反渗透膜在水处理中的研究进展
周
军１，方少明１，张宏忠１，陈绍伟２
（１．郑州轻工业学院材料与化工学院，河南郑州４５０００２；２．同济大学环境科学与工程学院，上海２０００９２）
摘要：简要概述了反渗透原理及反渗透膜的种类，重点介绍反渗透膜在城市污水、垃圾渗
滤液、重金属废水及含油废水处理和回用方面的应用，最后分析了目前反渗透膜存在的问题及其发展趋势。
关键词：反渗透膜；水处理；回用
中图分类号：ＴＱ０２８．８；ＴＱ０２８．４；Ｘ７０３
文献标识码：Ｂ
文章编号：１００５－８２６５（２００６）０２－００１２－０４
收稿日期：２００６－０４－２０
基金项目：河南省重大科技攻关资助项目（编号：０４２２０３０１００）
作者简介：周军（１９７６－），男，讲师，主要研究方向：水污染控制及治理，电话：１３９４９０２５１１６，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｊｉｚｊｐ＠１６３．ｃｏｍ
引言２０世纪８０年代初，美国就克服纤维素材料的缺
陷，研发出高水通量、高盐截流率的复合聚酰胺膜，使得反渗透技术广泛应用于工业领域。现在已从最初的海水、苦咸水脱盐及各种纯水制造的生活领域应用向废水处理、回用的环保领域发展［１，２］。
目前一方面水资源缺乏，要求不断开发利用比以前品质更低的水源；另一方面政府环保部门施加的压力及公众对高品质饮用水的需求要求处理方法更新、处理程度提高，这给膜分离技术尤其是反渗透膜技术带来了巨大的市场潜力和发展空间。
１反渗透原理［３］及反渗透膜种类
反渗透是一种以压力为推动力的膜分离过程。在使用中为产生反渗透压，需用水泵给含盐水溶液或废水施加压力，以克服自然渗透压及膜的阻力，使水透过反渗透膜，将水中溶解盐或污染杂质阻止在反渗透膜
的另一侧。其原理详见图１。
膜是反渗透系统的心脏，膜的好坏直接决定着反渗透系统的性能。采用不同膜材料制备的反渗透膜具有不同的化学稳定性、热稳定性、机械性能和亲和性能。目前，常用的膜材料有［４］：１．纤维素酯、二醋酸纤维素及三醋酸纤维素；２．聚芳香酰胺；３．聚苯并咪唑、聚苯并咪唑酮、聚酰胺酰肼和聚酰亚胺。
２反渗透膜在水处理中的应用
２．１反渗透膜在水处理方面的常规应用
水是人们赖以生存和进行生产活动必不可少的物质条件。由于淡水资源日益缺乏，世界上反渗透水处理装置的能力已达到每天数百万吨。现在采用反渗透膜淡化海水制取饮用水已成为最经济的手段［５］，每吨水耗电在５ｋＷ?ｈ以下，最大的装置处理能力达２．０×１０５ｍ３／ｄ，同样它也是苦咸水淡化最经济的方法，每吨水耗电在０．５￣３ｋＷ?ｈ，最大的装置处理能力达１．３×１０５ｍ３／ｄ。
２０００年，在国家科技部重点科技攻关项目
“日产千吨级反渗透海水淡化系统及工程技术开发”的支持下，
１０００ｔ／ｄ级的反渗透海水淡化示范工程先后在山东长
岛、浙江嵊泗建成［６］。
２．２
反渗透膜在城市污水方面的应用
目前，反渗透膜在城市污水深度处理方面的应用尤其是污水处理厂二级出水回用及中水回用等，已受到高度重视。美国ＣａｌｉｆｏｒｎｉａＯｒａｎｇｅ县ＷＦ２１工厂最早在废水深度处理中使用了反渗透膜技术。中东不少缺
渗透压
半透膜
溶剂
溶质＋溶剂
溶剂
渗透及渗透平衡状态
溶质＋溶剂
溶剂
溶剂
加压
半透膜
反渗透状态
图１反渗透原理
溶剂
水国家也采用反渗透膜技术处理城市污水，其一级反渗透膜出水含盐８０ｍｇ／Ｌ，二级出水含盐１０ｍｇ／Ｌ达到回用要求。ＳＵＺＵＫＩＹ［７］等将不同组件形式、不同材质的反渗透膜用于生活污水回用处理研究，结果表明：螺旋卷式聚乙烯醇复合膜和三醋酸纤维素中空纤维膜在废水回用工艺中具有较高的实用价值：膜透过液水通量较大，水质无色透明、无味，粪便大肠菌类的截留率为
１００％，渗透液ＣＯＤ为１～２ｍｇ／Ｌ，色度≤１度，磷含量为０．０１ｍｇ／Ｌ，基本与城市给水相差不大。悉尼奥运会体
育场馆将经ＳＢＲ工艺处理的生活污水和经沉降和水生植物氧化塘处理的雨水混合后送到０．２μｍ的微孔过滤系统进行净化，得到可冲厕所用的中水；中水再经过反渗透处理用于场馆绿化，这样既节约了自来水，又减少了市政污水处理量，实现了绿色奥运［８］。其水处理系统如图２所示。
