膜分离技术：开源减排保障水安全

[摘要] 针对水资源短缺和严峻的水污染现状,寻找能有效保障水安全的策略是亟待解决的社会发展问题 之一。膜分离技术的高效、操作简单等优点使其在水安全保障方面备受关注。本文介绍了我国水安全问题的内涵和现状,对膜分离技术在新水源开发、废水减排和饮用水安全保障三个领域的应用和研究进展进 行了综述,分析了膜分离技术在保障水安全领域的作用,提出了解决水安全问题的策略和方法。

1 前言

水作为重要的自然资源和社会资源,在整个人 类活动中起着举足轻重的作用。近年来,一方面, 随着我国社会经济的迅速发展、城镇化进程的加 快,用水需求量持续增长与水资源短缺之间的矛盾 日趋突出;另一方面,由于气候变化、社会活动加剧 和环境污染等原因,使得我国不同地区在同一时期需要面对水多、水少和水脏等问题。总而言之,我 国水资源总体形势不容乐观,水安全问题对社会经济发展的约束作用在不断增强。

膜分离技术因其处理效率高、适用范围广、易 与其他过程集成等特征,在水处理领域得到广泛应用。材料和工程等相关科学的不断进步,进一步推 动了膜分离技术的快速发展,应用领域也从常规的水处理扩展到特种或非常规污染水处理,在保障水安全方面发挥了重要作用。为此,本文从水安全的内涵出发,对膜技术从不同角度保障水安全的进展 进行综述,对未来的发展趋势进行展望。

2 水安全的内涵与我国水安全问题现状

水安全问题的成因既有自然因素也有人为原因。从表象来看,“水安全”是指“所有与水相关的 要素未对人类社会的稳定与发展构成威胁,或者说 存在着某种威胁,但属于可控范围之内”。

因此,水安全问题既涉及社会和国家安全,又与自然资源领域密切相关,其内涵包括多个方面: a. 水量充裕和结构均衡的水资源安全;b. 能提供品 质安全的饮用水源、具有容量内纳污能力和服务功 能的水环境安全;c. 能保持生物多样性和实现自我净化与修复的水生态安全;d. 涉及水领域的各种水 工程安全;e. 包括结构供水和城乡供水的供水安全。

目前,我国水安全问题主要体现在以下几个方 面:a. 水资源短缺,人均水资源量为 2200 m3,仅为 世界水平的 28 %,近 2/3 的城市不同程度存在缺水问题,且水资源时空分布不均,与生产力布局不相 匹配,发展需求与水资源条件之间的矛盾突 出 ;b. 水环境污染,相当量的排污水处理不彻底,使 江河湖海和地下水受到不同程度的污染;c. 水生态 破坏,据中国科学院南京地理与湖泊研究所统计, 近 30 年来因围垦等人为因素而消失的湖泊有近百 个,湿地生态环境在一些地区持续恶化;d. 水灾害 问题突出,我国南方洪涝、北方干旱及水土流失等 问题突出;e. 突发事件多,近年来,我国极端气候、突发性水源污染事故、自然灾害频发,威胁城市供水 安全,影响了正常的生产与生活秩序,造成了较严 重的社会影响;f. 传统净水工艺应对新污染有局限 性,我国90%以上的水厂修建于《生活饮用水卫生 标准》(GB 5749—2006)实施之前,所采用的传统水 处理工艺对不断出现的新有机污染物去除能力有限。面对复杂和严峻的水安全问题,膜分离技术 可以从源头和终端两个环节来应对和缓解水安全 危机的进一步恶化,并取得了很多突破性的进展。

3 膜分离技术应对水安全危机的进展

3.1 膜法水处理技术在开发水资源方面的进展

3.1.1 海水淡化

地球上 97 %以上的水资源是以海水的形式存 在,因此,高效的海水淡化技术可以有效缓解淡水 资源不足导致的水安全问题。以反渗透为主的膜法海水淡化技术投资适中、效率高、工艺成熟。据 统计,全球现有 150 多个国家和地区建有海水淡化工厂,已建成和在建海水淡化工厂超过 15 000 个, 淡水产能达到 7×107 m3/d,解决了 2 亿多人的生活用 水问题,满足了一定量的工业生产用水需求。全 球规模最大、技术最先进的以色列 Sorek 反渗透海 水淡化厂于 2013 年 10 月投入全面运营,产水规模达 6.24×105 m3/d,其中约 5.4×105 m3 的水直接进入供水系统,为 150 多万人提供纯净的饮用水,占以色列 市政供水的 20 %。预计到2016 年,全球海水淡化 的水产能将达到1.3×108m3/d,比2008年增加1倍。

