膜分離技術(shù)與水資源再生利用

1． 前言

    水是生命的源泉，是人類(lèi)寶貴的、不可替代的自然資源，也是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。水資源的匱乏和日益嚴(yán)重的水污染已成為制約社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，解決這一難題，對(duì)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展是非常迫切的和極其重要的。除水資源的科學(xué)管理和優(yōu)化配置之外，充分發(fā)揮高新科技手段在水再利用中的作用也是十分關(guān)鍵的。
    膜分離作為一高新技術(shù)在近40年來(lái)迅速發(fā)展為產(chǎn)業(yè)化的高效節(jié)能分離過(guò)程。40年來(lái)，電滲析、反滲透、微濾、超濾、納濾、滲透汽化、膜接觸和膜反應(yīng)等過(guò)程相繼發(fā)展起來(lái)，在能源、電子、石化、醫(yī)藥衛(wèi)生、重工、輕工、食品、飲料行業(yè)和人民日常生活及環(huán)保等領(lǐng)域均獲得廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。社會(huì)的需求使膜技術(shù)應(yīng)允而生，也是社會(huì)的需求促使膜技術(shù)迅速發(fā)展，使膜技術(shù)不斷創(chuàng)新、進(jìn)步、完善，成為單元操作，成為集成過(guò)程中的關(guān)鍵。下面就膜技術(shù)在水再利用中的作用簡(jiǎn)述如下，包括海水和苦咸水淡化，飲用水凈化，地下水補(bǔ)救，廢水深度處理回用與資源化，傳統(tǒng)工藝改造和實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)等，這些已成為社會(huì)的共識(shí)，而且發(fā)展?jié)摿艽?，前景誘人。

2.水資源開(kāi)發(fā)、保護(hù)和飲用水凈化

2.1　海水和苦咸水淡化
        50年代提出反滲透(RO)的研發(fā)的目的是為了海水淡化，現(xiàn)在反滲透已成為海水和苦咸水淡化制取飲用水***經(jīng)濟(jì)的手段，世界上反滲透淡化的水日產(chǎn)量達(dá)1千萬(wàn)噸，是中東、沙漠地區(qū)、濱海和島嶼地區(qū)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生命線。我國(guó)部分海島，艦船，濱海電廠，眾多苦咸水地區(qū)，包括西部地區(qū)，也用淡化水解決飲用水和工業(yè)的急需，可以預(yù)期，不久的將來(lái)，北方濱海城市會(huì)將海水淡化作為應(yīng)急用水和補(bǔ)充用水。
    近幾年來(lái),在國(guó)際海水淡化招標(biāo)中，SWRO以投資******，能耗***省，成本最低，建造周期短等優(yōu)勢(shì)而屢屢中標(biāo)。是從海水制取飲用水最經(jīng)濟(jì)的方法，一般電耗4－5 kWh/m3淡水。就是用二級(jí)RO生產(chǎn)含鹽量小于20mg/L的水，與離子交換結(jié)合生產(chǎn)純水，其經(jīng)濟(jì)性也可與其他方法競(jìng)爭(zhēng)的。SWRO所以能如此成功，與其在膜、組器、設(shè)備和工藝等方面的創(chuàng)新性開(kāi)拓是分不開(kāi)的。
    在反滲透膜的發(fā)展方面，不對(duì)稱膜和復(fù)合膜是創(chuàng)新的兩個(gè)范例；反滲透膜組器技術(shù)的創(chuàng)新，使膜的性能得以充分的發(fā)揮，這里主要的是中空纖維反滲透器和卷式反滲透元件；與此同時(shí)，膜脫鹽用的關(guān)鍵設(shè)備，如高壓泵和能量回收裝置也得到快速的發(fā)展，特別是第三代能量回收產(chǎn)品---壓力交換器，它直接將壓力由濃海水傳給新進(jìn)的海水，效率大于90％，這樣反滲透海水淡化的本體耗電降到3kWh/m3以下；據(jù)反滲透膜和組器技術(shù)的進(jìn)步，SWRO工藝也不斷地發(fā)展，除上世紀(jì)80年代一級(jí)海水淡化工藝外，近年來(lái)又提出兩項(xiàng)新工藝---- 高壓一級(jí)海水淡化工藝和高效兩段法工藝，　進(jìn)一步提高回收率達(dá)60％，這樣海水預(yù)處理省了，試劑用量少了，能耗更低了。

