膜分离技术在再生水处理中的应用

膜分离技术在再生水处理中的应用摘要：在水资源匮乏的今天，水的循环利用是解决我国水资源危机的一个重要方式，而膜分离技术正以其特有的优势在再生水的处理过程中发挥着重要的作用。本文首先从膜分离技术的概述出发，系统阐述了膜分离技术的概念、特点以及优势，其次分析了膜分离技术在再生水中的应用环节，最后分析膜分离技术在再生水处理应用中所存在的不足以及其未来的发展趋势，并进一步指出膜分离技术在再生水处理中的广阔发展前景。关键词：膜分离技术；水处理；发展前景目前，随着工业经济规模的不断发展扩大，水资源短缺和水资源污染问题已经成为了全世界都面临的一大难题。而随着水资源问题的日益严峻化，我国已经将再生水视做了水资源的一种替代性资源。所谓的再生水资源主要是指经过一定技术手段处理后达到特定标准的雨水、海水或者废水等，再生水的利用对于缓解我国目前的水源危机有着极为重要的作用。与常规的水处理工艺相比，作为二十一世纪最为先进的科学技术之一的膜分离技术有其特有的优势，具有处理效率高、自动化程度高、人工成本低以及资源消耗低的优点，近年来逐渐受到了实务界和学术界的广泛关注。1.相关概述1.再生水回用主要途经1.再生水回用于景观用水现今随着水资源短缺问题的不断加剧，为了减少优质水资源的浪费，许多城市都选用再生水运用于景观用水。在第八个五年计划期间，我国政府以大连、天津等大城市为依托进行了进一步的实验试点。与此同时我国还在泰安建立了再生水用于景观用水的示范性工程。而在“十五”期间我国全面开展了以“城市污水再生利用”的研究课题，为再生水的后续利用和推广奠定了坚实的基础。1.再生水回用于生活杂用水所谓的生活杂用水，主要包括家庭卫生用水、马桶冲洗、洗车、城市绿化以及花草灌溉等。在人们每天的水源需求当中，仅有饮用水、煮菜和做饭的水对水质要求较高，但这只占人们日常用水的一小部分，大约为每人每天12升，而其他譬如冲厕所、打扫卫生等都无太高的水质要求，因此可以使用经过处理过后的再生水。1.膜分离技术1.膜分离技术的特点膜分离技术应用时具备诸多特点，首先是装置紧凑。例如在处理活性污泥时，与传统处理技术不同，膜分离技术一般无需采用沉降槽，这就极大的缩小了净水装置的体积，使其运用更加便捷。第二，处理范围较广。膜分离技术可以使活性污泥始终维持在高浓度的状态，因此无需进行进一步的消毒就可以使水源中的有机物以及总氮的含量降低。第三，维护管理成本低。与传统技术相比膜分离技术没有沉降槽，这就使得污泥浓度的管理较为便捷，而且装备体积较小也为净水处理操作提供了便利。2.膜分离技术的优势第一，与传统技术相比膜分离技术对外在环境要求较低即便是在常温环境下也可以完成净水处理过程，这就使得水资源无相变、质变，能够避免有效成分和热敏性成分的破坏，而且还可以及时的对其反应过程加以控制和调整，有利于水处理企业对于生产过程的指挥和调度。第二，膜分离技术所使用的设备一般成本一般较低，因此能够起到降低成本、提高效益的企业目标。第三，膜分离技术与近年来盛行的可持续发展和绿色发展的理念更加契合，相对于传统的水处理技术而言，膜分离技术的能耗较低而且对环境的污染也较低，因此具有光明的发展未来。第四，膜分离技术的过滤精度高，能够有效去除指物纤维、胶体等杂质，水处理效果较好。而且膜分离技术是通过均质过滤实现水处理过程的，因此能够较少的损耗有效成分。二、再生水膜处理技术经过多年的发展，再生水技术已经逐渐成熟并形成了一套完整的体系，对于不同水质要求以及不用用途的再生水都有其针对的再生水处理技术。