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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展的瓶頸，解決這一難題，對我國可持續發展是非常迫切的和極其重要的。除水資源的科學管理和優化配置之外，充分發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年來迅速發展為產業化的高效節能分離過程。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展起來，在能源、電子、石化、醫藥衛生、重工、輕工、食品、飲料行業和人民日常生活及環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展，使膜技術不斷創新、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，而且發展潛力很大，前景誘人。
2.水資源開發、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、濱海和島嶼地區社會和經濟發展的生命線。我國部分海島，艦船，濱海電廠，眾多苦咸水地區，包括西部地區，也用淡化水解決飲用水和工業的急需，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新性開拓是分不開的。
在反滲透膜的發展方面，不對稱膜和復合膜是創新的兩個范例；反滲透膜組器技術的創新，使膜的性能得以充分的發揮，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選技術之一。
2.3 地下水補救
北方地區甚至蘇、浙地區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，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組份……都有顯著的節水、降耗效果。這些技術的推廣，必將在改造傳統工藝和節水減污中發揮更重大的作用。
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，改善水環境，緩解水資源的不足，節約寶貴的水資源，及促進環保產業的發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廢水組成，大體各占一半。現主要用集中的生物法（常規活性污泥法，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，可將污水或廢水變為不同水質標準的再用水，或使之循環回用，這樣既緩解了供求矛盾，又減少了污染，還促進了環保產業的發展。目前污水回用已有作工業冷卻水、灌溉用水和市政用水的大量實踐，經濟社會和環境效益顯著。
浸沒式膜生物反應器對生活、食品和醫藥工業污水的處理，使之回用；超濾實現了涂裝行業（特別是汽車工業和鋁加工業）電泳漆和淋洗水的回收；用超濾處理紡織業和印染業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；滲析回收冶金、化工、采礦等行業的廢酸、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，節省珍貴的水資源，減輕水污染和改善水環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，膜技術作為可持續發展的關鍵共性技術之一，必將倍受重視，并繼續在水資源開發和保護、飲用水凈化、改造傳統產業和推進清潔生產等方面發揮更大的作用。
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