纳滤膜水处理技术在净水工艺中的应用_周芸.pdf

智能环保NO.02 2023106智能城市 INTELLIGENT CITY纳滤膜水处理技术在净水工艺中的应用周芸 尹晓芳（中钢集团武汉安全环保研究院有限公司，湖北 武汉 430081）摘要：我国现行的饮用水常规处理工艺出水水质逐渐无法满足居民要求。纳滤膜处理工艺具有产水水质稳定、出水效率高等优点，逐渐受到研究人员重视。文章总结了纳滤膜在净水中的应用情况，分析了纳滤膜在应用中存在的问题，对纳滤膜研究方向提出了展望。关键词：纳滤膜；净水工艺；水污染中图分类号：TU991.2 文献标识码：A 文章编号：2096-1936（2023）02-0106-03DOI：10.19301/ki.zncs.2023.02.031Application of nanofiltration membrane water treatment technology inwater purification processZHOU Yun YIN Xiao-fangAbstract:The effluent quality of the current conventional drinking water treatment process in China gradually cannot meet the requirements of residents.The nanofiltration membrane treatment process has the advantages of stable water quality and high effluent efficiency,and has gradually attracted the attention of researchers.The paper summarizes the application of nanofiltration membrane in clean water,analyzes the problems existing in the application of nanofiltration membrane,and puts forward the prospect of nanofiltration membrane research.Key words:nanofiltration membrane;water purification process;water pollution目前，我国水源水质处于微污染状态，约有四分之一的水体处于微污染状态，微量有毒有害污染物对饮用水构成潜在威胁，影响居民饮用水质量1。供水主要矛盾由水量供给转变为水质保证。2006年，卫计委和国家标准化管理委员会联发布生活饮用水卫生标准（GB 57492006）2，水质指标由35项增加到106项。饮用水常规处理工艺“混凝沉淀过滤消毒”不能有效去除微污染水源中的污染物。纳滤膜（nanofiltration membrance）是20世纪80年代研发的一种新型分离膜3，是介于超滤和反渗透之间的膜分离技术，截留分子量在2001 000 Da之间，对各类有机污染物，如三氯甲烷中间体、农药、激素、小分子有机物等有较高的截留效果，对无机离子，如Ca2+、F-、Cl-、SO42-、重金属离子等可适度去除，能够广泛适应水源要求和水体净化应用，纳滤膜因特殊的选择分离性能成为重要的净水技术之一。纳滤对微量有机物与重金属具有高效去除作用，随着膜组件成本的下降，纳滤膜展示出广阔的应用前景。1纳滤膜的发展纳滤膜研究可以追溯到20世纪70年代对NS-300膜的研究，到20世纪80年代，美国Film Tec研制了NF-40和NF-50，纳滤膜技术开始迅速发展，20世纪90年代后相继开发了一系列具有独特分离性能的纳滤膜，如NTR-729HF、NTR-7250、NTR-7400、NF-45、NF-90、NF-270、SU-600等。