離技術(shù)因其處理效率高、適用范圍廣、易 與其他過程集成等特征,在水處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。材料和工程等相關(guān)科學(xué)的不斷進步,進一步推 動了膜分離技術(shù)的快速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域也從常規(guī)的水處理擴展到特種或非常規(guī)污染水處理,在保障水**方面發(fā)揮了重要作用。為此,本文從水**的內(nèi)涵出發(fā),對膜技術(shù)從不同角度保障水**的進展 進行綜述,對未來的發(fā)展趨勢進行展望。
2 水**的內(nèi)涵與我國水**問題現(xiàn)狀
水**問題的成因既有自然因素也有人為原因。從表象來看,“水**”是指“所有與水相關(guān)的 要素未對人類社會的穩(wěn)定與發(fā)展構(gòu)成威脅,或者說 存在著某種威脅,但屬于可控范圍之內(nèi)”。
因此,水**問題既涉及社會和國家**,又與自然資源領(lǐng)域密切相關(guān),其內(nèi)涵包括多個方面: a. 水量充裕和結(jié)構(gòu)均衡的水資源**;b. 能提供品 質(zhì)**的飲用水源、具有容量內(nèi)納污能力和服務(wù)功 能的水環(huán)境**;c. 能保持生物多樣性和實現(xiàn)自我凈化與修復(fù)的水生態(tài)**;d. 涉及水領(lǐng)域的各種水 工程**;e. 包括結(jié)構(gòu)供水和城鄉(xiāng)供水的供水**。
目前,我國水**問題主要體現(xiàn)在以下幾個方 面:a. 水資源短缺,人均水資源量為 2200 m3,僅為 世界水平的 28 %,近 2/3 的城市不同程度存在缺水問題,且水資源時空分布不均,與生產(chǎn)力布局不相 匹配,發(fā)展需求與水資源條件之間的矛盾突 出 ;b. 水環(huán)境污染,相當(dāng)量的排污水處理不徹底,使 江河湖海和地下水受到不同程度的污染;c. 水生態(tài) 破壞,據(jù)中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所統(tǒng)計, 近 30 年來因圍墾等人為因素而消失的湖泊有近百 個,濕地生態(tài)環(huán)境在一些地區(qū)持續(xù)惡化;d. 水災(zāi)害 問題突出,我國南方洪澇、北方干旱及水土流失等 問題突出;e. 突發(fā)事件多,近年來,我國極端氣候、突發(fā)性水源污染事故、自然災(zāi)害頻發(fā),威脅城市供水 **,影響了正常的生產(chǎn)與生活秩序,造成了較嚴 重的社會影響;f. 傳統(tǒng)凈水工藝應(yīng)對新污染有局限 性,我國90%以上的水廠修建于《生活飲用水衛(wèi)生 標準》(GB 5749—2006)實施之前,所采用的傳統(tǒng)水 處理工藝對不斷出現(xiàn)的新有機污染物去除能力有限。面對復(fù)雜和嚴峻的水**問題,膜分離技術(shù) 可以從源頭和終端兩個環(huán)節(jié)來應(yīng)對和緩解水** 危機的進一步惡化,并取得了很多突破性的進展。
3 膜分離技術(shù)應(yīng)對水**危機的進展
3.1 膜法水處理技術(shù)在開發(fā)水資源方面的進展
3.1.1 海水淡化
