超濾與反滲透及其在水處理中的應用

      一、水資源短缺和水污染已成為制約社會發展的世界性問題，多方面進行治理是解決水資源短缺問題的重要方法。隨著人口的增加和工業經濟的發展，人們對高質量水的需求越來越多。超濾與反滲透是水處理中的一種膜分離技術，稱為近年來國內水處理行業應用最成功、發展最快、普及最廣的一種技術。隨著膜技術的成熟及膜產品的不斷完善，超濾及反滲透技術不僅在純水制備領域進行了廣泛應用，在海水淡化、污水處理及利用、工業廢水處理等方面得到廣泛的應用，被食品、制藥、化工、電力等各行業廣泛接受。

　　二、超濾與反透滲的原理

　　1、超濾原理

　　超濾是一種流體切向流動和壓力驅動的過濾過程，并按分子量大小來分離顆粒。超濾膜的孔徑大約在0.002-0.1微米范圍內。溶解物質和比膜孔徑小的物質能作為透過液透過濾膜，不能透過濾膜的物質被濃縮于排放液中。因此產水中含有水、溶解固體及小分子量物質，而膠體、懸浮顆粒、高分子量有機物、細菌、病毒和原生動物將被過濾去除。

　　 原水在進入反滲透膜系統之前先進行預處理，水質達到要求后再經加壓泵進入膜組件。預處理方案的選擇主要依據是原水的水質情況進行選擇，現在一般采用超濾作為反滲透的預處理。超濾作為反滲透預處理具有以下優點：

　　膜過濾精度遠高于傳統過濾，可全部去除大于0.1μm的膠體和顆粒物；

　　對懸浮顆粒、膠體、微生物、細菌、病毒的去除率近100%；

　　對有機物的去除率達10~30%；

　　受原水水質波動影響小，出水水質穩定；

　　運行壓力低，節能效果顯著；

　　設備占地空間小，僅為傳統工藝的1/5~1/3，可全自動運行；

　　預處理化學藥劑用量小，降低污染排放。

　　反滲透原理

　　反滲透亦稱逆滲透（RO），是用一定的壓力使溶液中的溶劑通過反滲透膜（或稱半透膜）分離出來。因為它和自然滲透的方向相反，故稱反滲透。根據各種物料的不同滲透壓，就可以使大于滲透壓的反滲透法達到分離、提取、純化和濃縮的目的。

　　對于反滲透膜的脫鹽機理，目前有幾種不同看法。主要是“選擇吸附-毛細管流動理論”和“篩分理論”，此外還有“氫鍵理論”以及“溶解擴散理論”�，F簡述“選擇吸附-毛細管流動理論”和“篩分理論”。當含鹽的水溶液與多孔的半透膜表面接觸時，則在膜的溶液界面上選擇吸附一層水分子，在反滲透壓力的作用下，通過膜的毛細管作用流出純水，并連續地形成和流出這個界面純水層。該機理闡明在半透膜的表皮上布滿了許多極細的膜孔，在膜的表面選擇吸附了一層水分子，鹽類溶質則被排斥，化合價越高的離子被排斥的越遠，膜孔周圍的水分子在反滲透壓力的推動下，通過膜孔流出純水，因而達到除鹽的目的。當膜孔大于反滲透膜孔范圍時，鹽的水溶液就泄漏過膜，其中的一價鹽泄漏較多，二價鹽次之，三價鹽更次之�！昂Y分理論”認為：膜表面具有無數微孔，正是這些實際存在的不同孔徑的孔眼象篩子一樣截留住分子直徑相應大于它們的溶質和顆粒，從而達到分離的目的。至于對于有機物的去除，純屬篩分機理。反滲透膜能濾除各種細菌，如最小的細菌之一綠膿桿菌；也能濾除各種病毒，還能濾除熱源。反滲透與超濾的分離理論尚在不斷的發展和完善之中。