我国从20世纪90年代开始研究纳滤膜，市售商用纳滤膜产品按膜结构类型主要包括螺旋缠绕卷式结构（spiral wound）、毛细管结构（capillary）、管式结构（tubular）、中空纤维结构（hollow fiber）、板框式结构（plate and frame）。螺旋卷式膜结构的收稿日期：2022-11-15作者简介：周芸，硕士，工程师，研究方向为环境工程。引用本文：周芸,尹晓芳.纳滤膜水处理技术在净水工艺中的应用J.智能城市,2023,9(2):106-108.智能环保NO.02 2023107智能城市 INTELLIGENT CITY膜元件占据纳滤和反渗透膜全球市场份额的91%4。2纳滤膜在净水中的研究进展2.1对微量有机物的去除纳滤膜的选择分离性能可以有效去除饮用水中微量有害有机物。饮用水中的微量污染物5按常见性和重要性划分为消毒副产物（DBPs）和前驱物（FP）、生物可同化有机物（AOC）、医药与个人护理品（PCPPs）、持久性有机物（POPs）、微囊藻毒素（MC）、环境内分泌干扰物（EDCs）等6类。目前已有600多种消毒副产物相继报道。研究表明，消毒副产物会对人体健康构成潜在的威胁，纳滤膜技术被认为是消除DBPs的有效技术之一，2005年我国大庆市东城区管道直饮水工程采用了纳滤系统。2.2纳滤膜在软化方面的应用我国盐碱地区和石灰溶地区，水质硬度达到700 mg/L，严重超标。这些地区的水体需要考虑软化处理。近年来国内外成功地将纳滤膜分离技术应用于水质硬度处理，如张显球等6阐述了纳滤膜的软水原理，分析了纳滤膜软水法的经济性，指出纳滤膜软水法是一种先进且经济的水软化技术，可以克服反渗透的高能耗以及石灰软化和离子交换软化产生的废渣和废水对环境造成的污染。此外，美国已有40 万m3/d的纳滤膜装置在运转。世界最大的纳滤脱盐软化装置位于美国佛罗里达州，规模为3.8 万m3/d。国内首套工业化纳滤系统示范工程于1997年在山东长岛南隍城建成投产，处理规模144 m3/d。2.3纳滤膜在净水机中的应用据不完全统计，我国净水设备生产厂家数量近3 000家，市场规模约285亿元，年增长30%。市场现存家用净水机主要分为超滤净水机和反渗透净水机，超滤不能有效除去Ca2+、Mg2+和重金属离子，反渗透脱盐率优良，但运行压力及使用成本较高。纳滤技术介于超滤和反渗透之间，具有纳米级孔径，对二价和多价离子截留率高于90%，对一价离子截留率一般为10%80%，能够有效去除有毒有害物质，保留水中有益矿物质，在家用净水方面具有很强的应用潜力和市场竞争力。3纳滤膜在净水工艺中的应用3.1常规工艺+纳滤常规水处理工艺能有效降低水体浊度、色度，对有机物也具有一定去除效果。当水质较好时常规处理方式可作为纳滤膜预处理工艺，经过常规工艺预处理后，纳滤膜能有效截留常规工艺无法截留的有机物和无机离子等物质，进一步提高饮用水水质。经调研，某自来水厂采用纳滤工艺后，总硬度从550 mg/L降低至10 mg/L左右，硫酸盐脱除率达到98.4%，出水满足水质标准要求。对于水质较好的地区，“常规处理+纳滤”与“超滤、臭氧活性炭工艺与纳滤膜组合”建造和运行成本更低。当原水中含有较多易造成膜污染的物质时，无法作为纳滤膜工艺的预处理工艺。3.2超滤+纳滤采用纳滤膜系统对水体深度处理时，前端预处理通常采用超滤膜系统，超滤能有效去除细菌、病毒等微生物保证产水浊度，缓解纳滤膜污染，保证纳滤膜稳定运行；前端来水水质波动或砂滤设备发生砂砾渗漏时，超滤膜系统能够作为应急保障，保证纳滤进水水质，截留水中砂粒，防止纳滤膜受到污染或被划伤。张家港第三水厂在国内首次采用“常规工艺+压力罐式微滤+纳滤”净水工艺对项目进行升级改造，预计纳滤系统对于COD和TOC的去除率可达90%以上，消毒副产物的去除率可达70%80%，整体脱盐率30%40%。党敏等7采用超滤-纳滤组合工艺对微污染水源进行研究发现，超滤-纳滤组合工艺对水中无机离子和荧光有机物去除效果明显，在未来高品质饮用水处理的应用领域具有显著优势。