2.2 飲用水凈化

    環(huán)境的污染影響到飲用水的質(zhì)量，飲用水的質(zhì)量直接影響人們的健康，而人們生活水平的提高，對(duì)飲用水水質(zhì)要求越來(lái)越高，世界各國(guó)都在不斷改進(jìn)飲用水的制備技術(shù)，如日本的MAC-21和新MAC-21計(jì)劃對(duì)微濾(MF)、超濾(UF)和納濾(NF)在除菌、去濁、去大分子膠體、TXM、農(nóng)藥、異味及部分SO42-、NO3-、F-、As等方面的作用進(jìn)行了深入研發(fā)和肯定；反滲透幾乎可除去各種雜質(zhì)……家用MF、UF、NF和RO凈水器以及瓶裝、桶裝純凈水和礦泉水等，在國(guó)內(nèi)已很普遍。另外，電滲析可脫鹽和除氟，電化膜過(guò)程可對(duì)水消毒及可產(chǎn)生酸性水和堿性水，膜接觸器（MC）可去除水中揮發(fā)性有害物質(zhì)。所以，隨著城市化進(jìn)程的加快，膜技術(shù)作為飲用水的預(yù)處理和深度處理，其作用也越來(lái)越顯著，將成為本世紀(jì)飲用水凈化的優(yōu)選技術(shù)之一。

2.3 地下水補(bǔ)救
       北方地區(qū)甚至蘇、浙地區(qū)的主要城市地下水超采十分嚴(yán)重，造成地下水位下降、呈漏斗形分布，地殼下降、地面塌陷，海水入侵和地下水污染等，僅靠天然降水難以彌補(bǔ)其欠缺，除控制開(kāi)采量外，將污水或廢水進(jìn)行高級(jí)處理后回灌是一良策，美國(guó)加州等地的實(shí)踐表明，這一措施十分有效。我國(guó)在有必需和有條件的地區(qū)，也應(yīng)盡早考慮這一問(wèn)題。

3　改造傳統(tǒng)工藝、實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)
        與國(guó)外工藝相比，我國(guó)許多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)是耗水大戶，也是污水排放大戶。用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)工藝，降低能耗和水耗，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)勢(shì)在必行。用全氟磺酸羧酸離子膜電解取代傳統(tǒng)的汞陰極法和石棉隔膜法從NaCl水溶液制備NaOH和氯氣，該工藝電流效率高，能耗低，轉(zhuǎn)化率高，原料省，純度高，無(wú)污染及投資少。用RO、電滲析（ED）和電除離子技術(shù)(EDI)代替離子交換，可大大減少甚至消除廢酸、堿的排放并節(jié)約大量洗滌、再生用水。以超濾和納濾技術(shù)替代或部分替代傳統(tǒng)的沉降和離心工藝，進(jìn)行蛋白、酶、染料、多糖和醫(yī)藥中間體等的純化濃縮，以及果汁、茶汁的澄清和濃縮等。以滲透汽化(PV)替代或部分替代傳統(tǒng)的蒸餾，進(jìn)行脫水和除去少量揮發(fā)組份……都有顯著的節(jié)水、降耗效果。這些技術(shù)的推廣，必將在改造傳統(tǒng)工藝和節(jié)水減污中發(fā)揮更重大的作用。

