范茜超濾技術(shù)在飲用水處理行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展展望

1、超濾技術(shù)在飲用水處理行業(yè)的應(yīng)用及發(fā)展展望摘要：介紹了膜材料尤其是有機膜材料在飲用水領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，概述了超濾技術(shù)在飲用水處理行業(yè)的歷史發(fā)展沿革，總結(jié)了當(dāng)前超濾技術(shù)與其他技術(shù)的集成應(yīng)用與研究，展望了超濾新技術(shù)在我國飲用水處理方面的應(yīng)用前景和發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：超濾膜 飲用水 膜材料 有機膜 水處理1 超濾技術(shù)超濾(Ultra Filtration,UF)是一種綠色物理分離技術(shù),能夠?qū)⑷芤哼M行凈化、分離或者濃縮的膜透過分離技術(shù)，其分離機理主要是篩分和擴散作用；過濾性能介于微濾和納濾之間。超濾技術(shù)截留分子量的定義域為500500 000左右，對應(yīng)孔徑約為0.0020.1m，操作靜壓差一般為0.10.

2、5MPa，被分離組分的直徑約為0.00510m。超濾過程通常可以理解成與膜孔徑大小相關(guān)的篩分過程，以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動力，以超濾膜為過濾介質(zhì)，在一定的壓力下，當(dāng)水流過膜表面時，只允許水、無機鹽及小分子物質(zhì)透過膜，而阻止水中的懸浮物、膠體、蛋白質(zhì)和微生物等大分子物質(zhì)通過1,2。超濾膜多為不對稱結(jié)構(gòu)，由一層極薄(通常小于1m)具有一定尺寸孔徑的表皮層和一層較厚( 通常為125m左右)具有海綿狀或指狀結(jié)構(gòu)的多孔層組成，前者起分離作用，后者起支撐作用3。2 超濾膜材料的發(fā)展超濾膜制膜材料可分為有機材料和無機材料兩種。無機膜材料有陶瓷、沸石、玻璃等，其中陶瓷膜較為常見；目前國內(nèi)外市場也是陶瓷無機超濾膜

3、居多，常用的陶瓷膜可分為Al2O3、ZrO2和TiO2膜等4。有機膜材料主要有聚砜(PSF)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)，此外還有聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯( PVC)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)等。盡管自1906年，Bechold等首次提出“超濾”術(shù)語，至今已有100多年了，但第一張真正意義上的超濾膜的誕生始于20 世紀(jì)60年代初5。我國超濾膜技術(shù)起步較晚，20世紀(jì)70年代才開始有關(guān)超濾膜的研究, 70年代研制出醋酸纖維管式超濾膜，80年代研制出聚砜( PS) 卷式超濾組件、聚砜( PS) 中空纖維超濾組件、聚丙烯腈( PAN) 中空纖維組件、聚氯

4、乙烯( PVC) 中空纖維組件6-8。目前我國已有PS、PAN、PSA、PP、PE、PVDF 等十余個品種的超濾膜，用于水處理行業(yè)的超濾膜材質(zhì)主要有聚偏氟乙烯( PVDF)、聚醚砜( PES) 和聚氯乙烯( PVC)等。PVC 材料價格較低，建設(shè)成本相對低廉；PES 親水性能較強，抗氧化能力較強，運行電耗相對較低；PVDF強度較好、韌性高、耐氧化性能優(yōu)良、耐污染程度高，可應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域4,9。由于膜材料的化學(xué)性質(zhì)、親水性或疏水性、荷電性、極性或非極性等都會影響膜的分離性能，而單一的膜材料很難同時具有良好的親水性、化學(xué)穩(wěn)定性、成膜性、熱穩(wěn)定性、較低的操作壓力、較好的水通量以及耐酸堿性耐氧化性