２．３
反渗透膜在垃圾渗滤液中应
用
垃圾填埋场渗滤液是液体在填埋场重力流动的产物［９］，水质复杂，水量变化大，既含有各种有机物，还含有高浓度氨氮和各种重金属离子，其可生化性随填
埋时间而变化。但反渗透膜技术对这种波动“不敏感”，且最新一代的反渗透膜也保证了反渗透膜技术在渗滤液处理中的正常运行。Ｈｕｒｄ等［１０］选用３种低压聚酰胺反渗透膜对ＴｒａｉｌＲｏａｄ垃圾填埋场的渗滤液进行处理，结果透过液的流量取决于操作压力大小及ＴＯＣ的浓度，当操作压力＞１．０３×１０６Ｐａ时，透过液的流量为２６．０～５４．０Ｌ／（ｍ２?ｈ），ＴＯＣ和Ｃｌ－的去除率＞９６％，ＮＨ３－Ｎ的去除率＞８８％。Ａｎｇｅｌｏｙ等［１１］用ＳＷ３０－２５２１型卷式膜对意大利Ｐｉｅｔｒａｍｅｌｉｎａ垃圾填埋场的渗滤液进行了中试，试验表明，当渗滤液ＣＯＤ增至１７４９ｍｇ／Ｌ时，渗透量大大降低，操作压从２．０ＭＰａ增至５．３ＭＰａ时，
ＣＯＤ的去除率从９６％上升为９８％，此外，ＣＯＤ对金属
去除率的影响和金属离子的属性有关。
最早应用于垃圾填埋场渗滤液处理的反渗透系统是盘管式膜组件。１９９８年，盘管式反渗透（ＤＴ－ＲＯ）系统进入垃圾填埋场渗滤液处理市场。美国国家环保局
（ＵＳＥＰＡ）对ＤＴ－ＲＯ系统进行过全面的经济技术评价，认为ＤＴ－ＲＯ对渗滤液中污染物的去除非常有效，对总有机碳（ＴＯＣ）的去除率大于９６．７％，对总悬浮物（ＴＤＳ）的去除率超过９９．４％，对挥发性有机物（ＶＯＣｓ）的去除率超过９２．３％。目前得到广泛应用的ＤＴ－ＲＯ技术一般采取２级ＲＯ装置，已经在世界各地有２００多个工程实例，其中西欧、北美、澳洲地区就有百余座渗滤液ＲＯ处理场在应用，德国在这一领域处于领先地位，共有４３座［１２］。国内齐小力［１３］采用ＰＡＬＬＲＯＣＨＥＭ提供的ＲＯ５０２型ＤＴ－ＲＯ产品，在北京阿苏卫垃圾填埋场、六里屯垃圾填埋场和北神树垃圾填埋场进行了渗滤液的处理试验。结果如表１所示。
２．４反渗透膜在重金属废水处理方面的应用
含重金属离子废水的常规处理方法都只是一种污染转移，即将废水中溶解的重金属转化成沉淀或更加易于处理的形式，其最终处置常常是进行填埋，而重金属对地下水和地表水环境造成二次污染的危害依然长期存在。国内外均对反渗透法处理重金属废水进行了广泛深入的研究，发现采用反渗透膜技术不仅可以避免产生二次污染，而且还能获得高的金属离子截留率。
目前，在电镀工业中我国约有１００套反渗透装置
应用于处理含镍及含铬电镀液，组件多采用内压管式或卷式。国家海洋局杭州水处理技术中心采用３级浓缩即第一级纳滤浓缩１０倍，第二级反渗透（ＢＷＲＯ）浓缩５倍，第三级反渗透（ＳＷＲＯ）浓缩２倍，对电镀镍漂洗水进行处理，结果水中的Ｎｉ２＋由３００ｍｇ／Ｌ浓缩至３０ｍｇ／
Ｌ，流量由５０ｔ／ｈ减至０．５ｔ／ｈ后进入负压蒸发系统得到
ＮｉＳＯ４?６Ｈ２Ｏ晶体和其它电解质晶体，透过液经离子交换后Ｎｉ２＋小于０．５ｍｇ／Ｌ，然后同自来水混合，经处理后回用作漂洗泡沫镍的纯水［１４］。ＵＪＡＮＧＺ．［１５］采用复合低压反渗透膜对含Ｚｎ２＋和Ｃｕ２＋的废水进行处理研究，不投加ＥＤＴＡ，进水ｐＨ在３～５之间，水温２５０℃，水回收率
为４０％，操作压力４５０ｋＰａ时，Ｚｎ２＋和Ｃｕ２＋的去除率９３％
～９６％；投加ＥＤＴＡ后，由于与Ｚｎ和Ｃｕ形成络合离子，在其它条件相同时，反渗透膜对Ｚｎ２＋和Ｃｕ２＋的截留率稳
定在９５％，当投加ＥＤＴＡ适宜时，二者的截留率均达到
９９％以上，研究还发现对Ｚｎ２＋的截留率略高于Ｃｕ２＋，采
场区和奥运村生活污水
污水处理厂
处理后雨污水深度处理系统
微滤系统
反渗透
奥运村中水回用
场馆内绿化
综合生态自然保护区
雨水处理系统１雨水处理系统２雨水处理系统３
图２悉尼奥运会雨水、污水处理利用和回用系统
表１Ｒ０５０２型ＤＴ－ＲＯ设备在北京地区的试验结果
阿苏卫垃圾填埋场进水
出水
六里屯垃圾填埋场进水
出水
北神树垃圾填埋场进水
出水
国家标准
ＣＯＤ（ｍｇ／Ｌ）
氨氮（ｍｇ／Ｌ）ＳＳ（ｍｇ／Ｌ）电导率（Ｓ／ｃｍ）
１４３００２８８６１６６７２３９８０
７１．６未检出