而所谓的膜分离技术最早出现于20世纪九十年代，根据对分离过程使用的驱动压力和分离范围的差别，膜分离技术主要可以分为以下几类：即MF微滤膜、UF超滤膜、NF纳滤膜、RO反渗透膜四种。（一）微滤膜微滤膜技术与纳滤膜技术有着相似的运作原理，即都是通过水压差异来实现对水中不同物质的分离过程。微滤膜以其过滤精度高而著称，其膜孔径一般位于0.1~10um之间。基于其过滤精度高的特点，微滤膜技术广泛应用于化工及食品行业当中，来实现油脂和悬浮物的过滤和分离。除此之外，膜分离技术由于效率高、污染小的特点广泛应用于反渗透前端。但是微滤技术单元尺寸小的特点导致了其每天能处理的水资源量有限，严重制约了该技术的规模发展。而为了克服微滤技术的这一缺点，澳大利亚的微滤技术龙头企业Memcor公司进一步推出了稳定性更好以及结构更为紧密的浸没式连续微滤，即CMF-S。其主要是通过将膜组件浸泡在一个开放的凹槽内来达到模块在持续的水流下正常运行的效果，并借助于间断性的气水反冲洗来分离膜组件中残留的固体污泥，最后借助于化学清理来帮助运行一定时间的膜组件恢复最初的性能。但是在实际运用过程中，我们必须高度警惕膜的污染问题。大部分膜污染问题的发生都是由于有机物附着在膜的多孔机制上造成的。而预防膜污染问题的发生这主要有以下几种方法：第一，为了防止有机物的过度附着，可以预先对某些纤维、烧结物质以及颗粒状的活性炭进行过滤。第二，可以加快对膜技术的研究进度，改善膜材料的结构和性能，从而提升膜材料的抗污染能力。第三，可以通过外部操作环境的改善来达到防止膜污染的目的，比如可以改进清洗系统性能抑或是强化传质等。（二）超滤膜顾名思义超滤膜就是使用超滤技术的膜，所谓的超滤是指在外部压强的影响下并借助多孔膜使水资源中的成分和水分离的一种技术。超滤膜的孔径一般较微滤膜大，范围大概在2到50纳米之间，可以有效地实现原水中蛋白质、胶体以及各种微生物的去除，其在工业废水的处理以及生活用水的净化方面有着广泛的应用。超滤膜的工作原理是借助于高压力的作用来达到对部分胶质物质的分离，实现对高质量溶质的拦截。与此同时由于超滤膜的化学特性使得其可以对少量的化学物质进行截留。而在对水溶液实施超滤的过程中，通过对水施加高压，可以使得原水穿透超滤膜时在截留胶体的同时保证无机盐以及其他小分子量分子的通过。虽然超滤技术在各个领域都获得了广泛的应用，但作为一种新生事物，其仍然存在着某些不足，主要包括以下几个方面：第一，超滤膜过滤技术包括浸入式和压入式两种，但无论哪一种模式都需要借助于辅助工具，这就加大了企业的处理成本并给工艺的应用带来了一定的不便。第二，膜污染问题是任何技术都不可忽视的一个问题，一旦膜被污染就会严重的影响超滤技术的过滤效果。而超滤膜常见的污染问题主要有生物污染、沉淀物污染以及吸附物污染几类，因此我们必须要对进行定期的检修和维护，保证超滤膜的应用效果。第三，超滤膜技术还处于起步阶段，其发展尚未成熟和完善，这就导致超滤膜一般为单方使用而缺少与其他过滤工艺的结合，这严重阻碍了超滤膜技术的后续发展。第四，在农村地区由于相关专业技术人员的缺乏和较高的运行操作成本，导致其普及范围较窄。（三）纳滤膜纳滤膜作为一种水处理技术是一种中间手段，其过滤精度和孔径大小处于反渗透膜和超滤膜中间。与其名称一致，纳滤膜的孔径范围大概为1纳米，因此其可以实现对1纳米左右的物质的一种过滤和截留，而相比于二价离子，一价无机盐由于直径和电荷性均较小，，因此可以渗透纳滤膜。纳滤膜主要应用于废水脱色、矿泉水的提纯以及生活饮用水的软化方面。