5、和機械強度等優(yōu)點10,11，因此目前研究焦點已轉(zhuǎn)向?qū)Ω鞣N材料進行改性處理提高其物理化學(xué)性能，以增強其處理效果，改進由膜污染而引起的滲透通量下降和壽命縮短等問題；改性方法有多種, 有物理共混改性、表面化學(xué)改性12、等離子體改性13，14、溶劑預(yù)處理等方法。這些方法都能在膜表而引入極性基團或親水性大分子鏈, 使膜的親水性得到改善,而不影響膜本身的性能。目前國內(nèi)新型的超濾膜材料有新型材料有PVC合金（PVC與其他材料通過采用了接枝共聚、嵌段共聚和物理共混的方法進行改性混合而成的材料）超濾膜、多通道中空纖維超濾膜等。3 超濾膜在飲用水處理領(lǐng)域應(yīng)用的歷史沿革上世紀(jì)80年代：1987年，美國科羅拉多州的K

6、eystone建成了世界上第一座膜分離水廠，處理水量105m3/d，采用孔徑為0.2m的聚丙烯中空纖維微濾膜；1988年，法國建成的Amoncourt水廠是世界上第一座采用超濾工藝的給水廠，日處理水量為240m3，采用0.01m醋酸纖維素中空纖維超濾膜15；1989年，荷蘭建成了處理水量為1200m3/d的超濾膜水廠，用以去除濁度并且達到消毒作用。上世紀(jì)90年代：1998年，加拿大安大略省Collingwood水廠采用0.035m的浸沒式超濾膜過濾技術(shù)建成超濾水廠并投產(chǎn)，日處理水量為2.8萬m316；1997年，法國Essonne建立了Vigneux超濾膜過濾水廠，處理Seine河水，處理能力

7、達5.5萬m3/d。1998 年德國TNA公司以Nonnweiler水庫水為水源飲用水，試驗證明超濾和微濾膜法處理的出水水質(zhì)都能很好的滿足德國飲用水標(biāo)準(zhǔn)17。截止1999年全世界采用超濾技術(shù)的水廠已經(jīng)達到50家18。本世紀(jì)：2009年新加坡建成目前世界上最大的浸沒式超濾飲用水廠Chestnut水廠，采用強化混凝+超濾+UV消毒工藝，一期處理水量為 27.3萬m3/d，最終處理水量可達72.8萬m3/d。新加坡、澳大利亞、荷蘭、英國、美國和以色列使用超濾技術(shù)凈化自來水的處理量分別占其自來水總供水量的12.0%、4.0%、3.1%、2.0%、2.5%和1.2%，并且越來越多的老水廠改造和新建水廠傾

8、向于采用超濾工藝。我國于超濾技術(shù)的應(yīng)用起步較晚，2005年第一座采用超濾技術(shù)的給水廠蘇州市木櫝鎮(zhèn)渡村水廠(處理能力為1萬m3/d) 投入運行19；2007年，處理能力30萬m3/d的臺灣高雄拷譚高級凈水廠建成投產(chǎn)；2008年，處理能力5000m3/d的天津楊柳青水廠建成投產(chǎn)；2009年12月，處理能力2.5萬m3/d的南通盧涇水廠投產(chǎn)，處理能力5萬m3/d東營南郊水廠投產(chǎn)，處理能力15萬m3/d的無錫中橋水廠投產(chǎn)；自此，我國超濾水處理技術(shù)在飲用水處理領(lǐng)域進入快速發(fā)展階段。2012年至2013年間，又有多家日處理能力10萬噸以上的水廠如上海青浦第三水廠、烏魯木齊紅雁池水廠、杭州清泰水廠等相繼建成

9、投產(chǎn)。另外，北京市平谷等區(qū)縣的一些農(nóng)村安全飲水示范工程15、海南自2012年開始實施的“膜法”農(nóng)村飲水安康工程中也采用的是超濾膜水處理技術(shù)?！笆濉眹宜w污染與控制科技重大專項設(shè)立的相關(guān)膜產(chǎn)業(yè)化課題也將極大的推動超濾技術(shù)在我國水處理領(lǐng)域的發(fā)展進步。4 超濾與其他水處理技術(shù)的集成發(fā)展盡管超濾膜分離技術(shù)在去除濁度、病原微生物等方面優(yōu)于傳統(tǒng)工藝，但是，它在飲用水處理領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用還存在諸多問題，因此，揚長避短采用超濾分離技術(shù)與其他技術(shù)的集成應(yīng)用成為當(dāng)前研究的重點和未來發(fā)展趨勢。Xia S J20等在采用超濾設(shè)備處理水庫水作為飲用水的試驗中,發(fā)現(xiàn)在超濾前使用混凝可以提高滲透通量和延緩膜通量降低。

