正向渗透技术原理及在水处理中的应用：海水淡化、工业废水处理、垃圾渗滤液处理

正向渗透技术原理及在水处理中的应用：海水淡化、工业废水处理、垃圾渗滤液处理

1.正向渗透（FO）技术

1.1

正向渗透（FO）的原理

溶剂与溶液之间被一层只能通过溶剂而不能通过溶质分子的半透膜所隔开，在渗透压的作用下，溶剂分子会自发地从溶剂侧透过膜到溶液侧，这就是渗透现象，又称“正向渗透”。

1.2

正渗透膜在水处理中的应用

1.2.1 海水淡化

FO用于海水淡化是研究最为广泛的领域之一，早期的应用研究主要见于一些专利，但这些研究大多尚不成熟，可行性不高。

1.2.2工业废水处理

早期研究报道了利用FO膜处理低浓度重金属废水，但由于所采用的RO(反渗透)膜污染严重，通量下降较快，因此未能深入开展。

1.2.3 垃圾渗滤液处理

美国俄勒冈州科瓦利斯市垃圾填埋场每年产生（2-4）×104m3渗滤液，为达到土地利用的水质标准，出水的TDS必须降低到100mg/L以下。

2.反渗透膜技术

2.1

反渗透（RO）的原理

反渗透是一种由压力驱动的膜分离过程。为了产生反渗透压力，使用水泵对盐溶液或废水施加压力，以克服自然渗透压和膜阻力，使水通过反渗透膜。水中的溶解盐或污染物被阻挡在反渗透膜的另一侧。

2.2

反渗透膜在水处理中的应用

2.2.1 水处理中的常规应用

水是人们生存和开展生产活动必不可少的物质条件，由于淡水资源的日益短缺，目前全世界反渗透水处理装置的处理能力已达数百万吨/日。

2.2.2 在城镇污水中的应用

目前，反渗透膜在城市污水深度处理，特别是污水处理厂二级出水及再生水回用中的应用受到极大关注。

2.2.3 在重金属废水处理中的应用

常规含重金属离子废水的处理方法只是污染转移的一种形式，即将废水中溶解的重金属转化为沉淀或更易于处理的形式，最终处置往往是填埋，而重金属对地下水、地表水环境造成二次污染，二次污染的危害仍长期存在。

2.2.4 在含油废水中的应用

含油废水是一种规模大、分布广泛的工业废水，若直接排入水体，会在水体表面形成一层油膜，阻止氧气溶入水中，造成水中缺氧、生物死亡、发出恶臭，严重污染生态环境。含油3.5mg/L、总有机碳（TOC）（16~23）mg/L，油田采出水经处理达到锅炉水质，处理后的水再回用作为发电站锅炉给水。

3.微滤及超滤膜技术

3.1

超滤（UF）和微滤（MF）的基本原理

超滤与微滤都是以静压差为推动力的液体分离过程，从原理上讲，没有本质区别，都是筛分分离过程。当高分子量溶质与低分子量溶质的混合溶液流经膜表面时，小于膜孔径的溶剂和低分子量溶质（如无机盐）透过膜，成为透过液而被收集；大于膜孔径的高分子量溶质（如有机胶体）被膜截留，作为浓缩液回收。能截留分子量大于500而小于106的分子的膜分离过程称为超滤；只能截留较大分子（通常称分散颗粒）的膜分离过程称为微滤。

3.2

超滤和微滤膜的应用

超滤和微滤技术可以有效去除颗粒物，包括隐孢子虫、贾第鞭毛虫、细菌和病毒等微生物，还可以在一定程度上降低消毒副产物前体的浓度，限制消毒过程中氧化剂的生成。需求是减少消毒副产物。但水中有机物的去除率很低，只有20%以下。超滤和微滤用途广泛，可应用于不同水质的处理。

4.纳滤膜技术

4.1

纳滤（NF）原理

纳滤（NF）是一种新型的分子膜分离技术，是目前国际膜分离领域的研究热点之一。NF膜的孔径在1nm以上，一般为1-2nm；对溶质的截留性能介于RO和UF膜之间；RO膜对几乎所有的溶质都有很高的去除率，而NF膜只对特定的溶质有很高的去除率。NF膜可以去除二价、三价离子、Mn≥200的有机物以及微生物、胶体、热源、病毒等。纳滤膜的一大特点是膜本身带电，这也是它在很低的压力（仅0.5MPa）下仍具有很高的脱盐性能，截留分子量达数百万的原因。该膜还可以去除无机盐，这也是NF运行成本低的主要原因。NF适用于各种咸水水源，水利用率一般为75%~85%。海水淡化时脱盐率在30%~50%之间，且无酸性或碱性废水排放。