地球上 97 %以上的水資源是以海水的形式存 在,因此,高效的海水淡化技術(shù)可以有效緩解淡水 資源不足導(dǎo)致的水**問題。以反滲透為主的膜法海水淡化技術(shù)投資適中、效率高、工藝成熟。據(jù) 統(tǒng)計,全球現(xiàn)有 150 多個國家和地區(qū)建有海水淡化工廠,已建成和在建海水淡化工廠超過 15 000 個, 淡水產(chǎn)能達到 7×107 m3/d,解決了 2 億多人的生活用 水問題,滿足了一定量的工業(yè)生產(chǎn)用水需求。全 球規(guī)模*大、技術(shù)*先進的以色列 Sorek 反滲透海 水淡化廠于 2013 年 10 月投入**運營,產(chǎn)水規(guī)模達 6.24×105 m3/d,其中約 5.4×105 m3 的水直接進入供水系統(tǒng),為 150 多萬人提供純凈的飲用水,占以色列 市政供水的 20 %。預(yù)計到2016 年,全球海水淡化 的水產(chǎn)能將達到1.3×108m3/d,比2008年增加1倍。
反滲透海水淡化的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用主要得 益于超薄反滲透膜制備、組件設(shè)計以及能量回收等 技術(shù)的成熟。目前,基于芳香聚酰胺超薄復(fù)合膜的 反滲透海水淡化過程的能量回收率超過了 50 %,能耗降至 1.8 kW?h/m3,膜的水滲透系數(shù)達到 3.5× 10?12 m3/(m2?Pa?s),鹽截留率為99.6%~99.8%[6,7], 膜與膜過程的性能均達到了非常高的水平。
隨著人們對淡水需求的日益增長,需要進一步 提高反滲透膜的分離性能和使用壽命以降低反滲透過程的產(chǎn)水能耗和成本。在水分子透過細胞膜 機理的啟示下,含水分子通道的反滲透膜被認為是未來高通量反滲透膜的重要發(fā)展方向之一。近年 來,很多研究者分別通過分子模擬和實驗驗證了碳 納米管等多孔納米介質(zhì)能夠提高反滲透膜通量, 還有部分研究者將含有水通道蛋白的囊泡引入反 滲透膜中制備得到仿生膜,這些具有水通道功能
反滲透膜的開發(fā)為今后制備新型的海水淡化膜提 供了很好的參考。
3.1.2 雨水利用
近年來,由于氣候變化引發(fā)的部分城市強降雨 時有發(fā)生,一方面,強降雨給市政供水系統(tǒng)帶來很 大危害,影響城市飲用水**供給;另一方面,大量雨水又給城市帶來豐富的水源。因此,合理利用雨 水不僅可以有效防止城市洪澇災(zāi)害,還可以開辟出新的水源。目前,國內(nèi)很少有城市建有雨水利用工 程,即使有也僅僅是簡單地通過建筑屋面和道路面收集徑流雨水,儲存在儲水池內(nèi),再經(jīng)過沉淀、混凝 和過濾等方法處理后,作為中水用于城市小區(qū)的雜 用水水源。
相比于傳統(tǒng)的處理方法,膜技術(shù)可以將雨水處 理達到生活水標準,*大限度地發(fā)揮雨水的作用。 早在 21 世紀初,悉尼在奧運會舉辦期間就將膜技術(shù) 應(yīng)用于場區(qū)的雨水收集處理系統(tǒng),采用聚丙烯中空纖維微濾(MF)膜作為預(yù)處理,去除水中的懸浮物和 病原體,根據(jù)回用水質(zhì)含鹽量的要求,再采用反滲 透除鹽,產(chǎn)水加氯**后用于沖洗廁所,而反滲透 濃水則用于綠地灌溉。新加坡是一個嚴重缺水的國家,但雨水較為豐富,降雨以暴雨為主,具有突然 性、局域性、強度大、持續(xù)時間短的特征,為此新加 坡公用事業(yè)管理局對城市雨水的儲存進行了系統(tǒng)規(guī)劃,陸續(xù)建成了 17 個蓄水池(庫)和 1 個在下暴雨 時用于防洪的雨水收集池系統(tǒng),總庫容量接近 1×108 m3,積蓄的雨水經(jīng)過以反滲透為核心的工藝 處理后作為生活用水,所供給的水量占城市總供水 量的 30 % 。