纳滤膜的水处理原理与超滤膜和反渗透膜相似，都是利用两端之间的压力擦来实现膜的分离效果，这一机理下膜的分离过程是一个不可逆的过程。纳滤膜的运作机理可以借助于近年来较为热门的静电排斥和立体阻碍模型、以及电荷模型来描述。与上述的集中膜处理方法比较，纳滤膜具有截留小分子量的有机物的优点，同时还能实现水资源的脱盐与浓缩的同步实现。在施加相同压力的情况下，纳滤膜的渗透量要比反渗透膜大得多，除此之外如果将通量固定，那么纳滤膜只需要比反渗透膜更低的压力就可以进行水处理工作，因此，与反渗透膜相比，纳滤膜具有效率更高、浓缩更有效的特点。（四）反渗透膜所谓的反渗透膜是一种模拟生物半透膜制成的一种具有一定特性的人工半透膜，其通过在膜结构中高浓度的一侧施加压力的方式来达到使高浓度侧的水物质想低浓度一侧流动的目的。反渗透膜技术是在1953年美国佛罗里达大学首次被提出的。与其他膜分离技术相比，在对于钾、氯、钠等化学物质的过滤上，反渗透膜有着高达98%的截留率；由于这一特性，反渗透膜技术被广泛应用于海水提纯以及苦咸水的淡化行业。反渗透膜的膜元件的制作流程如下：即先取出两张半透膜，再在其中间设置一层支撑材料后用胶将膜的三边粘合起来形成一个闭合的口袋，其次按序在各个口袋上放置一层隔网并将中心多孔管粘合在口袋的开口端，最后沿着中心多孔管将折叠好的隔网和口袋缠绕好支撑一个反渗透膜的元件。与微滤膜不同的是，反渗透膜常出现的污染原因是由于结垢、生物污染以及固体的悬浮几种。其中化学结垢这一污染问题常发生与反渗透膜的第二段，而且不仅膜的表面会出现结构现象，而且系统内部也会出现不同程度的结垢现象。但由于反渗透膜本身价值较高，因此较短期间内的频繁更换不现实，因此我们必须要采取一定的措施来预防膜污染的发生。主要措施有：（1）对膜的过滤操作条件进行改进。即利用脉冲流技术或者是料液流动速度的提高来实现摸面料液的力学条件改善的目的，通过流体边界层厚度的降低来实现浓差极化的降低，进而实现膜污染进度延缓的目的。（2）改进反渗透膜生产技术。应当加快研究步伐，寻找更为优质的材料取代现有材料来制作高质的抗污染反渗透膜，提高反渗透膜的使用寿命和清洗周期，减轻企业成本。（3）定期进行膜清洗。在产水量下降程度达到10%或者是透盐率达到5%等情况时，通过化学方式或者是物理方式和超声波方式来对膜进行清洗。三、结语与展望在水资源愈加宝贵的今天，解决水资源的紧缺问题、提高水资源的利用效率使我们亟需解决的一个关键性问题。而其中再生水的重复利用在水资源问题的解决中扮演者极为重要的作用。而膜分离技术则是在这一社会大背景下应运而生的一种新型的高科技手段，具有十分广阔的应用前景。但由于再生水处理中的膜分离技术起步较晚还未形成完整的体系，导致膜技术的具体应用还存在着较多的问题。因此本文通过对国内外有关膜分离技术文献的阅读分析以及对实际处理过程的研究，对膜分离技术的改进问题提出以下三点建议。第一，应当优化膜的前期制备过程，保证膜的质量，使其在抑制剂和分散剂等添加剂最少使用的情况下保证水解过程中溶胶的稳定性，并在此过程中得到窄分散纳米粒子这一化学物质，从而排除膜的浸渍涂染的安全隐患。第二，要将膜材料耐高温耐高压以及耐污染的特性发挥到极致，实现膜分离技术在极端条件下的正常使用，从而扩大膜分离技术在水处理过程中的应用范围。同时可以利用有机膜材料对无机膜进行相关的制备，这样不仅能够降低膜分离技术的应用成本，而且还能使得膜的截留通量得到提高，实现弥补有机膜使用期限较短的缺陷。第三，通过工艺的改进来优化膜的制作工艺，同时加强对膜污染问题的研究探索，最大程度的防止膜污染问题的发生，提高