范茜超滤技术在饮用水处理行业的应用和发展展望.doc

超滤技术在饮用水处理行业的应用及发展展望摘要：介绍了膜材料尤其是有机膜材料在饮用水领域的应用和发展，概述了超滤技术在饮用水处理行业的历史发展沿革，总结了当前超滤技术与其他技术的集成应用与研究，展望了超滤新技术在我国饮用水处理方面的应用前景和发展方向。关键词：超滤膜 饮用水 膜材料 有机膜 水处理1 超滤技术超滤(Ultra Filtration,UF)是一种绿色物理分离技术,能够将溶液进行净化、分离或者浓缩的膜透过分离技术，其分离机理主要是筛分和扩散作用；过滤性能介于微滤和纳滤之间。超滤技术截留分子量的定义域为500500 000左右，对应孔径约为0.0020.1m，操作静压差一般为0.10.5MPa，被分离组分的直径约为0.00510m。超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当水流过膜表面时，只允许水、无机盐及小分子物质透过膜，而阻止水中的悬浮物、胶体、蛋白质和微生物等大分子物质通过1,2。超滤膜多为不对称结构，由一层极薄(通常小于1m)具有一定尺寸孔径的表皮层和一层较厚( 通常为125m左右)具有海绵状或指状结构的多孔层组成，前者起分离作用，后者起支撑作用3。2 超滤膜材料的发展超滤膜制膜材料可分为有机材料和无机材料两种。无机膜材料有陶瓷、沸石、玻璃等，其中陶瓷膜较为常见；目前国内外市场也是陶瓷无机超滤膜居多，常用的陶瓷膜可分为Al2O3、ZrO2和TiO2膜等4。有机膜材料主要有聚砜(PSF)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)，此外还有聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯( PVC)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)等。尽管自1906年，Bechold等首次提出“超滤”术语，至今已有100多年了，但第一张真正意义上的超滤膜的诞生始于20 世纪60年代初5。我国超滤膜技术起步较晚，20世纪70年代才开始有关超滤膜的研究, 70年代研制出醋酸纤维管式超滤膜，80年代研制出聚砜( PS) 卷式超滤组件、聚砜( PS) 中空纤维超滤组件、聚丙烯腈( PAN) 中空纤维组件、聚氯乙烯( PVC) 中空纤维组件6-8。目前我国已有PS、PAN、PSA、PP、PE、PVDF 等十余个品种的超滤膜，用于水处理行业的超滤膜材质主要有聚偏氟乙烯( PVDF)、聚醚砜( PES) 和聚氯乙烯( PVC)等。PVC 材料价格较低，建设成本相对低廉；PES 亲水性能较强，抗氧化能力较强，运行电耗相对较低；PVDF强度较好、韧性高、耐氧化性能优良、耐污染程度高，可应用于污水处理领域4,9。由于膜材料的化学性质、亲水性或疏水性、荷电性、极性或非极性等都会影响膜的分离性能，而单一的膜材料很难同时具有良好的亲水性、化学稳定性、成膜性、热稳定性、较低的操作压力、较好的水通量以及耐酸碱性耐氧化性和机械强度等优点10,11，因此目前研究焦点已转向对各种材料进行改性处理提高其物理化学性能，以增强其处理效果，改进由膜污染而引起的渗透通量下降和寿命缩短等问题；改性方法有多种, 有物理共混改性、表面化学改性12、等离子体改性13，14、溶剂预处理等方法。这些方法都能在膜表而引入极性基团或亲水性大分子链, 使膜的亲水性得到改善,而不影响膜本身的性能。目前国内新型的超滤膜材料有新型材料有PVC合金（PVC与其他材料通过采用了接枝共聚、嵌段共聚和物理共混的方法进行改性混合而成的材料）超滤膜、多通道中空纤维超滤膜等。3 超滤膜在饮用水处理领域应用的历史沿革上世纪80年代：1987年，美国科罗拉多州的Keystone建成了世界上第一座膜分离水厂，处理水量105m3/d，采用孔径为0.2m的聚丙烯中空纤维微滤膜；1988年，法国建成的Amoncourt水厂是世界上第一座采用超滤工艺的给水厂，日处理水量为240m3，采用0.01m醋酸纤维素中空纤维超滤膜15；1989年，荷兰建成了处理水量为1200m3/d的超滤膜水厂，用以去除浊度并且达到消毒作用。上世纪90年代：1998年，加拿大安大略省Collingwood水厂采用0.035m的浸没式超滤膜过滤技术建成超滤水厂并投产，日处理水量为2.8万m316；1997年，法国Essonne建立了Vigneux超滤膜过滤水厂，处理Seine河水，处理能力达5.5万m3/d。1998 年德国TNA公司以Nonnweiler水库水为水源饮用水，试验证明超滤和微滤膜法处理的出水水质都能很好的满足德国饮用水标准17。截止1999年全世界采用超滤技术的水厂已经达到50家18。本世纪：2009年新加坡建成目前世界上最大的浸没式超滤饮用水厂Chestnut水厂，采用强化混凝+超滤+UV消毒工艺，一期处理水量为 27.3万m3/d，最终处理水量可达72.8万m3/d。新加坡、澳大利亚、荷兰、英国、美国和以色列使用超滤技术净化自来水的处理量分别占其自来水总供水量的12.0%、4.0%、3.1%、2.0%、2.5%和1.2%，并且越来越多的老水厂改造和新建水厂倾向于采用超滤工艺。