成芃荣，周云超

(1 扬州大学环境科学与工程学院，江苏 扬州 225100；2 中衡设计集团股份有限公司，江苏 苏州 215000)

1 膜分离技术简述

1.1 膜分离技术的诞生

近年来，我国许多城市都存在水资源短缺问题。随着经济发展，人们的生活水平质量不断提高，对水污染问题越来越重视，对饮用水的水质要求越来越高。尤其是很多传统的常规处理工艺具有一定的局限性，传统的工业废水处理方法有氧化还原法、生物处理法等，尤其在实际应用的过程中，这些常规处理方法存在很多不足，比如前期投资过高、操作过程过于复杂等。很多常规处理工艺只能去除水中22%～30%的有机污染物，已经无法保障饮用水的安全性。膜分离技术作为一种新型的给水分离技术如今发展非常迅速。膜分离的现象广泛存在于自然界中，然而人类对它的认识和研究却经过了漫长的道路。膜分离技术起源于20世纪30年代，60年代开始在商业上得到应用，在水资源可持续利用方面的应用越来越广泛，甚至被称为21世纪的水处理技术。

1.2 膜分离技术的原理

膜分离技术的最核心元件是天然或者人工合成的薄膜，它具有良好的选择透过性，通过外界能量或者化学位差作为推动力，对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、提纯和富集的方法[1]，最后将具有不同物理性质或者化学性质的混合物分离开来。

1.3 膜分离技术的特点

膜分离技术作为一种更加新型的分离净化方法，它最显著的优点就是处理效率高，膜的选择透过性决定了它能选择性地让一些物质透过，而隔绝另一些物质。合适的膜可以更加高效对物质进行分离。膜分离技术的过程基本可以实现在常温下操作，自动化程度高，展现出低能耗、低成本的优点，整个过程消耗能源较常规工艺要少很多。膜分离工艺的设备运行相对稳定、装置操作方便，对环境基本无二次污染，在对水进行净化的过程中同时又不污染环境[2]。综上所述，膜分离技术在饮用水处理中具有分离率高、耗能低、没有二次污染等优点。

2 膜分离技术分类

2.1 微滤膜分离

微孔过滤主要利用孔径为0.1～10 μL的对称微孔膜，主要的驱动力为压力差，过滤的溶液一般含高分子量，从而与溶液分离。压力差范围为50～100 kPa，其传质分离机理为筛分截留效应，一般被截留的物质为微粒、大分子溶质及悬浮物质。基于微滤膜的特性，微滤膜分离技术主要用于截留细小粒子、菌体及其他悬浮性污染物，从而使水质净化。

微滤膜具有很多优良的特点，最显著的特点就是其膜孔分布均匀，过滤的效果非常好。制作微滤膜的材料一般具备热稳定性，通常采用聚氯乙烯这类高分子材料制作滤膜。微孔滤膜过滤过程中不易脱落，滤膜使用寿命较长。但微孔滤膜对于微粒的容量较小，分离时容易产生堵塞现象[3]。因此在对物质进行分离前，需进行预过滤，以避免产生堵塞。

2.2 超滤膜分离

超滤膜采用超滤技术，与微滤膜分离的过程类似，同样采用非对称膜，压力差范围一般为100～1000 kPa。在外界的压力影响下，溶液中分子和水利用多孔膜进行分离，孔径约为2.5～45 nm，其传质分离机理为筛分截留效应，一般透过超滤膜的为溶剂和小分子物质，被截留的为生物大分子及胶体物质[4]。超滤膜能够有效除去水中微生物、胶体等物质，如今在饮用水净化具有广泛的应用。

由于超滤膜结构特殊，在分离过程中不易引起膜孔堵塞，使得超滤膜的使用寿命显著提高。超滤膜的过滤精密度较高，可以除去胶体、藻类等物质[5]。超滤膜在使用过程中会使膜污染，因而会降低其分离效率，不过超滤膜机械强度较好，耐化学腐蚀性能好，可以反复清洗以除去污染物和恢复通量。

2.3 纳滤膜分离

纳滤膜主要利用非对称膜或复合膜，溶剂与低价小分子物质可以透过纳滤膜，纳滤膜一般可以截留的溶质粒子粒径小于1 nm[6]。对有机废水中的小分子量物质有较好的去除效果，能耗低并且不会产生二次污染，不影响分离物质的固有性质。纳滤膜的分离性能明显优于微滤和超滤，纳滤膜分离技术在矿泉水的纯化和饮用水的软化中具有广泛的应用。

当今采用纳滤膜分离技术处理饮用水，能够去除饮用水中微量有害离子并保留人体所需矿物质，去除水中有机微污染物。纳滤膜多为复合膜，常用荷电化法、界面聚合法等制备，机械强度大、耐高压。需要注意的是纳滤膜在饮用水处理中需要根据其使用情况定期进行清洗，以免膜污染导致对污染物截留率降低及膜通量下降。陶润先等[7]进行的以生物活性炭作为预处理工艺制备饮用水的实验结果表明，经预处理和保安过滤器截留后，在操作压力0.32～0.37 MPa下连续运行两个月，膜污染程度很低。