反渗透海水淡化的大规模工业化应用主要得 益于超薄反渗透膜制备、组件设计以及能量回收等 技术的成熟。目前,基于芳香聚酰胺超薄复合膜的 反渗透海水淡化过程的能量回收率超过了 50 %,能耗降至 1.8 kW∙h/m3,膜的水渗透系数达到 3.5× 10−12 m3/(m2∙Pa∙s),盐截留率为99.6%~99.8%[6,7], 膜与膜过程的性能均达到了非常高的水平。

随着人们对淡水需求的日益增长,需要进一步 提高反渗透膜的分离性能和使用寿命以降低反渗透过程的产水能耗和成本。在水分子透过细胞膜 机理的启示下,含水分子通道的反渗透膜被认为是未来高通量反渗透膜的重要发展方向之一。近年 来,很多研究者分别通过分子模拟和实验验证了碳 纳米管等多孔纳米介质能够提高反渗透膜通量, 还有部分研究者将含有水通道蛋白的囊泡引入反 渗透膜中制备得到仿生膜,这些具有水通道功能

反渗透膜的开发为今后制备新型的海水淡化膜提 供了很好的参考。

3.1.2 雨水利用

近年来,由于气候变化引发的部分城市强降雨 时有发生,一方面,强降雨给市政供水系统带来很 大危害,影响城市饮用水安全供给;另一方面,大量雨水又给城市带来丰富的水源。因此,合理利用雨 水不仅可以有效防止城市洪涝灾害,还可以开辟出新的水源。目前,国内很少有城市建有雨水利用工 程,即使有也仅仅是简单地通过建筑屋面和道路面收集径流雨水,储存在储水池内,再经过沉淀、混凝 和过滤等方法处理后,作为中水用于城市小区的杂 用水水源。

相比于传统的处理方法,膜技术可以将雨水处 理达到生活水标准,最大限度地发挥雨水的作用。 早在 21 世纪初,悉尼在奥运会举办期间就将膜技术 应用于场区的雨水收集处理系统,采用聚丙烯中空纤维微滤(MF)膜作为预处理,去除水中的悬浮物和 病原体,根据回用水质含盐量的要求,再采用反渗 透除盐,产水加氯消毒后用于冲洗厕所,而反渗透 浓水则用于绿地灌溉。新加坡是一个严重缺水的国家,但雨水较为丰富,降雨以暴雨为主,具有突然 性、局域性、强度大、持续时间短的特征,为此新加 坡公用事业管理局对城市雨水的储存进行了系统规划,陆续建成了 17 个蓄水池(库)和 1 个在下暴雨 时用于防洪的雨水收集池系统,总库容量接近 1×108 m3,积蓄的雨水经过以反渗透为核心的工艺 处理后作为生活用水,所供给的水量占城市总供水 量的 30 % 。

膜技术不仅可以将雨水处理为生活用水,还可 以将雨水处理达到饮用水标准,缓解雨洪所引发的 城市饮用水安全问题,本课题组[16]基于超滤(UF)和 低压反渗透(RO)过程设计和建立了一套产水量达 25 m3/d 的双膜集成装置,可在雨洪期间作为应急供 水使用。

3.1.3 非常规污染水源开发

非常规污染水源是指由放射性物质、生化试剂及《生活饮用水卫生标准》规定之外的物质所造成 的污染水源,为了保护环境和人类健康,非常规污 染水必须经过安全、经济和有效的处置。

以放射性污染水源为例,其处理方法包括化学 沉淀法、膜处理法和离子交换法等。相对于传统的处理方法,膜处理法被认为是最有效的处理方法之一[17]。美国的 RockyFlats 曾安装了一套微滤组合系 统,用于处理含铀、重金属和有机毒物等污染物的 废水,该装置对铀的去除率超过 99.9 %。超滤可以 截留尺寸更小的颗粒物,但仍旧难以截留放射性离 子,常和反渗透联用,或者结合离子交换和电渗析 工艺(EDI),以获得高核素去除率。纳滤(NF)可以有 效去除高价离子,在核工业中主要应用于含硼、钴 的废水和燃料铀的回用处理。与上述 3 种压力 驱动膜过程相比,反渗透处理放射性废水的技术较 为成熟,美国的 Pilgrim、Comanche Peak、Dresden、 Bruce 等核电站都采用反渗透技术处理放射性废 水。与压力驱动膜过程相比,膜蒸馏对非挥发性的 放射性核素具有 100 %的理论截留率,Zakrzewska 等论证了膜蒸馏技术处理废水的可行性,但由于过程热能利用率较低、膜长期使用的亲水化等问题 阻碍了膜蒸馏技术在该领域的大规模应用。

生化试剂是另一类重要的非常规污染物,膜技 术对水体中生化污染物的去除也有较好的效果。本团队曾开展以纳滤为核心过程的去除饮用水中