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膜分離技術與水資源再生利用
1． 前言
水是生命的源泉，是人類寶貴的、不可替代的自然資源，也是社會和經濟發(fā)展的命脈。水資源的匱乏和日益嚴重的水污染已成為制約社會進步和經濟發(fā)展的瓶頸，解決這一難題，對我國可持續(xù)發(fā)展是非常迫切的和極其重要的。除水資源的科學管理和優(yōu)化配置之外，充分發(fā)揮高新科技手段在水再利用中的作用也是十分關鍵的。
膜分離作為一高新技術在近40年來迅速發(fā)展為產業(yè)化的高效節(jié)能分離過程。40年來，電滲析、反滲透、微濾、超濾、納濾、滲透汽化、膜接觸和膜反應等過程相繼發(fā)展起來，在能源、電子、石化、醫(yī)藥衛(wèi)生、重工、輕工、食品、飲料行業(yè)和人民日常生活及環(huán)保等領域均獲得廣泛的應用，產生了顯著的經濟和社會效益。社會的需求使膜技術應允而生，也是社會的需求促使膜技術迅速發(fā)展，使膜技術不斷創(chuàng)新、進步、完善，成為單元操作，成為集成過程中的關鍵。下面就膜技術在水再利用中的作用簡述如下，包括海水和苦咸水淡化，飲用水凈化，地下水補救，廢水深度處理回用與資源化，傳統工藝改造和實現清潔生產等，這些已成為社會的共識，而且發(fā)展?jié)摿艽螅熬罢T人。
2.水資源開發(fā)、保護和飲用水凈化
2.1 海水和苦咸水淡化
50年代提出反滲透(RO)的研發(fā)的目的是為了海水淡化，現在反滲透已成為海水和苦咸水淡化制取飲用水***經濟的手段，世界上反滲透淡化的水日產量達1千萬噸，是中東、沙漠地區(qū)、濱海和島嶼地區(qū)社會和經濟發(fā)展的生命線。我國部分海島，艦船，濱海電廠，眾多苦咸水地區(qū)，包括西部地區(qū)，也用淡化水解決飲用水和工業(yè)的急需，可以預期，不久的將來，北方濱海城市會將海水淡化作為應急用水和補充用水。
近幾年來,在國際海水淡化招標中，SWRO以投資******，能耗***省，成本最低，建造周期短等優(yōu)勢而屢屢中標。是從海水制取飲用水最經濟的方法，一般電耗4－5 kWh/m3淡水。就是用二級RO生產含鹽量小于20mg/L的水，與離子交換結合生產純水，其經濟性也可與其他方法競爭的。SWRO所以能如此成功，與其在膜、組器、設備和工藝等方面的創(chuàng)新性開拓是分不開的。
在反滲透膜的發(fā)展方面，不對稱膜和復合膜是創(chuàng)新的兩個范例；反滲透膜組器技術的創(chuàng)新，使膜的性能得以充分的發(fā)揮，這里主要的是中空纖維反滲透器和卷式反滲透元件；與此同時，膜脫鹽用的關鍵設備，如高壓泵和能量回收裝置也得到快速的發(fā)展，特別是第三代能量回收產品---壓力交換器，它直接將壓力由濃海水傳給新進的海水，效率大于90％，這樣反滲透海水淡化的本體耗電降到3kWh/m3以下；據反滲透膜和組器技術的進步，SWRO工藝也不斷地發(fā)展，除上世紀80年代一級海水淡化工藝外，近年來又提出兩項新工藝---- 高壓一級海水淡化工藝和高效兩段法工藝， 進一步提高回收率達60％，這樣海水預處理省了，試劑用量少了，能耗更低了。
2.2 飲用水凈化
環(huán)境的污染影響到飲用水的質量，飲用水的質量直接影響人們的健康，而人們生活水平的提高，對飲用水水質要求越來越高，世界各國都在不斷改進飲用水的制備技術，如日本的MAC-21和新MAC-21計劃對微濾(MF)、超濾(UF)和納濾(NF)在除菌、去濁、去大分子膠體、TXM、農藥、異味及部分SO42-、NO3-、F-、As等方面的作用進行了深入研發(fā)和肯定；反滲透幾乎可除去各種雜質……家用MF、UF、NF和RO凈水器以及瓶裝、桶裝純凈水和礦泉水等，在國內已很普遍。另外，電滲析可脫鹽和除氟，電化膜過程可對水消毒及可產生酸性水和堿性水，膜接觸器（MC）可去除水中揮發(fā)性有害物質。所以，隨著城市化進程的加快，膜技術作為飲用水的預處理和深度處理，其作用也越來越顯著，將成為本世紀飲用水凈化的優(yōu)選技術之一。
2.3 地下水補救
北方地區(qū)甚至蘇、浙地區(qū)的主要城市地下水超采十分嚴重，造成地下水位下降、呈漏斗形分布，地殼下降、地面塌陷，海水入侵和地下水污染等，僅靠天然降水難以彌補其欠缺，除控制開采量外，將污水或廢水進行高級處理后回灌是一良策，美國加州等地的實踐表明，這一措施十分有效。我國在有必需和有條件的地區(qū)，也應盡早考慮這一問題。