4　污水、廢水深度處理回用與資源化
       近年來(lái)，我國(guó)每年排放污水量約400-500億m3，經(jīng)處理后排放的僅15-25%左右，由于污水到處橫流，使我國(guó)各大水系都產(chǎn)生不同程度的污染，水環(huán)境嚴(yán)重惡化，所以，加強(qiáng)污水治理，使之不僅達(dá)標(biāo)排放，而且可大量回用，非常必要，這對(duì)消除污染，改善水環(huán)境，緩解水資源的不足，節(jié)約寶貴的水資源，及促進(jìn)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展等都是十分重要的；同時(shí)污水回用的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，又反過(guò)來(lái)促進(jìn)和帶動(dòng)污水再用的進(jìn)一步發(fā)展，這樣既實(shí)現(xiàn)了污水的資源化，又推動(dòng)了清潔生產(chǎn)。
    城市污水主要由生活污水和工業(yè)廢水組成，大體各占一半?，F(xiàn)主要用集中的生物法（常規(guī)活性污泥法，A-B法，A2/0，水解一氧化，SBR，氧化溝等）處理，使之達(dá)標(biāo)排放。為了實(shí)施污水資源化和清潔生產(chǎn)，除作好集中處理排放污水的回用外，一些點(diǎn)污染源的污水治理與回用也相當(dāng)重要，點(diǎn)污染源治理既可減輕集中處理的負(fù)擔(dān)，又可保證集中處理的水質(zhì)，有時(shí)還可實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。用傳統(tǒng)工藝與膜技術(shù)集成，可將污水或廢水變?yōu)椴煌|(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的再用水，或使之循環(huán)回用，這樣既緩解了供求矛盾，又減少了污染，還促進(jìn)了環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前污水回用已有作工業(yè)冷卻水、灌溉用水和市政用水的大量實(shí)踐，經(jīng)濟(jì)社會(huì)和環(huán)境效益顯著。
    浸沒(méi)式膜生物反應(yīng)器對(duì)生活、食品和醫(yī)藥工業(yè)污水的處理，使之回用；超濾實(shí)現(xiàn)了涂裝行業(yè)（特別是汽車(chē)工業(yè)和鋁加工業(yè)）電泳漆和淋洗水的回收；用超濾處理紡織業(yè)和印染業(yè)中的退漿廢液和印染廢水使之分別返回上漿系統(tǒng)和印染系統(tǒng)再用，效果顯著，是較理想的處理技術(shù)；反滲透和納濾使電鍍廢水（鍍鎳、鍍鉻、鍍鎘、鍍金等）實(shí)現(xiàn)漂洗水中貴重電鍍藥劑的回用，以及漂洗水回用，基本可實(shí)現(xiàn)零排放的閉路循環(huán)；滲析回收冶金、化工、采礦等行業(yè)的廢酸、堿使之再用，極大地減少了污染；用超濾處理含油污水，如油田回注水，原油污水，乳化油廢水和合纖油劑廢水等，也是值得大力推廣的工藝。
    污水綜合深度處理方面，污水處理用膜技術(shù)可除去懸浮微粒、病原菌，各種有機(jī)、無(wú)機(jī)物等，反滲透二級(jí)污水綜合深度處理，所得的不同等級(jí)的再生水可分別用于雜用水（消防、洗車(chē)、路面灑水……），灌溉用水，建筑用水，工業(yè)冷卻水，地下水回注，以至鍋爐用水。這些在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都是可行的。經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益顯著。地下水回注，既阻擋了海水入侵，又補(bǔ)充了地下水源，改進(jìn)流域水質(zhì)，城市污水回用對(duì)緩解城市供水不足，節(jié)省珍貴的水資源，減輕水污染和改善水環(huán)境的作用是非常顯著的，大量的實(shí)踐證明了污水回用的可行性和經(jīng)濟(jì)性，隨著人們環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)和生活水平的提高，對(duì)污水回用要求也會(huì)越來(lái)越高，由于膜技術(shù)的特點(diǎn)，技術(shù)的不斷進(jìn)步以及處理成本的不斷下降，膜技術(shù)在污水回用領(lǐng)域今后更將大有用武之地，發(fā)揮更大的作用。

5　結(jié)語(yǔ)
       早在50年代，為解決“水的危機(jī)”，提出了膜分離技術(shù)，隨著膜技術(shù)的不斷進(jìn)步和水資源匱乏的日益嚴(yán)重，膜技術(shù)作為可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵共性技術(shù)之一，必將倍受重視，并繼續(xù)在水資源開(kāi)發(fā)和保護(hù)、飲用水凈化、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和推進(jìn)清潔生產(chǎn)等方面發(fā)揮更大的作用。