10、王錦等人21研究表明與直接超濾相比, 混凝-超濾工藝對溶解性天然有機物(腐植酸) 的去除效率較高, 尤其是對分子量小于6000道爾頓的有機物的去除率有很大提高。混凝預(yù)處理使小分子有機物粘附在微絮體上,降低了污染物在膜孔中吸附引起的膜污染,而微絮體在膜表面沉積形成濾餅層為主要過濾機理,從而使過濾保持高透水通量。梁恒等人22的研究表明超濾組合工藝可以顯著降低出水的微生物風(fēng)險，在化學(xué)預(yù)氧化粉末炭吸附常規(guī)工藝后輔以超濾工藝的城市管網(wǎng)水具有低濁度、低有機物含量、低氨氮的特點，能夠顯著減低超濾膜水廠出水的微生物風(fēng)險，在少量消毒劑投量下即可維持管網(wǎng)生物穩(wěn)定性，同時維持消毒副產(chǎn)物在較低的水平，能夠充分保障飲用

11、水水質(zhì)安全。于宏兵等人23和黃明珠等人24采用臭氧生物活性炭超濾工藝處理富營養(yǎng)化湖水的試驗研究。結(jié)果表明, 臭氧可以將難降解的有機物轉(zhuǎn)化為易于降解的有機物, 將非溶解性的有機物氧化成溶解性的有機物, 為生物活性炭所吸附, 大大降低了超濾膜的有機物負荷,使超濾膜的工作周期大大增加, 反沖洗次數(shù)減少。當(dāng)他們將臭氧生物活性炭置于超濾膜之后時, 則由于超濾膜去除了非溶解性有機物和部分DOC, 大大延長了生物活性炭的工作周期。超濾技術(shù)與其他水處理技術(shù)的集成目前已有諸多應(yīng)用實例，如采用微絮凝直接超濾工藝的蘇州市渡村水廠，采用混合絮凝超濾工藝的天津市楊柳青水廠、新加坡的Chestnut水廠，采用混凝沉淀超濾

12、反滲透工藝的臺灣高雄拷譚高級凈水廠以及采用常規(guī)處理臭氧活性炭超濾工藝的加拿大Lakeview水廠等型。前幾種工藝主要用于提高給水廠的產(chǎn)水能力、降低出水濁度和有機物含量、去除藻類及兩蟲和病原微生物等,最后一種工藝可以在溶解性有機物含量較高時采用,以提高出水水質(zhì)21。5 展望超濾技術(shù)作為第三代城市飲用水凈化工藝的核心技術(shù)25，在飲用水處理領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊，其研究和應(yīng)用未來將有如下幾個方面：膜材料的更新膜材料仍將是未來超濾膜研究主要方向之一。除繼續(xù)尋找性能優(yōu)良、來源豐富的新型單一制膜材料原料外，加強復(fù)合膜材料方面的探索研究，嘗試采用包括化學(xué)改性、高聚物共混改性、有機無機材料復(fù)合等方法以獲得性能

13、更優(yōu)的材料。膜組件及運行維護技術(shù)的提升提升膜組件制備工藝及運行維護水平，發(fā)展組件和系統(tǒng)配置技術(shù), 嚴(yán)格制備和檢測工藝標(biāo)準(zhǔn),加強膜污染控制和膜清洗新技術(shù)的研究和實際推廣應(yīng)用。技術(shù)集成針對不同的原水水質(zhì)及出水要求，因地制宜的開發(fā)以超濾為核心與其他水處理工藝技術(shù)相組合的水處理工藝, 研究更加經(jīng)濟、有效、可行的多種膜法組合技術(shù), 優(yōu)化工藝參數(shù), 推廣其在實際工程中的應(yīng)用。參考文獻1牛濤濤,李振玉,汪建根,等.超濾在廢水處理中的應(yīng)用J.河北化工,2008, 31(5):10-12.2李琳琳，單學(xué)敏，高麗.超濾技術(shù)在水處理中的應(yīng)用研究J.安全與環(huán)境工程，2010,17（6）:5-8.3許振良. 膜法水處理

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