2.4 反渗透膜分离

反渗透膜分离技术主要是以压力差范围为0.1～10 MPa作为传质驱动力，如果溶液侧施加外压大于渗透压时，溶剂分子会由纯溶剂侧向溶液侧变为由溶液侧向溶剂侧流动。因此透过反渗透膜的大多数是溶剂，所截留的物质一般为溶液或悬浮物质、无机离子、大分子溶质[8]。在进行反渗透膜分离操作之前，一般都会对原料液要进行预处理，一般采用微滤或者超滤的预处理方法去除原液中的微小粒子，以免对反渗透膜产生损害[9]。目前反渗透膜分离在饮用水处理中主要应用于淡化海水，当然在纯水制备中也有很广泛的应用。

3 膜分离技术在饮用水处理中应用现状

3.1 饮用水纯化

膜分离技术与传统工艺相比，可以解决许多传统工艺中存在的复杂问题，综合运用膜分离技术可以消除水中的微污染物和消毒副产物，现已被大量用于饮用水处理中。特别是以纳滤膜为核心的处理工艺因为其杂质去除率高，运行压力低等优点，在市政供水行业的优势已经逐步体现。福州市长乐二水厂的取水口会受到海水倒灌的影响，使得原水中氯化物指标不断升高，出厂水中的氯化物指标呈阶段性、季节性超标，特别是到了秋季咸潮时，市民家里自来水会“发咸”。为保障供水水质安全，福州市长乐二水厂在不更换外部水源及不增加外部管网接入的前提下，升级改造了现有的处理工艺进行。如今已建成国内规模最大的以纳滤膜为核心的“超滤+纳滤+浓水反渗透”的全膜法水处理工艺的自来水厂并实现稳定运行[10]。长乐二水厂设计产水规模为10万 m3/d，预处理采用超滤达到去除水中微小颗粒及胶体物质的目的，深度处理部分采用纳滤+浓水反渗透的全膜法工艺[10]。出厂水中的氯化物含量及各项指标都能满足饮用水标准，在提高水资源利用率的同时并能有效提升出厂水的水质，保障居民用水安全。

3.2 海水淡化

海水是许多沿海城市重要的水资源，但海水含有较高的微溶无机盐离子，比如钙离子、磷、镁等无机离子，用一般方法难以去除。因此需要对海水进行脱盐处理才能利用，淡化海水工程最具竞争力且技术相对比较成熟的为反渗透法。在反渗透淡化海水工程中，通过反渗透膜技术并同时添加阻垢剂和酸能够有效去除进水中的碳酸根和重碳酸根[11]，目前这种方法已经应用于某些沿海城市缺水城市。

三沙市永兴岛的海水淡化厂建设之前，补给船定期补给岛上居民的饮用水，船运的补给淡水用运水车运送至居民自建的水窖储存，水量非常有限。并且其他生活用水水源主要是岛上降雨，即依靠汇集屋顶雨水储存在自建的雨水窖中。基于永兴岛上用水规模小，所有物资均需船运，岛上可用地面积较小的特点，最终采用反渗透技术进行海水淡化。三沙市永兴岛海水淡化厂每天产水1000 m3，运行过程不投加混凝剂，水质满足标准，永兴岛海水淡化厂占地面积小、工程量小、自动化程度高、安全可靠、运行过程耗材种类少用量小，很好地满足了岛上居民的生活用水需求。通过资料了解到永兴岛海水淡化厂运行系统主要由纳米催化絮凝沉淀系统、海水淡化膜系统等系统组成。海水通过取水系统进入电解机，出水进入斜板沉淀池，再经过超滤过滤，最后作为海水淡化膜系统的进水[12]。在反渗透海水淡化膜分离设备进行脱盐处理，脱盐处理后的淡水作为饮用水供给岛上居民使用，浓缩海水直接排放入海。

4 膜分离技术的未来展望

如今，膜分离技术现在是世界水处理领域研究的热点之一，特别是在饮用水处理过程中膜分离技术展现出很多优点，正是这些优点很好地解决了常规工艺无法解决的问题，并且很好地缓解了如今资源紧张、环境污染所带来的困扰。由于膜分离技术的优越性能，目前已经得到世界各国的普遍重视。膜分离技术因具有出水水质优良、占地小、自动化程度高等特点，已成为了目前最有效的饮用水深度处理技术之一。膜分离技术在未来必将成为自来水厂饮用水深度处理的主流工艺。虽膜分离技术获得了成功，但它毕竟还处于发展阶段，还有许多问题等待解决。尽管膜技术有着很大优势，但依旧需要在简化工艺、和提高运行稳定性等方面进一步完善。我国膜分离技术由于开发起步晚，与其他国家的先进水平还存在较大差距，需要我国研究人员进一步的研究开发完善[13]。未来膜分离技术将会

被进一步改进和完善，不断扩充原有的应用领域，使膜分离技术发挥更大的作用。