膜分離技術(shù)在飲用水深度處理中的應(yīng)用研究
行業(yè)動態(tài)
目前，水體污染嚴重，部分源水采用常規(guī)水處理工藝技術(shù)凈化后難以滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準》（GB 5749-2006）。 衛(wèi)生組織（WHO）調(diào)查表明，人類80%的疾病和50%的兒童死亡都與飲水水質(zhì)不良有關(guān)。由于水質(zhì)污染，全 每年有5000萬兒童死亡，3500萬人患心血管病，7000萬人患結(jié)石病，9000萬人患肝炎。因此，飲用水的深度處理對保障居民健康具有重要意義。
1 膜的分類及特點
目前，用于飲用水深度處理的技術(shù)有吸附、離子交換、臭氧、超級氧化、生物活性炭、膜分離技術(shù)等。膜分離是一種純物理過程，具有無相變化，節(jié)能、體積小、可拆分、分離效果好、運行穩(wěn)定，及無二次污染等特點，在飲用水深度處理中得到廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)膜的形態(tài)、材料、結(jié)構(gòu)，及功能不同，膜有不同的分類。在飲用水處理中，膜一般按孔徑不同分為微濾膜、超濾膜、納濾膜與反滲透膜，不同膜的孔徑范圍不同，分離機理不同，凈化效果也不同。
2 膜的應(yīng)用
2.1 微濾膜
微濾膜的過濾孔徑為0.01～10μm，截留分子量在100000D以上，具有操作壓力低，水通量大等特點。由于其孔徑較大，可去除飲用水中的懸浮物、膠體、細菌等污染物質(zhì)，一般用于膜處理工藝中的預(yù)處理，對后續(xù)膜起到保護作用。
朱建文等用微濾膜處理經(jīng)沉淀過濾后的飲用水。研究表明，微濾膜的水通量為120L/（㎡·h·bar），運行期間，跨膜壓力增加緩慢。微濾膜對濁度的去除率達到99%，對大腸桿菌等細菌的去除率接近100%，對色度與鐵的去除效果良好，但對有機物等的去除率低于20%。
Dong Bing-zhi等用中空纖維微濾膜深度處理飲用水中的雙酚A。研究表明，吸附作用在雙酚A微濾去除中起到重要作用。pH值在9.6～11.3之間時，雙酚A去除效果較差，離子強度與有機物濃度對雙酚A去除效果影響不大。
Josip Curkod等以三價鐵為絮凝劑，對五價砷進行絮凝，然后用孔徑為0.4μm的平板微濾膜進行過濾去除。研究結(jié)果表明，固定進水中五價砷的濃度為100μg/L，當(dāng)絮凝劑投加量從1.4mg/L增加到3.4mg/L時，出水中五價砷的濃度從18.1μg/L降低到7.0μg/L；當(dāng)絮凝劑投加量為3.4mg/L，進水中五價砷的濃度從100μg/L增加到400μg/L時，出水中五價砷的濃度從7.0μg/L增加到60.8μg/L。膜運行500h，膜的跨膜壓力從0.016bar增加到0.069bar，膜水通量從3000L/（㎡·h·bar）降低到996L/（㎡·h·bar）。
Liv Fiksdal等研究表明，單獨通過微濾對病菌沒有去除效果，通過絮凝/微濾能夠很好的去除飲用水中的病菌。其他研究人員也研究了微濾膜對飲用水中有機物的去除效果。
2.2 超濾膜
超濾膜孔徑范圍為0.001～0.02μm。截留分子量在1000～50000D之間。能夠分離去除分子量大于1000D、粒徑大于2～20nm的顆粒。
楊憶新等采用超濾/粉末活性炭組合工藝深度處理黃河源水。研究結(jié)果表明，超濾膜出水濁度在0.1NTU以下，對葉綠素a的平均去除率達到92%；超濾出水中檢測不到細菌和總大腸菌群。超濾膜對CODmn和TOC的平均去除率僅為23%；但PAC/超濾組合工藝對CODmn、TOC的平均去除率分別提高至45%、71%。無錫中橋水廠采用粉末活性炭/超濾膜工藝對傳統(tǒng)凈化水進行深度處理。運行結(jié)果表明，超濾水水質(zhì)全面達到且部分優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準》（GB 5749-2006），該系統(tǒng)水回收率為98%，綜合處理成本為0.17元/m3。
Dond Bing-zhi等采用切割分子量為2000～10000D的超濾膜對雙酚A進行去除研究，當(dāng)雙酚A的濃度在100～600g/L之間時，超濾膜對雙酚A去除率大于93%；離子強度對雙酚A去除率無影響；腐殖酸對雙酚A去除率影響較小。