我国于超滤技术的应用起步较晚，2005年第一座采用超滤技术的给水厂苏州市木椟镇渡村水厂(处理能力为1万m3/d) 投入运行19；2007年，处理能力30万m3/d的台湾高雄拷谭高级净水厂建成投产；2008年，处理能力5000m3/d的天津杨柳青水厂建成投产；2009年12月，处理能力2.5万m3/d的南通卢泾水厂投产，处理能力5万m3/d东营南郊水厂投产，处理能力15万m3/d的无锡中桥水厂投产；自此，我国超滤水处理技术在饮用水处理领域进入快速发展阶段。2012年至2013年间，又有多家日处理能力10万吨以上的水厂如上海青浦第三水厂、乌鲁木齐红雁池水厂、杭州清泰水厂等相继建成投产。另外，北京市平谷等区县的一些农村安全饮水示范工程15、海南自2012年开始实施的“膜法”农村饮水安康工程中也采用的是超滤膜水处理技术。“十二五”国家水体污染与控制科技重大专项设立的相关膜产业化课题也将极大的推动超滤技术在我国水处理领域的发展进步。4 超滤与其他水处理技术的集成发展尽管超滤膜分离技术在去除浊度、病原微生物等方面优于传统工艺，但是，它在饮用水处理领域中的推广应用还存在诸多问题，因此，扬长避短采用超滤分离技术与其他技术的集成应用成为当前研究的重点和未来发展趋势。Xia S J20等在采用超滤设备处理水库水作为饮用水的试验中,发现在超滤前使用混凝可以提高渗透通量和延缓膜通量降低。王锦等人21研究表明与直接超滤相比, 混凝-超滤工艺对溶解性天然有机物(腐植酸) 的去除效率较高, 尤其是对分子量小于6000道尔顿的有机物的去除率有很大提高。混凝预处理使小分子有机物粘附在微絮体上,降低了污染物在膜孔中吸附引起的膜污染,而微絮体在膜表面沉积形成滤饼层为主要过滤机理,从而使过滤保持高透水通量。梁恒等人22的研究表明超滤组合工艺可以显著降低出水的微生物风险，在化学预氧化粉末炭吸附常规工艺后辅以超滤工艺的城市管网水具有低浊度、低有机物含量、低氨氮的特点，能够显著减低超滤膜水厂出水的微生物风险，在少量消毒剂投量下即可维持管网生物稳定性，同时维持消毒副产物在较低的水平，能够充分保障饮用水水质安全。于宏兵等人23和黄明珠等人24采用臭氧生物活性炭超滤工艺处理富营养化湖水的试验研究。结果表明, 臭氧可以将难降解的有机物转化为易于降解的有机物, 将非溶解性的有机物氧化成溶解性的有机物, 为生物活性炭所吸附, 大大降低了超滤膜的有机物负荷,使超滤膜的工作周期大大增加, 反冲洗次数减少。当他们将臭氧生物活性炭置于超滤膜之后时, 则由于超滤膜去除了非溶解性有机物和部分DOC, 大大延长了生物活性炭的工作周期。超滤技术与其他水处理技术的集成目前已有诸多应用实例，如采用微絮凝直接超滤工艺的苏州市渡村水厂，采用混合絮凝超滤工艺的天津市杨柳青水厂、新加坡的Chestnut水厂，采用混凝沉淀超滤反渗透工艺的台湾高雄拷谭高级净水厂以及采用常规处理臭氧活性炭超滤工艺的加拿大Lakeview水厂等型。前几种工艺主要用于提高给水厂的产水能力、降低出水浊度和有机物含量、去除藻类及两虫和病原微生物等,最后一种工艺可以在溶解性有机物含量较高时采用,以提高出水水质21。5 展望超滤技术作为第三代城市饮用水净化工艺的核心技术25，在饮用水处理领域的应用前景十分广阔，其研究和应用未来将有如下几个方面：1、 膜材料的更新膜材料仍将是未来超滤膜研究主要方向之一。除继续寻找性能优良、来源丰富的新型单一制膜材料原料外，加强复合膜材料方面的探索研究，尝试采用包括化学改性、高聚物共混改性、有机无机材料复合等方法以获得性能更优的材料。2、 膜组件及运行维护技术的提升提升膜组件制备工艺及运行维护水平，发展组件和系统配置技术, 严格制备和检测工艺标准,加强膜污染控制和膜清洗新技术的研究和实际推广应用。3、 技术集成针对不同的原水水质及出水要求，因地制宜的开发以超滤为核心与其他水处理工艺技术相组合的水处理工艺, 研究更加经济、有效、可行的多种膜法组合技术, 优化工艺参数, 推广其在实际工程中的应用。参考文献1牛涛涛,李振玉,汪建根,等.超滤在废水处理中的应用J.河北化工,2008, 31(5):10-12.2李琳琳，单学敏，高丽.超滤技术在水处理中的应用研究J.安全与环境工程，2010,17（6）:5-8.3许振良. 膜法水处理技术M.北京:化学工业出版社,2001:31-33.4周波.超滤膜制膜材料的研究动态及在饮用水处理中的应用J.江西化工.2012，12（4）：1-3.5华耀祖.超滤技术与应用M.北京:化学工业出版社，2003:6-7.6郭有智.中国膜工业发展战略研究J.化工新型材料，2002，30(6):4-8.7张晓慧，罗嫣，隋军等.超滤膜性能指标检测技术现状J.价值工程.2010(22):111-1128陈治安，刘通，尹华升等.超滤在饮用水处理中的应用和研究进展J.工业用水与废水.2006，37(3):7-109张雪，周洵，张璐.两种不同材质超滤膜处理饮用水的综合性能研究J.供水技术.2012，6（6）:17-1910李永红，张伟，张晓健，等.超滤膜的污染控制研究进展J.中国给水排水.2009，25（2）:1-411NoHwa Lee, Gary Amy, Jean- Philippe Croue, et al. 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