膜技術(shù)不僅可以將雨水處理為生活用水,還可 以將雨水處理達到飲用水標準,緩解雨洪所引發(fā)的 城市飲用水**問題,本課題組[16]基于超濾(UF)和 低壓反滲透(RO)過程設(shè)計和建立了一套產(chǎn)水量達 25 m3/d 的雙膜集成裝置,可在雨洪期間作為應(yīng)急供 水使用。
3.1.3 非常規(guī)污染水源開發(fā)
非常規(guī)污染水源是指由放射性物質(zhì)、生化試劑及《生活飲用水衛(wèi)生標準》規(guī)定之外的物質(zhì)所造成 的污染水源,為了保護環(huán)境和人類健康,非常規(guī)污 染水必須經(jīng)過**、經(jīng)濟和有效的處置。
以放射性污染水源為例,其處理方法包括化學(xué) 沉淀法、膜處理法和離子交換法等。相對于傳統(tǒng)的處理方法,膜處理法被認為是*有效的處理方法之一[17]。美國的 RockyFlats 曾安裝了一套微濾組合系 統(tǒng),用于處理含鈾、重金屬和有機毒物等污染物的 廢水,該裝置對鈾的去除率超過 99.9 %。超濾可以 截留尺寸更小的顆粒物,但仍舊難以截留放射性離 子,常和反滲透聯(lián)用,或者結(jié)合離子交換和電滲析 工藝(EDI),以獲得高核素去除率。納濾(NF)可以有 效去除高價離子,在核工業(yè)中主要應(yīng)用于含硼、鈷 的廢水和燃料鈾的回用處理。與上述 3 種壓力 驅(qū)動膜過程相比,反滲透處理放射性廢水的技術(shù)較 為成熟,美國的 Pilgrim、Comanche Peak、Dresden、 Bruce 等核電站都采用反滲透技術(shù)處理放射性廢 水。與壓力驅(qū)動膜過程相比,膜蒸餾對非揮發(fā)性的 放射性核素具有 100 %的理論截留率,Zakrzewska 等論證了膜蒸餾技術(shù)處理廢水的可行性,但由于過程熱能利用率較低、膜長期使用的親水化等問題 阻礙了膜蒸餾技術(shù)在該領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。
生化試劑是另一類重要的非常規(guī)污染物,膜技 術(shù)對水體中生化污染物的去除也有較好的效果。本團隊曾開展以納濾為核心過程的去除飲用水中
“三致”有機污染物和炭疽桿菌的研究,結(jié)果表明, 納濾過程對有機污染物的去除率超過了 90 %;“三 合二**”與超濾或納濾相結(jié)合的工藝過程,對炭 疽桿菌均有理想的去除效果,去除率接近 100 %。
3.1.4 膜法中水回用技術(shù)
中水作為城市的**水源,通過新型中水回用 技術(shù)的實施,能有效實現(xiàn)減排和增加水源的雙重效 果。中水來源廣泛,水質(zhì)差異大,常見的有生活廢 污水和工業(yè)冷卻水等。傳統(tǒng)的中水回用工藝主要 包括預(yù)處理和主處理兩個階段,根據(jù)水源水質(zhì)以及 中水的用途不同而采用不同的處理技術(shù),包括混凝 沉淀、過濾、活性炭吸附等傳統(tǒng)物化處理方法,以及 活性污泥、生物接觸氧化等生物處理方法。與這些 傳統(tǒng)工藝相比,新興的膜分離技術(shù)更能滿足降低處理成本和提高回用水質(zhì)的要求。
