膜技術在工業廢水回用中的應用
1 前言
中國是一個干旱缺水嚴重的國家。淡水資源總量為28000億立方米，占全球水資源的6％，僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2200立方米，僅為世界平均水平的1／4、美國的1／5，在世界上名列121位，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。扣除難以利用的洪水涇流和散布在偏遠地區的地下水資源后，中國現實可利用的淡水資源量則更少，僅為11000億立方米左右，人均可利用水資源量約為900立方米，并且其分布極不均衡。據水利部2009年統計資料，全國669座城市中有400座供水不足，110座嚴重缺水；在32個百萬人口以上的特大城市中，有30個長期受缺水困擾。在46個重點城市中，45.6%水質較差，14個沿海開放城市中有9個嚴重缺水。北京、天津、青島、大連等城市缺水最為嚴重。.全國城市缺水年總量呈逐年遞增趨勢，2009年高達400億立方米。
根據水利部統計，2008年全國總用水量5910億m3，其中生活用水占12.3%，工業用水占23.7%。在水資源日益緊張的今天，工業廢水的再生和回用對于緩解缺水問題的意義日益突出。據專家測算，如果以供水量為基準值100%計算，采用節水與水再生利用方式可使用工業用水減少50-95%。
工業廢水的再生和回用在美國應用較早，特別是在加利福尼亞州和佛羅里達州等缺水地區。事實上，美國為了緩解西部加州等地區的缺水問題，于60年代冷戰最激烈的時期，耗費了大量財力物力啟動了改工程。工程于1973年完工，輸水距離長達900公里，高程1151米，年調水量52億立方米。工程竣工后緩解了加州的用水問題，并在一定程度上促進了加州各產業的飛速增長。然而，其輸水成本也是巨大的，僅電耗就相當于緬因州一年的總用電量。且由此引發了一系列環境問題。為此，加州最早于美國啟動了水回用方案，對工業廢水和生活污水進行循環使用。截止2008年，洛杉磯地區對“調水”的依賴以從70年代的82%下降到65%。
在我國，工業水的循環使用在政策層面得到了高度重視。國家通過五年規劃和水資源規劃對工業用水逐年限制，以鼓勵回用和循環。在工業廢水回用領域中，超濾/微濾與反滲透/納濾的集成技術以其高效除濁和除鹽能力的有機結合，以其占地面積小、對環境污染少、自動化程度高、適用范圍廣的優勢，以其規模化生產帶來的成本的不斷下降，以其可靠的應用技術和經驗在歐美發達國家上得到了普遍應用并正逐漸在國內得以推廣應用。
2 工業廢水回用的主要領域
工業中主要的水消耗來源于如下幾個領域：
冷卻水
鍋爐補給水
生產工藝用水和沖洗水
上述不同用途的工業用水的消耗量和產生的廢水特點如下：
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其中，冷卻水所占的工業用水比例最大。據粗略統計，約三分之二的工業用水為冷卻水，在電力行業和煉油行業中，冷卻水的比例高達90%。冷卻廢水通常溫度較高，排入水體會對水生動植物產生不利影響，但處理相對簡單，經處理可以循環使用。鍋爐補給水廣泛使用在制造業用以產生蒸汽，廢水處理流程簡單，可以循環使用。生產工藝用水的水質要求和產生的廢水的特點和工藝密切相關，相對于冷卻水和鍋爐補給水，該部分水量通常較小，然而，廢水的污染程度則要高許多。對于化學、食品和紡織印染行業，生產用水的水質要求較高，而產生廢水的污染程度極高，難以處理并回用做生產用水，但可以考慮用于沖洗或雜用；對于電子和半導體行業，油田開采生產用水（回注水），可經過深度處理回用于生產流程。
3 膜分離技術
3．1超濾和微濾技術
超濾和微濾用于去除細微顆粒物。超濾膜對水中的顆粒物的去除率，跟超濾膜分離層本身的孔徑有關。通常超濾膜的分離精度在5~50nm，即0.005~0.05µm；而微濾膜的分離精度通常為0.1μm以上。
超濾和微濾采用表面過濾機理，象一個細篩。膜表面的孔徑大小一致，流道均勻。比膜表面孔徑大的顆粒物被截住，留在膜的給水/濃水側。小顆粒隨著液體透過膜。這種選擇性透過功能使得超濾膜非常適用于那些對過濾水質有嚴格要求的場合。如果膜表面完整性良好，去除效果可以得到保證。除此之外，超濾技術比傳統過濾還有結構緊湊（節省占地33%）、自動化程度高（可實際無人值守）、化學藥品用量少（節省投資、廢液排放少）等優點。
上個世紀70年代用于水處理的超濾膜以聚砜材料為主。90年代隨著應用領域的不斷拓寬，對超（微）濾膜的機械強度、抗污染能力、化學穩定性、滲透性能和清洗恢復性等方面要求也提高，促成了超微濾膜技術的發展和多樣性。目前，超（微）濾膜材料主要為聚醚砜（PES）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚砜（PS）、PAN（聚丙烯腈）、聚氯乙烯（PVC）等；膜結構形式有中空絲、管式、卷式和平板等幾種；膜組件的形式分為加壓（外置式）和負壓（浸沒式或內置式）兩大類。