3.3深度处理工艺+纳滤深度处理（臭氧-生物活性炭）能进一步去除水中有机物，相比常规处理和超滤，深度处理对水中有机物的去除效果更为显著，对易降解有机物的去除能有效防止纳滤膜产生生物污染。刘丹阳等8采用DF30膜对常规工艺产水进行为期3个月的研究发现，膜的水渗透系数下降率为58.02%，说明常规工艺+纳滤工艺运行时纳滤膜会存在较严重污染。4纳滤膜在净水应用中存在的问题4.1纳滤膜的污染纳滤膜在使用的过程中将面临膜污染问题，水中无机物与有机物会在膜孔处沉积，导致空口堵塞，膜表面污染，操作压力上升，膜通量下降。纳滤膜的膜污染主要包括有机污染、无机污染、胶体颗粒物污染以及生物污染9，对应的污染物主要包括有机溶质、无机溶质、胶体和生物固体类物质。无机污染是水中Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe2+、Ba2+等智能环保NO.02 2023108智能城市 INTELLIGENT CITY离子在膜表面结垢，造成膜堵塞。研究发现，纳滤膜工艺进水中可生物降解有机物浓度越高，生物膜形成越快，膜表面污染来自有机、无机和生物污染的协同作用。膜污染现象对纳滤膜在饮用水处理应用方面造成严重制约。4.2纳滤膜浓水和冲洗水的处理膜运行过程中会产生大量浓水，浓水中含有各种有机与无机污染物。由于膜只起到了物理分离的作用，料液中无用的组分在浓水中不断富集，无法得到降解或转化。膜运行过程中阻垢剂、用于调节pH值的酸碱以及料液中被截留的组分都将富集在浓水中，因此浓水具有很高的有机物和无机盐含量。浓水排放会对环境造成污染，浪费水资源。膜浓水处置与膜处理、膜污染问题制约着膜技术的推广与应用。纳滤膜技术应用过程中，探究环境友好型纳滤膜处理工艺具有重大意义。4.3纳滤膜的应用方式纳滤膜在饮用水净化方面的研究工作主要以溶质截留性能和机理为主，与纳滤膜系统优化排列设计关联的研究内容较少，目前的纳滤系统设计多参照反渗透设计内容。考虑纳滤膜与反渗透膜技术的差异性，若能够结合纳滤膜性能、处理水质的特点以及满足要求等方面，将膜排列进行优化设计，降低流程长度，能够进一步实现节约能耗，减缓污染，提高水体处理效率。5结语纳滤作为介于超滤和反渗透之间的膜过滤技术，具有单价多价盐选择性分离能力以及较高的低分子量有机物截留率等热点，纳滤膜技术能够在净化水体的同时减少有害物质产生，保留水体益生元素，有效保障饮用水安全性和高品质。纳滤膜在工业应用还存在一定不足，如膜污染问题、浓水处理和分离效果不彻底等，且应用中缺少纳滤膜研究和系统优化设计的有效关联。随着居民对饮用水水质要求逐渐提高，纳滤膜水处理技术在饮用水处理中具有较高的应用前景，如针对常规工艺无法满足特殊水源水质处理要求；小区范围内管网水二次处理，为居民提供更高品质的饮用水；用于地区水质突发污染时的饮用水应急处理与供给等。未来需要从优化纳滤膜系统的工程设计角度考虑，建立满足纳滤膜工程设计的测试评估方法和纳滤膜系统优化设计新模式，提升纳滤膜应用成果，使纳滤膜在饮用水净化应用中发挥更高效的作用。参考文献1 刘琰,李雪,乔肖翠,等.中国水源微污染现状及风险防控建议J.环境污染与防治,2021,43(9):1205-1208.2 中国国家标准化管理委员会,GB 57492006,生活饮用水卫生标准S.3 陶建,赵连瑞,胡利杰,等.耐溶剂纳滤膜研究进展J.塑料科技,2017,45(12):113-118.4 Lee K P,Arnot T C,Mattia D.A review of reverse osmosis membrane materials for desalinationDevelopment to date and future potentialJ.Journal of Membrane Science,2011,370(1):1-22.5 沈怡.微污染物对饮用水管网中微生物群落和条件致病菌的影响D.苏州:苏州科技大学,2017.6 张显球,侯小刚,