張 博，馬平安，鄧 蕾，趙海亮，崔紅軍，周曉娟

（1.西安水務（集團）規(guī)劃設計研究院有限公司，陜西西安710082；2.西安建筑科技大學建筑設計研究院，陜西西安710055）

水資源短缺和水環(huán)境污染是全球面臨的兩個重大環(huán)境問題。膜分離技術因操作簡單、能耗低、效率高等優(yōu)點而受到廣泛關注[1-2]。在我國水環(huán)境污染的嚴峻形勢下水處理技術顯得尤為重要。膜分離技術的理論研究和工程應用，更是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的規(guī)劃要求。本文綜述了目前國內外膜分離技術的研究進展，探討了膜分離技術的發(fā)展趨勢和熱點，以期為今后膜分離技術的綠色化可持續(xù)發(fā)展提出新的理念。

1 膜分離技術原理和特征

膜分離技術的主要原理是利用特殊材料的膜，外加動力，實現(xiàn)水中的小分子、固體顆粒等的分離。膜分離技術兼有分離、濃縮、純化和精制功能，而且具有高效、節(jié)能、環(huán)保、分子級過濾以及過濾過程簡單、易于控制等特性。膜分離技術與萃取、脫色等傳統(tǒng)的分離技術相比，具備效率高、能量消耗低、易操作、無相變且可回收、零污染等優(yōu)點[3]。膜按照孔徑大小分為微濾膜（MF）、超濾膜（UF）、納濾膜（NF）和反滲透膜（RO）四種形式。各類膜在水處理領域有廣泛研究和應用。

2 膜分離技術在凈水處理的應用

以膜技術為核心的第三代水處理技術正在成為解決水環(huán)境安全問題的有力武器。目前國內以上海、深圳等沿海地區(qū)率先開展膜技術在凈水中的應用[4]。如上海青浦第三水廠采用高效沉淀、臭氧生物活性炭與超濾膜組合工藝處理黃浦江上游微污染原水，該工藝確保出廠水濁度＜0.1 NTU，耗氧量＜1.5 mg/L，氨氮＜0.2 mg/L，處理效果穩(wěn)定，供水安全性高[5]。2019年，深圳鹽田區(qū)建成市首個自來水直飲示范區(qū)，采用臭氧-活性炭、超濾膜等深度處理工藝，提高出廠水水質，實現(xiàn)自來水直飲全覆蓋。西北地區(qū)也有膜水廠的應用，由我院設計的延安引黃工程東川水廠，設計能力為6萬m3/d，系省內首座以超濾膜系統(tǒng)為核心的第三代水處理工藝凈水廠，處理建構筑物組（疊）合設計，減少填方，節(jié)約用地，高效降耗，于2018年6月通水。

膜技術在自來水廠改造上也有應用，尤其是用地緊張的老舊水廠改造有一定前景。江西九江市羅橋水廠采用浸沒式超濾膜工藝，將原有產水量為1萬m3/d的砂濾池原位改造成產水量為2.0萬m3/d的虹吸超濾膜濾池，提高了水量和水質，并未占新地，實現(xiàn)低液位差虹吸產水，且產水不用水泵抽吸，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能耗低[6]。該項目運行良好，膜通量大，截留精度高，為今后自來水廠的提標改造提供了工程應用實例。

