膜技术应用于净水处理的研究和现状_董秉直

膜技术应用于净水处理的研究和现状董秉直曹达文范瑾初提要膜技术被称为“二十一世纪的水处理技术”,现已受到越来越多的水处理工作者的关注。在综合大量国内外文献资料的基础上,主要介绍了国外膜分离技术在净水处理中的研究和应用现状。关键词膜分离净水处理截留分子量膜污染0前言随着工业化的发展,大量的生活和工业废水排入水体,使人类赖以生存的水源日益受到污染,另一方面,随着人们生活水平的提高和健康条件的改善,对饮用水水质的要求越来越高。传统的混凝、沉淀、过滤和消毒处理工艺已很难满足日益严格的水质要求。在这种背景下,80年代末,膜分离技术开始应用于饮用水处理。其研究始于80年代中期,以欧美和澳大利亚为主。80年代后期开始实用化。1987年,在美国科罗拉多州的Keystone建成世界上第一座膜分离净水厂,水量为105m3/d,使用外压式中空聚丙烯MF膜,孔径0.2μm。根据一项调查[1]表明,全世界目前使用膜分离处理工艺(不包括反渗透)的净水厂生产饮用水量为185500m3/d,其中90%产水量为小于3800m3/d规模净水厂生产的。原水的25%为地下水,65%为地面水。日本从1992年开始,由厚生省牵头,以国立公众卫生院和水道净水协会为主,组成“膜应用新型净水系统委员会”,丹保宪仁任委员长,实施所谓“MAC21计画(MembraneAquaCentury21)”,对MF和UF膜应用于净水处理进行3年期的大规模研究[2]。1膜分离技术的特点以压力为推动力的膜分离技术有反渗透(RO)、纳滤(NF)、超滤(UF)以及微孔过滤(MF)。膜分离技术的特点是能提供稳定可靠的水质,这是由于膜分离水中杂质的主要原理是机械筛分,因而出水水质仅仅依据膜孔径的大小,与原水水质以及运行条件无关。此外,膜分离还会使水厂用地大大减少,运行操作自动化,使水厂成为真正意义上的“造水工厂”。膜分离性能可根据膜的孔径或截留分子量(MWCs)来评价。具有较小孔径或MWCs的膜可去除水中较小分子量的污染物。截留分子量是反映膜孔径大小的替代参数,单位是道尔顿Dalton(1Dalton=1.65×10-24g)。因为分子的形状和极性会影响膜的截留,所以MWCs仅仅是一种衡量膜截留杂质能力的大致标准。压力驱动的膜分离工艺可用有效去除杂质的尺寸大小来分类。膜分离水中微粒和相互关系如图1所示[3]。图1RO运行压力高,为1～10MPa,能耗大,而且由于良好的截留性能将大多数无机离子(包括对人体有益的)从水中去除。长期饮用这种水,会影响人体健康,因此不适宜作为水厂处理工艺。NF膜具有松散的表面层结构。由于膜内氨基和羧基两种正负基团,对低浓度的盐类有很高的去除效果,可在较低的压力(0.5～1MPa)下实现较高的水通量。NF膜的MWCs为200～1000Daltons,在RO和UF之间,总盐类去除率在50%～70%左28给水排水Vol.25No.11999DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.1999.01.009右,对二价离子如钙镁的去除率特别高,在净水处理中适用于硬度和有机物高且浊度低的原水。NF进水要求几乎不含浊度,一般要求进水的SDI≤3,故仅适用于地下水处理。如用于地面水处理,必须要有混凝、沉淀、砂滤甚至UF和MF作为预处理。如位于法国巴黎郊外的MérySurQise水厂,产水量14万m3/d,为世界最大处理水量的NF膜分离净水厂,其工艺流程是沉淀、臭氧、双层滤池、微孔过滤和纳滤[4]。MérySurQise水厂NF膜处理效果如表1所示[5]。表1MérySurQise水厂NF膜处理效果水质指标进水NF膜出水去除率/%浊度/NTU0.5<0.1>80pH7.56.5TOC/mg/L4.00.490DOC/mg/L3.60.4BDOC/mg/L1.1<0.1>90UV2700.0720.00394CHCl3/μg/L72.83.096THMFP/μg/L988.392TOXFP/μg/L3194187CODMn/mg/L2.30.1594由表1可以看出,NF膜对有机物处理效果非常好。但由于去除大部分的硬度,出水会对管网产生腐蚀。UF和MF运行压力低,仅为70～200kPa。UF和MF之间主要区别在于孔径大小不同,UF孔径范围在0.001～0.1μm,MF孔径大于0.1μm。MF和UF可截留水中绝大部分悬浮物、胶体和细菌,其作用相当于以除浊为目的的传统处理工艺。根据日本“MAC21计画”的研究结果,UF的处理效果如表2所示[2]。UF和MF不仅适合于处理地下水,而且也适合于处理地面水。据调查[1],尽管40%的膜分离净水厂所处理的原水浊度大于10NTU,但几乎所有的膜分离水厂的出水浊度均小于0.1NTU,所有的出水中的大肠菌为零。UF和MF对水中有机物的去除率很低,仅在20%