５０５６０００２３８１２１１２５４６８０
１７１５．０未检出
１３２２４００２０００２０００２００００
３１．２未检出
６７
１００１５７０未要求
用的反渗透膜组件情况见表２。在经过前期处理后的含镍、铬、铜及锌等重金属离子的废水，进一步采用反渗透膜作为终端处理，能确保废水中的重金属离子完全去除，处理后的水质优良，可以作为回用水资源，实现闭路循环。
２．５反渗透膜在含油废水方面的应用
含油废水是一种量大面广的工业废水，若直接排入水体，会在水体表层产生油膜阻碍氧气溶入水中，从而致使水中缺氧、生物死亡、发出恶臭，严重污染生态环境。一般，含油废水中的油分以浮上油、分散油、乳化油三种状态存在，其中前两种比较好处理，经机械分离、凝聚沉淀和活性炭吸附，油分可降低到几ｍｇ／Ｌ以下，而乳化油含有表面活性剂和起同样作用的有机物，油分以微米数量级大小的粒子存在，所以长期保持稳定，难以分离。
对含乳化油的废水应用反渗透法处理，不需破坏乳化液进行浓缩分离，其浓缩液采用焚烧处理，渗透液可进行回用或排放处理。美国加利福尼亚的圣泡斯废热电站第一次大规模应用反渗透装置于油田采出水处理，成功地将含盐３０００ｍｇ／Ｌ、硅６２６３ｍｇ／Ｌ、油３．５ｍｇ／Ｌ、总有机碳（ＴＯＣ）（１６～２３）ｍｇ／Ｌ的油田采出水处理到锅炉用水水质，于是处理后的水回用于电站锅炉给水。含油废水成分复杂，除了溶解状态、乳化状态多种盐类外，还有投加的破乳剂、降粘剂等，因此单单一种膜处理方法有其局限性，在实际应用过程中一般采用多种处理方法联合使用的方式，才能保证出水水质。国内张宏忠等［１６］先采用自配的ＤＥＭＵＬ－Ｂ１作为破乳剂对高浓度的Ｏ／Ｗ型纺丝油剂废水进行破乳，然后以ＯＳＭＯＮＩＣＳ公司的ＳＥ反渗透膜对破乳后的水样进一步处理，结果表明：经“破乳－反渗透”处理净化后的水质，其ＣＯＤ的去除率达到９９．９６％，含油量几乎监测不出。国外，Ｓａｎｇｈｈｙｕｎ等［１７］把盐析和反渗透结合起来处理乳化油废水取得了很好的效果，在含油废水中加入１．０％～４．５％的铝或水溶性盐，在ｐＨ值２～５范围内搅拌混合，静止０．５～１ｈ后油分上浮，除去漂浮油后进行过滤，可进一步除去以铝铁絮凝形态残存于水中的油分，去除率高达９９％，而后用反渗透膜处理含铝盐或铁盐的水溶液，盐的去除率接近１００％，最终透过水可回用，浓缩水在油水分离工序中循环。ＣＡＲＴＷＲＩＧＨＴＰ．Ｓ．［１８］采用纳滤／反渗透集成工艺处理油田废水，研究表明：第一级使用中空纤维纳滤膜去除几乎所有重油、浊度和主要溶解有机物，第一级的渗滤液直接进入第二级卷式反渗透膜，反渗透膜产生的滤液能够满足再用或回灌地下，当每级运行回收率为９０％，温度１８～２２°Ｃ，运行压力７～２５ｋｇ／ｃｍ２时，第一级稳定后水通量为８．１Ｌ／（ｍ２?ｈ），第二级稳定后水通量为５．１Ｌ／（ｍ２?ｈ），实际膜分离效果如表３所示。
３反渗透膜技术的发展趋势
在当今世界水处理业朝着以开发水资源（即废水回用）与保护环境双重目标的废水资源化方向发展的趋势下，反渗透膜技术由于具有优良的分离性能，其应用领域将越来越广泛。今后它的发展方向主要集中于：①．研究开发具有低能耗、抗污染、耐高温、高压和特种分离等性能的反渗透膜组件；②．研究开发具有抗酸碱性、抗氧化性以及高透水性的新型膜材料；③．反渗透膜组件与超滤、微滤、纳滤及ＥＤＩ等组件的组合或与其他单元操作相结合（如膜分离技术与催化反应结合起来形成膜反应器）可以取得更好的分离效果。
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膜材料组件
形式
运行
方式
有效膜
面积／ｍ２
ｐＨ值
范围
荷电厚度／$ｍ
预期
寿命
磺化聚砜螺旋
卷式
连续０．４５６２－１１负电１５０－１７５３ａ
表２反渗透膜组件情况
特性进水水质第一级中空纤维膜出水第二级卷式膜出水
重油／$ｇ
解性有机物／$ｇ
电导率／Ｓ?ｃｍ
浊度（ＮＴＵ）
３０００
３００
０．０４６
＞１００
＜５
８０
０．０４５
３
＜１
５
０．００５
＜１
表３油田废水处理实验研究中污染物的去除情况