在當今水資源短缺的背景下，膜技術在微咸水軟化和海水淡化中的應用前景廣闊。正滲透（FO，F(xiàn)orward Osmosis）是一種新興的海水淡化技術，利用半透膜上的滲透壓梯度，可從多種水源中生產淡水[7]。萃取液是FO工藝的重要組成部分，理想的提取液具有高滲壓、低反通量和易再生等。Zhao D等[8]開發(fā)了幾種多功能的FO萃取液，提高FO的通量，探索簡便的再濃縮方法。Xue W等[9]以合成海水為萃取液，研究了FO濃縮的性能。廢水中溶解的有機碳、磷酸鹽和氨分別濃縮了2.3倍、2.3倍和2.1倍。污染物在進料側保留大于80%，排出的滲透水水質提高。另外也有用組合膜系統(tǒng)對海水淡化預處理的研究，Song Y等[10]將UF和NF組裝成集成膜系統(tǒng)（IMS）作為海水反滲透的預處理系統(tǒng)。結果表明，分子量截留小于20 kDa的超濾膜可以實現(xiàn)NF膜的高軟化效率。采用UF2作為預處理工藝的NF系統(tǒng)的通量高，達到了61.4 L/(m2·h)，最佳工況為：工作壓力為1.5 MPa，錯流速度為0.035 m/s，進料溫度為12.5℃。在此工況下，對Ca2+，Mg2+，SO42-的截留率分別為44.37%，73.26%和99.82%。

總之，膜分離技術屬第三代凈水處理工藝，可提高供水水質，尤其在自來水廠提標改造中具有應用前景，同時對于海水淡化和微咸水軟化處理上研究頗多，具有廣泛的研究空間。

3 膜分離技術在廢水處理中的應用

膜分離技術在廢水處理中有也有廣闊用途，膜技術在廢水處理中通常與生物處理技術等相結合。Safa M等[11]研究了MBR處理含油廢水，當溫度、pH值和溶解氧分別保持在20℃～25℃，6.5～7.5和2～3.5 mg/L時TPH（總石油烴）與COD的比值在0.2～0.8之間變化。當TPH/COD=0.6和HRT=24 h時，TPH去除率達到99%。Clara M等[12]研究了MBR對8種藥物、2種多環(huán)麝香香料和9種內分泌干擾物的去除進行了分析，結果表明，抗癲癇藥物如卡馬西平幾乎未去除；其他化合物如雙酚A、止痛布洛芬或降脂藥苯扎貝特去除率均大于90%。

膜技術不僅可以處理廢水中的特征污染物，同時也可分離和回用廢水中的重金屬及其他物質。Qdais H A等[13]研究RO和NF技術在處理含Cu2+和Cd2+廢水中的應用，RO工藝對Cu2+和Cd2+去除率分別為98%和99%，NF能夠去除90%以上的Cu2+。Cheryan M等[14]研究了膜在處理油水乳狀液中的應用，可用于回收水性清潔劑和機加工冷卻液。Humpert Daniel等[15]研究膜技術對木質素的回收，可將木質素濃度從62 g/L升高到285 g/L，大大提高了木質素純度。Shizhan Wang[16]發(fā)明了一種基于膜技術的酸廢液凈化回收方法，通過膜過濾分離系統(tǒng)過濾、分離、純化到總產液和濃縮液中，濃縮后可直接回用于生產。

膜技術組合工藝的研究也是研究方向之一。Marcucci M等[17]對紡織廢水深度處理進行研究，以砂濾+MF（或UF）膜工藝+NF（或RO）膜進行分離處理，并進行初步經濟分析，結果表明，膜技術可用于紡織廢水的回用，實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模轉化。

總之，膜分離技術在廢水處理中的研究主要集中在膜分離技術與其他相關工藝組合，開發(fā)新型的膜分離工藝，減緩膜污染和膜堵塞問題，如將不同的膜技術進行組合使用，或者與常規(guī)的水處理技術聯(lián)合使用，可提高處理效果，降低處理成本。

4 膜分離技術在其他領域的應用

膜分離技術在生物醫(yī)學和食品等領域也有廣泛的應用，對其研究更是方興未艾。如Zhang L等[18]研究了膜分離技術在川芎茶調顆粒提取工藝中的應用，采用單因素法篩選最佳膜類型為SMN-130A2350054，最佳壓力為1.7 MPa，最佳溫度為36℃，最佳洗滌劑為1%聚磷酸鈉。Chen Jianfeng[19]開發(fā)出一種制備西索米星的膜分離工藝，通過超濾膜凈化去除含西索米星原料中的蛋白質、多糖等大分子雜質，納米膜分離脫鹽，減壓濃縮回收溶劑，真空濃縮干燥得到西索米星粗品。膜技術果汁和葡萄酒產品也有廣泛應用，主要在產品的分離純化、澄清、穩(wěn)定、濃縮和脫醇等方面發(fā)揮著重要作用[20-21]。

