直饮水处理技术中膜分离法对有机物的去除研究

摘要：对几种膜分离技术原理进行了阐述，通过微滤膜工艺、超滤膜工艺、纳滤膜工艺以及反渗透工艺的小试试验，对这几种工艺组合对有机污染物的去除效果进行对比试验研究，得出：在原水中含有一定有机污染情况下，纳滤膜工艺具有较好的推广性。
　　关键词：膜分离；直饮水；微滤；超滤；纳滤；反渗透
　　膜分离技术被称为“21世纪的水处理技术”，由于其工艺运行技术的成熟以及很好的处理效果而得到广泛的应用。膜分离技术中又分为：超滤膜技术、纳滤膜技术、反渗透技术以及微滤膜技术，这几种技术通常是与活性炭技术组合形成预处理+膜处理组合模式。
　　1、膜分离技术原理
　　1.1微滤膜(MF)技术
　　微滤膜(MF)[1]是以静压差为推动力，利用筛网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程，其原理与普通过滤相类似，但过滤的微粒在0.03-15um，因此又称为精密过滤[2]。微滤膜多数为具有比较整齐、均匀的对称、多孔结构，主要去除微粒和细粒物质，操作压力为0.01-0.2MPa。常用的微滤膜材料有硝化纤维膜(CN)、醋酸纤维膜(CA)、混合纤维膜(CN.CA)、PAN、CA-CTA、PsA、尼龙等。
　　微滤膜分离机理主要有（1）机械截留作用；（2）物理作用或吸附截留作用；（3）架桥作用；（4）网络型膜的网络内部截留作用。
　　1.2超滤膜(UF)技术
　　超滤膜(UF)是一种能够将溶液进行净化、分离或浓缩的膜透过法分离技术，其过程是以膜孔径大小为标准的相关筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，用超滤膜为过滤介质，在一定压力下，只允许水、无机盐及小分子物质透过膜而阻止水中悬浮物、胶体等大分子物质通过，达到溶液分离的目的，因此超滤膜的孔径成为膜分离效果的关键因素。然而，科研工作者在试验过程中发现：有时膜孔径既比溶剂分子大，又比溶质分子大，但仍然具有较好的截留效果，这主要是由于超滤膜表面的化学特性，也起着不同的截留作用，因此超滤膜的分离机理是多方面的。
　　1.3纳滤膜(NF)技术
　　纳滤膜(NF)对溶质分子的截留去除是一个复杂的现象，主要受膜电荷性和孔径大小这两个基本的膜特性影响。因此纳滤膜对溶质分离主要为两个机制，即电荷作用和筛分作用。然而在实际分离过程中，研究者们发现不能把NF膜的分离机制仅归功于道南效应和筛分作用，因此为了研究其它运行参数对膜分离的影响，国内外诸多科学家构建了许多模型，用以描述和预测纳滤膜对溶质分子的分离机制。描述膜分离机理的模型主要有电荷模型、道南－立体细孔模型、静电排斥和立体位阻模型[3]。
　　1.4反渗透(RO)技术
　　反渗透(RO)技术最先应用于解决美国宇航员在航空中的生活饮用水循环处理，因此处理出的水也称“太空水”[4]。RO反渗透膜孔径小至纳米级（1纳米=10-9米），在一定的压力下，H2O分子可以通过RO膜，而源水中的无机盐、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质无法通过RO膜，从而使可以透过的纯水和无法透过的浓缩水严格区分开来。
　　反渗透技术目前主要有三种分离理论[5]：（1）毛细管流理论；（2）孔穴有序扩散模型；（3）溶解扩散理论。
　　2膜处理技术去除有机污染物试验