火電廠的冷卻水一直是中水回用技術(shù)的重要 應(yīng)用領(lǐng)域,由于其消耗量巨大,回用技術(shù)的處理效 果和效率是其成功應(yīng)用的關(guān)鍵。Li 等將微濾與反 滲透過程相耦合,對河北省某電廠冷卻水進行處 理,實現(xiàn)了冷卻水的高效回用。該系統(tǒng)能截留 98 % 的鹽,出水水質(zhì)較好,且該雙膜法的冷卻水處理回用周期僅為傳統(tǒng)化學(xué)處理法的 35 %左右。Alt- man 等則采用以納濾為核心的過程去除冷卻水中鹽 離子以達到中水回用的目的,研究發(fā)現(xiàn)膜過程裝置的規(guī)模控制是決定中水回用經(jīng)濟性的關(guān)鍵所在。 大連北海熱電廠采用反滲透技術(shù)處理二級中水,出 水水質(zhì)各項指標遠小于再生水用作工業(yè)用水的水 質(zhì)標準限值,大大節(jié)約了水資源消耗量,2013 年全 年環(huán)比節(jié)約自來水 2×106 t。
據(jù)環(huán)保部統(tǒng)計年報數(shù)據(jù),2012 年我國城鎮(zhèn)生活 污水排放量達 4.627×1010 t,占國內(nèi)廢水年排放量的 65 %以上。因此,將膜技術(shù)用于我國城鎮(zhèn)生活污水 處理,實現(xiàn)中水回用的潛力巨大。將生物處理與膜分離過程相結(jié)合的膜生物反應(yīng)器(MBR)可以使污 泥保持較高活性,實現(xiàn)水源中污染物的有效降解和去除,既減少了中水系統(tǒng)的占地面積,又有效解決 了傳統(tǒng)生物法污泥產(chǎn)率較高的缺點。2008 年北 京奧運會多個場館中心就采用自動化程度高的浸 沒式 MBR 工藝進行中水回用,處理規(guī)模達1 000 m3/d, 確保了綠色奧運的順利舉行。
為了進一步降低污水處理成本,一種將膜分離與厭氧發(fā)酵相結(jié)合的新型厭氧膜生物反應(yīng)器(AM-BR)技術(shù)正得到日益廣泛的關(guān)注,該技術(shù)在去除污染物的同時產(chǎn)生大量的沼氣,有效降低了過程的能耗,如圖 1 所示。Dutta 等采用流態(tài)AMBR 法處理含**等有機物的城市污水,發(fā)現(xiàn)該方法使用顆粒活性炭(GAC)載體媒介能有效降低膜污染。Wei等將正滲透膜過程(FO)以及熱泵耦合到AMBR 過程中,能有效實現(xiàn)城市污水處理過程中的能量回收,其對城市污水中化學(xué)需氧量(COD)的去除率大于 98 %。
值得注意的是,由于回用的中水仍可能殘存微 量的重金屬、有機物等污染物,有在土壤、有機體內(nèi) 沉積富集的可能,所以中水回用尚存在一定的環(huán)境與健康風(fēng)險。為了降低這一風(fēng)險,除加強管理以及 法規(guī)建設(shè)外,提高中水回用技術(shù)的凈化效果以及運 行穩(wěn)定性至關(guān)重要。研發(fā)截留效率高、穩(wěn)定性好的 膜,以及開發(fā)新型膜過程組合工藝將是今后研究的重點。
3.2 膜法工業(yè)廢水減排處理技術(shù) 我國目前工業(yè)廢水排量大,污染物種類復(fù)雜,
污染行業(yè)以及污染程度存在區(qū)域差異性,治理難度 大。近年來,各種膜技術(shù)的快速發(fā)展為解決工業(yè)廢 水污染問題提供了可能性,其中微濾、超濾和納濾等膜具有不同的孔徑,主要通過篩分作用去除污水中的**、病毒、大分子污染物以及部分小分子污染物,實現(xiàn)不同類型廢水的除污;反滲透、離子交換膜、雙極膜等致密膜則可實現(xiàn)污水的深度處理以及高附加值物質(zhì)的回收。因此,可以通過不同膜過程的組合來滿足不同的廢水處理要求,圖 2 給出了一個理想的全膜法廢水處理組合工藝流程概念。實際應(yīng)用中則往往根據(jù)廢水的具體情況選擇不同的組合工藝。例如,俞海橋等采用超濾-反滲透雙膜法對污染濃度高的皮革廢水進行處理,產(chǎn)水水質(zhì)達到回用標準,且處理成本僅為傳統(tǒng)處理方法 的 50 %。