4.2

纳滤膜在水处理中的应用

4.2.1纳滤膜在饮用水中的应用

纳滤操作压力低，是饮用水制备和深度净化的首选工艺。

目前大多数城市的水源受到不同程度的污染，水厂常规处理工艺对水中有机物的去除率较低。当使用氯进行杀菌消毒时，氯会与水中的有机物发生反应，生成卤代副产物。4年的跟踪研究表明，使用纳滤系统后，水中的DOC降低到平均0.7mgC/L，出水中余氯含量由0.35mg/L降至0.1mg/L，三卤甲烷（THMs）的生成量与未使用纳滤系统时相比减少了50%。此外，由于可生物降解的溶解有机碳（BCOD）的减少，产水的生物稳定性得到改善。

纳滤技术可以去除水中大部分的Ca、Mg等离子，因此海水淡化是纳滤技术应用最广泛的领域。膜法水处理技术在投资、运行、维护和价格等方面与常规的石灰软化法、离子交换法相当，工艺流程相近，但具有无污泥、不需再生、悬浮物和有机物去除彻底、操作简单、占地少等优点，应用实例多。纳滤可直接用于地下水、地表水和废水的软化，可作为反渗透（RO）、太阳能光伏海水淡化装置（）等的预处理。

4.2.2纳滤膜在海水淡化中的应用

海水淡化是指将含盐量500mg/L的海水淡化至500mg/L以下的饮用水的过程。

4.2.3纳滤膜在废水处理中的应用

（1）生活污水

生活污水一般采用生物降解与化学氧化相结合的方法处理，但氧化剂用量过大，残留多。薛刚等采用微絮凝纤维球过滤、超滤和纳滤相结合的方法对酒店洗浴废水进行了小试，超滤出水水质可满足酒店冲厕、绿化等环节的用水要求，纳滤出水水质可达到饮用水卫生标准（.85），可回用于酒店洗衣、洗浴等对用水要求较高的环节。

（2）纺织、印染废水

纺织废水中含有的染料难以用生物方法去除，研究了酸性、活性、直接和分散染料水溶液的浓度、压力、总溶解固体和无机盐含量对纳滤膜截留性能的影响。

（3）制革废水

制革废水含有高浓度的有机物、硫酸盐和氯化物，酸洗工序产生的废水电导率达到75mS/cm，Bes-Pia采用NF技术对制革废水进行回收利用，高浓度的硫酸盐浓缩液被回收至酸洗工段，而氯化物产出水则被送回裂解反应罐。

（4）电镀废水

电镀厂经常会产生大量废水，虽然经过酸化、化学除毒、沉淀、污泥分离等复杂的处理步骤，但产出水含盐量较高，无法回用。

（5）造纸废水

制浆造纸工业中，均质、漂白、抄纸等工序需用大量的水，实现水系统的（半）闭式循环是制浆造纸厂节约水资源、减少排放的最佳途径。泥法产水还含有一些有色化合物、微生物、抗体及少量的难生物降解产物、悬浮物等，只能用于制造包装用纸，不能用于较高档纸张的生产，另外此法不能降低水质。将水→纳滤和造纸废水→活性污泥→纳滤两种处理工艺的实用性进行了比较，实验表明，两种方法出水水质差不多，第二种方法出水通量较好，出水可用于高档纸张。但纳滤出水中仍含有一定的一价盐，需加低压反渗透装置除盐，以保证循环水的水质。

5. 透析和电渗析

5.1

透析

透析（缩写为D）是溶质在自身浓度梯度作用下，从膜上游转移到下游的过程。

透析是最早发现和研究的膜分离技术，但由于其本身体系的局限性，透析过程速度慢、效率低、选择性不强，因此透析过程主要用于除去溶液中多种溶质和低分子量成分，如血液透析，即利用透析膜代替肾脏除去尿素、肌酐、磷酸盐和尿酸等有毒低分子量成分，以减轻肾衰竭、尿毒症患者的病情。