　　有机污染物是饮用水中最常见的污染物，本文针对微滤膜工艺、超滤膜工艺、纳滤膜工艺以及反渗透工艺进行对比试验，得出相近进水条件下，各工艺对有机污染物（以CODMn计）的去除效果。试验用水为城市自来水，在膜处理单元前，共用一套臭氧活性炭工艺进行预处理，减轻膜处理单元分离压力，并通过阀门控制。由于试验条件限制，臭氧活性炭出水水质略有波动，CODMn：0.82~0.90mg/L。
　　2.1试验装置
　　活性炭滤罐：采用椰壳状颗粒活性炭，内填12目活性炭。膜处理器：采用美国海德能公司生产的各种卷式膜，微滤膜采用UNA-620A型，公称孔径为0.1um，超滤采用的是4040-FFV-P100的聚砜超滤膜，平均截留分子质量为10万；纳滤采用的是ESNAI-4040膜，材质为聚酞按，单只膜组件的水回收率为15%，工作压力0.6Mpa；反渗透采用的是EsPA-4040膜，材质为芳香族聚酞按，单只膜组件的水回收率为15%，工作压力1.0Mpa。
　　2.2试验结果及分析
　　试验结果如表1：
　　表1膜处理技术去除效果比较
　　去除效果
　　处理工艺    微滤膜工艺    超滤膜工艺    纳滤膜工艺    反渗透工艺
　　CODMn（%）    18.5    20.9    40.5    81.6
　　试验表明：微滤膜对有机污染物去除效果较差，仅为18.5%。国内研究表明臭氧能将大分子有机污染物分解成小分子有机污染物，难氧化有机物分解成容易被高锰酸钾氧化的有机物。活性炭通常只能吸附中间分子（1000~5000）有机物[6][7]，因此经活性炭过滤后有机物主要是少量的大分子有机物和大量的小分子有机物，微滤膜由于其过滤机理，只对大于其孔径的有机物有较好的拦截作用，因此对CODMn去除效果不明显。
　　超滤膜的孔径在0.03~0.1um，其CODMn去除机理与微滤膜类似，对小分子质量的有机污染物去除效果较差，仅为20.9%。吴舜泽[8]等试验中就曾发现有时超滤膜没有什么有机物去除效果，它的孔径较大，截留分子量较大，对CODMn、UV254的去除效率分别在0～49%、20%～36%之间。
　　纳滤工艺对有机污染物的去除较前者有较大提高，达到40.5%。P•Eriksson的研究发现[9]，纳滤膜对分子质量＜150的非电离有机物的去除率低，而对分子质量＞300的有机物去除率高。I.C.Escobar等的研究[10]中，将石灰软化设备与纳滤进行比较。结果表明，纳滤系统可有效去除原水中除了AOC以外的几乎全部溶解性有机碳（DOC：DissolvedOrganicCarbon）含量。Gaid[11]等的研究表明纳滤工艺对水中的农药如莠去津(Atrazine)和西玛(Simazine)去除率达90%以上。国内外的研究表明，纳滤工艺不仅对有机物有很好的去除效果，对硬度、重金属、电导率等难去除污染物都有较好的去除效果。因此纳滤在饮用水深度处理上具有广阔的应用前景。
　　反渗透工艺对各项污染物都有很好的去除效果，除对有机物的去除为81.6%。研究表明，反渗透膜几乎对所有大于水分子的有机无机杂质都有很好的去除效果，其出水电导率通常小于10um/cm，硬度通常小于10mg/L。正因为如此，由于反渗透膜出水无机离子含量太少，缺少人体必需的微量元素，不太适合长期饮用。另外，过高的工作压力使得运行费用大大增加。但其工作压力较大，达到1.0MPa，能耗高。
　　3结论
　　通过对比试验，我们可以得出以下结论：
　　（1）    微滤和超滤膜对有机污染物去除效果较差，不适合作为城市水源有一定有机污染的深度处理工艺。
　　（2）    纳滤膜和反渗透工艺运行效果良好，对有机污染物都有较好的去除效果，适合于含有有机污染的原水深度处理。但由于反渗透工艺较高的运行费用以及对无机离子过强的去除作用，不太适合作为饮用水的深度处理工艺，纳滤膜更具有推广性。