納濾是近年來廣受關(guān)注的一種膜技術(shù),由于其 截留分子質(zhì)量大小相對比較集中的特點,可以有效 截留水中**、染料等有機物,成為廢水處理組合 工藝中的核心技術(shù)。Ravikumar 等采用納濾-反滲 透雙膜法實現(xiàn)了對**廢水的處理,該雙膜法對總 溶解固體(TDS)和COD 的去除率分別達到了 95.3 %和 99.5%。Qin 等通過調(diào)節(jié)納濾膜分子鏈 結(jié)構(gòu),達到了從高鹽染料廢水中回收萘磺酸的目的。Zhu等通過選擇具有合適截留分子質(zhì)量的 納濾膜,實現(xiàn)了對染料廢水中活性染料的回收去 除,活性染料截留率高達 99.8 %。Shukla 等采用 超濾-納濾-反滲透的組合膜工藝,實現(xiàn)了對造紙行業(yè)漂染廢水的處理。
電滲析具有良好的離子交換選擇性,因此在處 理含鹽離子的廢水領(lǐng)域展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢,被廣泛應(yīng) 用于含有貴金屬離子或其他高濃度酸堿的廢水處 理。周國平等采用陰離子交換膜法實現(xiàn)了對高濃 硫酸的廢水處理并回收硫酸,回收率高達 83.4 %。
雙極膜是在離子交換膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的膜技術(shù),通常由陰陽離子交換層復(fù)合而成,兩層中間含有能催化水解的催化劑,具有獨特的分離性能[40]。由于雙極膜能夠催化水解離,產(chǎn)生的 H+和 OH-分別進入不同的膜室,使溶液中的鹽重新轉(zhuǎn)變?yōu)樗岷蛪A,可同時實現(xiàn)廢水處理以及酸堿回收。雙極膜的這一特點使其在處理酸堿廢水方面具有其他膜技術(shù)不可取代的優(yōu)勢,在解決稀土、冶金、金屬加工等行業(yè)廢水方面具有廣闊前景。例如,Ghyselbrecht 等利用雙極膜實現(xiàn)工業(yè)廢水中鹽 分的脫除。
工業(yè)廢水的多樣性導(dǎo)致了缺乏普適的處理方 法和工藝,同時,廢水組成的復(fù)雜性使得高效處理 非常困難。膜技術(shù)雖然在該領(lǐng)域已經(jīng)有了非常重 要的應(yīng)用,但是未來仍需要加強膜技術(shù)與其他分離過程集成的研究,進一步提高處理效率。
3.3 膜法飲用水深度處理技術(shù)
由于我國過去粗放式的發(fā)展模式導(dǎo)致一些地區(qū)水污染問題較嚴重,雖然近年來國家對水資源的 保護力度不斷加強,但短期內(nèi)很難有突破性的改 善,而常規(guī)飲用水處理工藝對溶解性有機物去除能 力不足,若水中有機物去除不徹底,則加氯**還 有可能產(chǎn)生二次污染[43],使得部分地區(qū)飲用水** 問題較為突出。隨著新國家標準《生活飲用水衛(wèi)生 標準》(GB5749—2006)的執(zhí)行,為了保證飲用水水 質(zhì)**,必須對飲用水進行深度處理,以去除常規(guī) 自來水生產(chǎn)工藝中無法去除的微量有機污染物、消 毒副產(chǎn)物等。近年來,以壓力驅(qū)動的微濾、超濾、納濾和反滲透等膜過程被認為是飲用水深度處理的 先進技術(shù)之一。
與納濾和反滲透過程相比,微濾和超濾的操作壓力更低,可替代常規(guī)飲用水處理過程中的沉淀池和濾池,處理后的水質(zhì)遠遠優(yōu)于常規(guī)處理。但是由于微濾、超濾膜截留分子質(zhì)量較高,水中存在的低分子質(zhì)量有機物無法有效去除,為了達到更好的飲用水深度處理效果,微濾、超濾常與**氧化、吸附等去除有機物效率高的工藝聯(lián)合使用。例如,*近清華大學(xué)報道了將臭氧氧化和超濾陶瓷膜組合進行飲用水深度凈化的研究,結(jié)果表明用該工藝處理輕度污染水源得到的水質(zhì)明顯優(yōu)于常規(guī)處理工 藝。