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＰＥＧｒｅｍｏｖａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｌｅｃｕｌａｒｗｅｉｇｈｔｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙＭＷＣＯ１０ｋＤａａｎｄＭＷＣＯ５０ｋＤａＵＦｍｅｍｂｒａｎｅｓｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇＰＥＧｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｅｃｔ，ｓｕｃｈａｓＰＥＧｍｏｌｅｃｕｌａｒｗｅｉｇｈｔ，ＭＷＣＯｏｆｍｅｍｂｒａｎｅｓ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄＰＥＧｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｗｏｒｋｈｏｕｒｏｎｔｈｅｐｅｒｍｅａｔｅｄｆｌｕｘｗｅｒｅａｌｓｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．ＴｈｅＰＥＧｒｅｍｏｖａｌａｎｄｆｏｕｌｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂａｓｅｄｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＵＦ；ＰＥＧ；ｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅ；ｐｅｒｍｅａｔｅｄｆｌｕｘ
ＳｔｕｄｙｏｎＰＥＧＲｅｍｏｖａｌｆｒｏｍＷａｔｅｒＳｏｌｕｔｉｏｎｂｙＵｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ
ＬＩＵＪｉ－ｑｕａｎ，ＦＡＮＧＪｉａｎ－ｈｕｉ，ＬｉｕＤａ，ＤＥＮＧＹｉｎｇ，ＳＨＩＬｉ－ｙｉ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙ．ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００４４４，Ｃｈｉｎａ）
（上接第１１页）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｗｏｒｋｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｎｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｒｅｖｅｒｓｅｏｓｍｏｓｉｓｍｅｍｂｒａｎｅｓ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｒｅｖｅｒｓｅｏｓｍｏｓｉｓｍｅｍｂｒａｎｅｓｉｎｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｒｅｕｓｅｏｆｍｕｎｉｃｉｐａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒ，ｌａｎｄｆｉｌｌｌｅａｃｈａｔｅ，ｗａｓｔｅｗａｔｅｒｗｉｔｈｈｅａｖｙｍｅｔａｌａｎｄｏｉｌｙｗａｓｔｅｗａｔｅｒｗｅｒｅｐｒｉｍａｒｉｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｒｅｎｄｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．
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２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２，Ｃｈｉｎａ）
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