通常地，截留分子量為15萬道爾頓的超濾膜，分離孔徑約為25nm，可有效去除微小顆粒、膠體、細菌和病毒等。此類超濾膜對>1μm的顆粒物的去除率為106，比傳統過濾器的過濾效果好，產水濁度一直穩定在0.1NTU以下，不隨進水濁度變化而變化。微濾和超濾可應用于生產流程中沖洗水回用及油田回注水。
3．2 膜生物反應器（MBR）工藝
膜生物反應器（membrane bioreactor，MBR）是近來發展較迅速的一種污水治理工藝，MBR是一種把傳統活性污泥法和膜截留技術結合起來的工藝。由于它以膜分離（主要為超濾膜）代替常規活性污泥中以重力進行沉降分離的二沉池，就大大提高了系統固液分離的能力，從而使系統出水水質和容積負荷都得到大幅度提高，出水濁度大大優于傳統二沉池；另一方面，生物池中的污泥濃度可比傳統高2-3倍，使降解污水的生物反應更為徹底，特別對于傳統活性污泥難以降解的物質。作為一種新型的水處理技術，由于具有占地少、能耗低等優點。近幾年來，國際上的膜生物反應器的應用發展迅速，特別是在高濃度有機廢水處理和回用等領域。
3．3反滲透和納濾技術
超濾膜去除懸浮物效果很好，但對于水中的有機物脫除率不足20%。反滲透對無機鹽份、有機物、菌類的脫除率均很高，出水水質已接近純水標準。膜的選擇透過性與組分在膜中的溶解、吸附和擴散有關。一般來說，反滲透分離過程中化學因素（膜及其表面特性）起主導作用。在水處理應用中，反滲透膜和納濾膜的結構形式以卷式和中空纖維式為主。反滲透膜對進水的濁度要求/div>
3．3雙膜法組合技術
所謂雙膜法即是超濾和反滲透的組合工藝。超濾（或MBR）作為反滲透的預處理，反滲透對超濾不能去除的有機物和鹽類進行深度去除，出水水質非常高，可用于冷卻水和鍋爐補給水。
4 膜分離技術在國內工業廢水回用的應用實例
燕山石化公司工業廢水回用于鍋爐補給水項目
工業廢水經傳統二級處理后采用超濾和反滲透組合工藝處理并回用于鍋爐補給水。項目規模： 30000噸/日。
邯鄲鋼鐵廠冷軋車間廢水回用項目
采用超濾和反滲透組合工藝，廢水回用后作為工藝用水。項目規模：I期：30000噸/日；II期：20000噸/日。
內蒙古金橋電廠廢水回用項目
采用MBR工藝處理金橋電廠高濃度氨氮廢水，作為電廠冷卻塔補給水弱酸樹脂進水的預處理。項目規模：30000噸/日。
另外，膜技術在油田回注水、制藥廢水、垃圾滲瀝液等高難度廢水處理和回用中也取得的實質性進展。
5 存在的問題和展望
隨著國家對工業企業用水量的限制日益加強，膜技術在我國工業廢水回用中的應用有著廣闊的前景。然而，就膜技術本身而言以及在回用中的推廣而言，還存在著諸多技術性問題有待解決。具體總結如下：
膜裝備的國產化還非常薄弱
近年來，膜技術在我國的應用突飛猛進，歐美和日本都非常看好這塊新興市場，根據日本某著名膜制造商的預測，中國將在2012年前后成為世界上最大的膜使用國。
然而，膜裝備的國產化相對于其應用卻遠遠滯后，目前膜市場基本上還是進口膜為主導。雖然近十年不斷有國產膜制造商涌現，雖然占據著充分的價格優勢，但在膜裝備的研發、膜使用壽命和抗污染性能等方面，還和進口膜存在著較大差距，因此，市場的競爭力尚不及美、日和歐洲產品。
膜技術的標準化有待深入
制約膜技術進一步發展的主要原因即是膜的標準化問題尚未解決。如前文所述，膜的材質、型式各不相同，截留效率、使用壽命、抗污染性能和運行參數也不盡相同。即使歐美等發達國家，至今尚未制定出關于膜的生產和使用標準。許多項目在啟動之前需要進行小試乃至中試進行比選以確定供貨商和設計參數，其過程相對于其他技術比較緩慢，這一點嚴重影響的膜技術的全面推廣。為此，歐盟于2008年耗資數千萬歐元啟動了膜的標準化的研究課題，至今該課題還在繼續。
膜技術的專業化應用有待加強
作為一種裝置自身及應用技術含量都較高的水處理技術，膜技術的應用的另一個障礙即是用戶由于自身的經驗問題常常導致運行故障或影響膜的使用壽命，從而降低了用戶對膜技術的認可。為此，對于膜技術的推廣，特別是在技術含量更高的工業廢水處理和回用方面的推廣，可能以專業化制造、工程及運營的方式更為穩妥（DBO，BOT），借助專業化公司的運行經驗，以提高膜的使用效率和效果。如燕山石化3萬噸煉油廢水回用項目，目前由國際知名公司威立雅運行，效果良好，即為一個較好的案例。目前國內諸多專業化水務公司也在積極進入膜技術領域（如中環水務等），相信今后會有更多的專業化工程和運營項目。
膜技術在歐美日等發達國家一直被視為21世紀主要的水處理技術。各國對于膜技術的應用都非常重視。如歐盟，曾在2003年左右，鑒于當時膜市場主要被美國和日本廠家占據，為此歐盟將膜技術列為高新技術并組織成員國共同努力開發相應的技術和裝置。鑒于膜技術在水處理領域特別是水資源再生利用方面的重要性和我國水資源短缺的事實，建議國家從發展高度重視該技術的國產化、標準化和專業化應用。我們作為國內有影響力的水務公司，將密切配合，從自身做起，為推動膜技術的普及貢獻力量。
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