納濾過程不僅能去除大分子污染物,對溶解性 有機物、**副產(chǎn)物前驅(qū)體的去除率也均較高,同 時還能保留水中某些對人體有益的小分子和礦物 質(zhì)。因此,近年來納濾在飲用水深度處理領(lǐng)域得到了越來越多的關(guān)注。世界上**個大型納濾飲用 水深度處理系統(tǒng)建立于法國 Mery-sur-Oise 水廠,該 納濾系統(tǒng)日產(chǎn)淡水1.4×105 m3,長期運行結(jié)果表明: 納濾工藝去除有機物和殺蟲劑非常有效,出水總有 機碳濃度(TOC)<0.1 mg/L,水質(zhì)極好,且生物穩(wěn)定性 好,能有效防止**的再繁殖。國內(nèi),浙江大學(xué)為了應(yīng)對杭州地區(qū)錢塘江潮汐導(dǎo)致的飲用水咸度過 高,建立了一套以納濾為核心的自來水深度處理示 范集成系統(tǒng),日產(chǎn)凈化水 500 m3,該系統(tǒng)不僅能有效 脫除鹽分,還能降低水體中的有機污染物,對潮汐 地區(qū)的飲水**具有保障作用。
反滲透可以去除水中各種懸浮物、膠體、溶解 性有機物、無機鹽、**和微生物等,成為制備純水的主要技術(shù)之一。1995 年,美國加利福尼亞州建立 了**座以反滲透為核心技術(shù)的水再生廠,運行結(jié) 果表明,反滲透過程能夠去除水中大部分的污染物質(zhì),各項指標均優(yōu)于加利福尼亞州飲用水標準。 2008 年 12 月,澳大利亞昆士蘭東南部一座水廠將反 滲透技術(shù)用于生產(chǎn)可直接飲用的純水,該純水生產(chǎn)工藝的核心部分分別是微/超濾膜、反滲透以及** 氧化過程,經(jīng)過 16 個月的運行,證明該組合工藝產(chǎn) 水水質(zhì)良好,超過飲用水標準。
膜技術(shù)作為先進的飲用水深度處理技術(shù)已經(jīng) 得到了廣泛認同,但水的污染源種類復(fù)雜,針對水 源狀況選擇合適的過程是膜技術(shù)成功應(yīng)用于飲用 水深度處理的關(guān)鍵。而飲用水**涉及民生問題, 制水成本不宜過高的要求使得膜技術(shù)在飲用水深 度處理領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用的經(jīng)濟可行性有待進 一步提高。
4 結(jié)語
水**是維護公眾健康、保障人類社會可持續(xù) 發(fā)展和推進生態(tài)文明建設(shè)的要素,面對日趨嚴峻的水**問題,膜技術(shù)在應(yīng)對水**危機中發(fā)揮了巨大的作用。
1)開辟多樣性的水源:多膜集成技術(shù)能夠滿足不同水源、水質(zhì)的產(chǎn)水要求,為獲得**可靠的水 質(zhì)提供了保障。
2)提高水的利用效率:膜技術(shù)的易集成和高效的特點,使其能夠應(yīng)用于不同領(lǐng)域,有助于實現(xiàn)廢 水的循環(huán)利用,減少廢水排放。
3)保障飲用水質(zhì)**:無論是單一膜技術(shù)還是多膜集成技術(shù)在合理的設(shè)計下都能保障產(chǎn)水水質(zhì) 的**,確保了飲用水能夠達標。
盡管如此,膜技術(shù)僅僅是保障水**的一種措 施和手段,真正解決水**危機需要政府的統(tǒng)籌規(guī) 劃、行業(yè)的積極協(xié)調(diào)和科技工作者的不懈努力,更需要公眾的廣泛參與和共同努力。