3 改造傳統工藝、實現清潔生產
與國外工藝相比，我國許多傳統產業(yè)是耗水大戶，也是污水排放大戶。用高新技術改造傳統工藝，降低能耗和水耗，實現清潔生產勢在必行。用全氟磺酸羧酸離子膜電解取代傳統的汞陰極法和石棉隔膜法從NaCl水溶液制備NaOH和氯氣，該工藝電流效率高，能耗低，轉化率高，原料省，純度高，無污染及投資少。用RO、電滲析（ED）和電除離子技術(EDI)代替離子交換，可大大減少甚至消除廢酸、堿的排放并節(jié)約大量洗滌、再生用水。以超濾和納濾技術替代或部分替代傳統的沉降和離心工藝，進行蛋白、酶、染料、多糖和醫(yī)藥中間體等的純化濃縮，以及果汁、茶汁的澄清和濃縮等。以滲透汽化(PV)替代或部分替代傳統的蒸餾，進行脫水和除去少量揮發(fā)組份……都有顯著的節(jié)水、降耗效果。這些技術的推廣，必將在改造傳統工藝和節(jié)水減污中發(fā)揮更重大的作用。
4 污水、廢水深度處理回用與資源化
近年來，我國每年排放污水量約400-500億m3，經處理后排放的僅15-25%左右，由于污水到處橫流，使我國各大水系都產生不同程度的污染，水環(huán)境嚴重惡化，所以，加強污水治理，使之不僅達標排放，而且可大量回用，非常必要，這對消除污染，改善水環(huán)境，緩解水資源的不足，節(jié)約寶貴的水資源，及促進環(huán)保產業(yè)的發(fā)展等都是十分重要的；同時污水回用的經濟和社會效益，又反過來促進和帶動污水再用的進一步發(fā)展，這樣既實現了污水的資源化，又推動了清潔生產。
城市污水主要由生活污水和工業(yè)廢水組成，大體各占一半。現主要用集中的生物法（常規(guī)活性污泥法，A-B法，A2/0，水解一氧化，SBR，氧化溝等）處理，使之達標排放。為了實施污水資源化和清潔生產，除作好集中處理排放污水的回用外，一些點污染源的污水治理與回用也相當重要，點污染源治理既可減輕集中處理的負擔，又可保證集中處理的水質，有時還可實現清潔生產。用傳統工藝與膜技術集成，可將污水或廢水變?yōu)椴煌|標準的再用水，或使之循環(huán)回用，這樣既緩解了供求矛盾，又減少了污染，還促進了環(huán)保產業(yè)的發(fā)展。目前污水回用已有作工業(yè)冷卻水、灌溉用水和市政用水的大量實踐，經濟社會和環(huán)境效益顯著。
浸沒式膜生物反應器對生活、食品和醫(yī)藥工業(yè)污水的處理，使之回用；超濾實現了涂裝行業(yè)（特別是汽車工業(yè)和鋁加工業(yè)）電泳漆和淋洗水的回收；用超濾處理紡織業(yè)和印染業(yè)中的退漿廢液和印染廢水使之分別返回上漿系統和印染系統再用，效果顯著，是較理想的處理技術；反滲透和納濾使電鍍廢水（鍍鎳、鍍鉻、鍍鎘、鍍金等）實現漂洗水中貴重電鍍藥劑的回用，以及漂洗水回用，基本可實現零排放的閉路循環(huán)；滲析回收冶金、化工、采礦等行業(yè)的廢酸、堿使之再用，極大地減少了污染；用超濾處理含油污水，如油田回注水，原油污水，乳化油廢水和合纖油劑廢水等，也是值得大力推廣的工藝。
污水綜合深度處理方面，污水處理用膜技術可除去懸浮微粒、病原菌，各種有機、無機物等，反滲透二級污水綜合深度處理，所得的不同等級的再生水可分別用于雜用水（消防、洗車、路面灑水……），灌溉用水，建筑用水，工業(yè)冷卻水，地下水回注，以至鍋爐用水。這些在技術上和經濟上都是可行的。經濟、環(huán)境效益顯著。地下水回注，既阻擋了海水入侵，又補充了地下水源，改進流域水質，城市污水回用對緩解城市供水不足，節(jié)省珍貴的水資源，減輕水污染和改善水環(huán)境的作用是非常顯著的，大量的實踐證明了污水回用的可行性和經濟性，隨著人們環(huán)境意識的增強和生活水平的提高，對污水回用要求也會越來越高，由于膜技術的特點，技術的不斷進步以及處理成本的不斷下降，膜技術在污水回用領域今后更將大有用武之地，發(fā)揮更大的作用。
5 結語
早在50年代，為解決“水的危機”，提出了膜分離技術，隨著膜技術的不斷進步和水資源匱乏的日益嚴重，膜技術作為可持續(xù)發(fā)展的關鍵共性技術之一，必將倍受重視，并繼續(xù)在水資源開發(fā)和保護、飲用水凈化、改造傳統產業(yè)和推進清潔生產等方面發(fā)揮更大的作用。
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