總之，在其他行業(yè)，超濾和微濾膜技術主要用于過濾，納濾和反滲透主要用于濃縮。但是膜污染是個制約因素，果膠及其衍生物在膜表面形成凝膠狀結構，從而降低滲透通量，因此目前重點是利用酶固定化技術，提高過濾性能和操作方法，以減少污染。

5 膜分離技術的研究熱點

膜分離技術的研究熱點是對新型膜材料的研究和膜污染的控制研究，以期改善膜性能，延長膜使用壽命，保證出水水質，從而推動膜技術在凈水處理中的發(fā)展。

膜材料的研究主要集中在高效新型復合型膜的構建上，以期獲得親水性、防污性、高通量、高排斥性能的膜材料。新型材料包括碳納米管（CNTs）結構碳材料、氧化石墨烯膜材料等，如CQDs（Arbon Quantum Dots）納米結構碳材料其制備工藝簡單、成本低廉，同時具備良好的物理化學性質，在各種膜設計中均有應用[22]。Wei Y等[23]研究石墨烯基材料（Graphene Oxide），對GO膜和傳統(tǒng)分離膜進行了比較和討論，并對分子動力學模擬結果與GO膜的應用進行了比較。Kar S等[24]研究碳納米管（CNTs）等納米結構膜材料，認為碳納米管作為一種新興的凈水技術，對于去除水中重金屬和有毒物質極具潛力。Kim J等[25]利用納米催化劑制備了陶瓷膜，研究了納米催化劑對陶瓷膜性能的協(xié)同作用，結果顯示，新膜材料可減少污染，改善滲透質量和提高通量。

膜污染的控制主要研究膜的污染機理和減緩膜污染的措施，促使膜技術的優(yōu)勢與作用能夠高效發(fā)揮。膜污染機理主要是由于濃差極化、表面結垢和膜孔堵塞等因素造成[26-27]，目前主要是通過試驗和建立模型進行機理研究。如李偉英等[28]研究微絮凝—金屬膜組合工藝對微污染水源水進行處理，采用膜比通量，并且結合EDS、SEM等微觀表征以及動態(tài)膜污染數(shù)學模型等方法，對微絮凝—金屬膜組合工藝在處理微污染水源水時的膜運行方式以及膜污染機理進行深入探究，研究結果可為金屬膜的實際應用提供具有參考價值的理論依據(jù)和技術指導。Shirazi S等[29]分析了濃差極化和無機污染的機理和模型，考查了操作參數(shù)和膜性能對膜表面無機垢形成的影響。Wang Z等[30]對MBR中膜表面形成的膜污染和凝膠層進行了系統(tǒng)的表征，研究表明，凝膠層是由Mg、Al、Fe、Ca、Si等無機元素和有機物共同作用形成的，有機物與無機沉淀相結合，促進了凝膠層的形成，導致膜生物反應器中的膜污染。

膜污染的清洗也是研究方向之一。Rodriguez J J等[31]研究發(fā)現(xiàn)，KMnO4與NaOH是最佳的清洗劑，KMnO4最佳清洗濃度為1 g/L。不同材質的膜和不同處理對象的最佳清洗方式不盡相同，應試驗后進一步確定，通常組合藥劑清洗效果更好。

6 展望

膜分離技術經過幾代人的研究，已在多領域融合發(fā)展，得到廣泛的應用[32]。目前，膜技術的發(fā)展有賴于各種新材料膜類及復合工藝的開發(fā)，尤其是研制綠色經濟、高通量高強度、長壽命、抗污染的膜材料。相信隨著材料科學的發(fā)展，膜污染機理研究和膜組件的開發(fā)與設計將如火如荼，膜技術未來可期。