5.2

电渗析

电渗析（ED）是利用离子交换膜对溶液中阴离子和阳离子的选择性，在直流电场作用下，以电位差为推动力，将电解质从溶液中分离出来，从而达到溶液浓缩、稀释、精制和净化的过程。

6.双极膜技术

6.1

双极膜介绍

双极膜（BPM）是一种新型膜，通常为阴离子交换层和阳离子交换层组成的复合离子交换膜，也可在阴离子膜和阳离子膜之间加入第三层材料，以促进水的解离，形成阴离子交换层、阳离子交换层、中间反应层三层结构，在直流电场作用下，双极膜能将水解离，在阳离子膜和阴离子膜两侧分别生成H+和H+OH-。

6.2

双极膜的应用

6.2.1含氟废水处理及有价氟的回收

在氟碳工业和铀工业（UF6）生产中，排出的废气和废水中含有的氟和有机酸的质量分数为50～500×10-6，通常需要用KOH中和法才能完全除去。KF溶液中含有较多的重金属（如铀、砷等）和微量放射性物质，需用Ca(OH)2与KF反应才能再生KOH，并生成不溶性废渣，此方法导致宝贵的氟损失，而用户又无奈如何处理含有放射性物质的废弃Ca(OH)2呢？若采用双极膜电渗解离技术，可将KF直接转化为HF和KOH，不仅可回收高价值的氟，还可避免石灰的使用并减少需处理的废渣量。

6.2.2 双极膜用于酸碱废水净化回收

工业生产产生大量的酸碱废液，如离子交换树脂再生废液、酸洗废液、铅酸电池废液、造纸厂废液等，为了减少对环境的污染，这些废液必须进行必要的处理，但处理工艺复杂，成本较高，双极膜电渗析工艺为该类废液的处理提供了良好的解决方案，1986年我国安装了一套电渗析与离子交换联合设备，用于处理含铜废水，处理后的废水含铜量为100mg/L，pH值为6-7，达到排放标准。

6.2.3 生活污水处理

生活污水一般采用生物降解与化学氧化相结合的方法处理，但氧化剂用量太大，残留物多。若在二者之间增加纳滤环节，可去除微生物能降解的小分子（相对分子质量100）。大分子物质先在化学氧化器中处理，再进行生物降解，可充分利用生物降解性，节省氧化剂和活性炭的用量，降低最终残留物含量。

6.2.4 饮用水净化

随着水污染的日益严重，人们对饮用水的质量越来越关注，实验证明，双极膜纳滤可以去除消毒过程中产生的微毒副产物、微量的除草剂、农药、重金属、天然有机物及硬度、硫酸盐和硝酸盐等，同时具有水质好而稳定、药剂投加量少、占地少、节约能源、管理维护方便等优点。

6.2.5 含重金属废水处理

在电镀及合金生产中，经常需要大量的水进行冲洗，这些清洗水中含有浓度比较高的重金属，如镍、铁、铜、锌等。为了使这些含重金属废水达到排放要求，一般采取的措施是：将这些重金属处理成氢氧化物沉淀去除。如果采用纳滤膜技术，不但可以回收净化90%以上的废水，重金属离子含量还可以浓缩10倍，浓缩后的重金属具有回收利用价值。

6.2.6食品工业废水处理

NP型复合复极纳滤膜对一价盐和二价盐有明显的分离效果，明显降低废水中的COD含量，满足环保要求。

6.2.7 双极膜展望

双极膜作为一种新型膜，以其独特的优势，为解决环境工程中一些长期存在的技术难题提供了很多新的思路和解决方案，继续开发高性能双极膜，改进膜制备工艺，降低膜的生产成本，深入开展机理研究，研究膜中离子迁移和水迁移的机理，研究高性能双极膜材料及制备，拓宽应用领域具有深远的意义。

2017（第五届）西湖国际海水淡化及水资源再利用会议征文通知

截止日期：2017年8月31日

要求

论文内容应具有创新性、前沿性，选题应为海水及苦咸水淡化、膜法水处理或各类废水处理研究与应用中的前沿课题、热点课题或关键技术，具有较高的学术水平和实用价值。

邮件投稿：请在主题中注明（投稿至2017西湖会议）