飲用水中含有藻毒素將會影響人體健康。Mike B. Dixon等用絮凝/活性炭吸附/超濾組合工藝處理飲用水中的藍藻、細胞內(nèi)與細胞外的藻毒素。研究表明，單獨用超濾膜時，藍藻細胞去除率為100%，DOC去除率為35%；當(dāng)將超濾與絮凝相結(jié)合時，藍藻細胞去除率為95%，DOC去除率為69%；單獨用超濾膜時，膜的水通量急劇降低；當(dāng)超濾膜與絮凝或粉末活性炭相結(jié)合時，膜的水通量緩慢降低。J. C. Mierzwa等采用砂濾/超濾工藝處理Guarapiranga水庫水作為直飲水。在操作壓力為0.467MPa，溫度為25℃的條件下，截留分子量為3500道爾頓的超濾膜的水通量為19.7L/（㎡·h·bar）；對TOC、紫外吸收值、濁度的去除率分別為85%、56%與95%。Jiahui Shao等通過對膜的改性來提高超濾膜的抗污染性與凈化效果，用于飲用水的深度處理。
2.3 納濾膜
納濾膜孔徑接近于1nm，切割分子量在200～1000D之間，不僅能夠去除懸浮物、細菌，也能夠去除小分子有機物。
吳禮光等研究表明，在0.8MPa的操作壓力下，NF200納濾膜的水通量為36.7L/（㎡·h·bar），對飲用水中三唑磷的去除率在90%以上，NF90納濾膜的水通量為28.5L/（㎡·h·bar），對三唑磷的去除率達到97%左右。支天一等研究表明，納濾膜能夠有效地去除細菌，對可生物降解有機物去除率在65%左右，臭氧/BAC/納濾工藝對TOC的去除率達到90%，對COD的去除率達到84%，源水硬度由150mg/L降到35mg/L。納濾膜對砷具有良好的去除效果。
Karina Listiarini等研究表明，NF-270與NF-90納濾膜對溴化物的去除率分別為1%與7%，對溴酸鹽的去除率分別為6%與17%，對腐殖酸的去除率為71%與94%。單獨用FeCl3做絮凝劑時，對腐殖酸的去除率可以達到77%，但不能去除溴化物、溴酸鹽。將絮凝與納濾相結(jié)合，不僅能夠提高膜的水通量，而且能夠有效的去除溴化物與溴酸鹽。
Franc等用4種不同的荷負電納濾膜進行去除飲用水中硝酸鹽的試驗研究。研究結(jié)果表明，當(dāng)進水NaNO3濃度在20～300mg/L，跨膜壓力在10～25bar之間時，納濾膜NF、NF90、OPMNK、OPMN-P對NaNO3的截留率分別在65%～80%、85%～90%、20%～50%、4%～70%。研究表明，納濾膜對農(nóng)藥、氟等也具有良好的去除效果。
2.4 反滲透膜
反滲透膜的孔徑在0.0001μm左右，切割分子量小于200D。能夠大量去除水中的無機離子與有機物。
同煤集團馬脊梁煤礦采用預(yù)處理與膜深度處理相結(jié)合工藝對煤礦廢水進行處理，處理后的水用作生活飲用水。預(yù)處理后水中的Ca2+、Mg2+、SO42-、TDS分別為234mg/L、1801mg/L、3216mg/L、4891mg/L，深度處理后濃度分別為30mg/L、2001mg/L、450mg/L、526mg/L。藍俊等采用過濾/絮凝/保安過濾/超濾/反滲透工藝處理海島水庫水作為飲用水。研究表明，當(dāng)原水電導(dǎo)率為582～2530μS/cm時，反滲透系統(tǒng)脫鹽率達98%以上。超濾對CODmn去除率約40%，反滲透對其去除率約85%。
Wasi Z. Khan用反滲透膜對源水進行脫鹽，室溫下在操作壓力為100～800psig壓力下，反滲透膜脫鹽率在97%～98%之間；TDS去除率為96%。芬蘭上市公司KLV采用反滲透膜去除源水中的氟，然后將反滲透水與地下水按3：7的比例混合供應(yīng)居民生活需要。反滲透膜水回收率為80%，處理水中氟的濃度低于0.3mg/L，混合水中氟的濃度低于1.3mg/L。
3 應(yīng)用中存在的問題
雖然膜在飲用水深度處理中具有許多優(yōu)點，但也存在一些問題。一是工藝復(fù)雜，由于膜的孔徑較小，為避免膜的堵塞，必須對進水進行預(yù)處理，而且要增加膜清洗設(shè)施，處理工藝復(fù)雜。二是運行費用較高，分離膜，特別是納濾膜與反滲透膜運行壓力較高，電耗較大；另外，膜要定期更換，增加了水處理的運行成本。三是需要較高的運行管理水平。由于膜要頻繁的清洗，而清洗藥劑種類繁多，目前一般考慮自動運行，設(shè)備 ，需要較高的運行管理水平。
4 結(jié)論
隨著源水污染趨勢的日益嚴重與生活水平的提高，居民對飲用水水質(zhì)標(biāo)準要求越來越高。膜分離技術(shù)逐漸成為飲用水深度處理主要技術(shù)之一。為降低運行費用，節(jié)省基建投資，必須根據(jù)源水水質(zhì)及處理要求合理選擇處理工藝。開發(fā)新的適宜于飲用水處理的膜，加快膜在飲用水處理中的推廣應(yīng)用。