　　反滲透運行關鍵有兩個，一是一個有選擇性的膜，我們稱之為半透膜，二是一定的壓力。在水中眾多種雜質中,溶解性鹽類是最難清除的。因此,經常根據除鹽率的高低來確定反滲透的凈水效果。反滲透除鹽率的高低主要決定于反滲透半透膜的選擇性。目前，較高選擇性的反滲透膜元件除鹽率可以高達99.6%。反滲透設備系統除鹽率一般為95-99％，對二氧化硅的脫除率可高達99.5％。采用反滲透作為主要的脫鹽裝置，可以節省大量酸堿消耗，和運行成本。

　　三、超濾及反滲透在水處理中的應用

　　超濾及反滲透膜技術在給水及廢水處理方面都有廣泛應用，結合本人近幾年來所設計幾個工程進行說明。

　　1、鍋爐用水

　　鍋爐供水要求水中不能含有成垢物、固體物質和有機含水物。反滲透可去除水中膠體雜質、有機物和大部分溶解鹽類。對于小型鍋爐僅用反滲透即可滿足要求，大型鍋爐則要求全脫鹽，此時可將反滲透與混床或EDI脫鹽裝置結合起來。如中煤能源黑龍江煤化工有限公司220噸/小時煤矸石循環流化床鍋爐擴能改造項目的鍋爐補給水處理系統，采用的工藝就是超濾+反滲透+混床。

　　2、工業工藝用水

　　有些特殊行業的工業工藝用水，對水的含鹽量有極高要求。如成渝釩鈦科技有限公司釩資源綜合利用項目水處理中心除鹽水站工程，產品水用于威鋼新廠區煉鐵爐壁冷卻、中溫中壓及高溫高壓余熱爐窯所需的除鹽水。其項目對水質要求很高，要求電導≤0.3μs/cm，采用的工藝流程為：超濾+一級反滲透+二級反滲透+EDI裝置。

　　3、飲用水處理

　　傳統的飲用水處理大都采用混凝——沉淀——過濾——氯消毒工藝。在這一傳統工藝中，混凝劑的用量大、最佳投量難以控制，且氯消毒還會產生致癌、致畸、致突變的三氯甲烷。為了對飲用水進行深度處理，反滲透、超濾都得到了不同程度的應用。采用以下處理工藝：自來水——砂濾——炭濾——超濾——保安過濾器——一級反滲透——二級反滲透——臭氧——精濾——灌裝。該工藝能長期穩定運行，出水透明度高，口感好，細菌控制安全穩定。

　　4、中水回用

　　 中水主要是指城市污水或生產生活污水經處理后達到一定的水質標準，在一定范圍內重復使用的非飲用雜用水。由于我國人均淡水資源嚴重匱乏，尤其是西部地區水資源更加稀少，中水回用水處理工藝具有廣闊的應用前景。隨著《中華人民共和國水污染防治法》的頒布，中水回用項目迅速增多，而超濾及反滲透技術在中水回用方面的應用也越來越多。如新疆慶華煤化55億立方米/年煤制天然氣項目一期工程污水處理項目，污水處理后再經過浸沒式超濾系統，實現了中水回用。

　　5、污水、廢水處理

　　超濾技術在電泳涂漆水處理、含油廢水處理及城市污水的深度處理方面發揮著越來越大的作用。通過超濾將漆水分離以回收漆，清水返回清洗水箱繼續使用，漆返回漆槽回收，這樣既提高了漆的利用率又減少污水處理費用。采用超濾處理含油廢水時，不需要破乳直接將油水分離，超濾特別適用于高濃度乳化油的處理和回收。用超濾技術處理過濾后的城市污水，二級出水可進一步降低水的濁度、色度及有機物。超濾出水可作為造紙用水、循環冷卻水等對水質要求不太高的工業用水水源。將污水再利用不僅減輕環境污染，而且也是解決水資源短缺的有效方法。