第4章新污染物膜分離去除技術(shù)4.1膜分離技術(shù)簡介在工程領(lǐng)域，“膜”（membrane）指的是具有選擇性分離功能的材料，因此也被稱為“分離膜”（separationmembrane）。在驅(qū)動力的作用（如滲透壓差、液位差、電勢差等）下，物料從膜的一側(cè)進(jìn)入（進(jìn)料側(cè)），并與膜接觸，進(jìn)料側(cè)中的某些成分穿過膜進(jìn)入到膜的另一側(cè)（滲透側(cè)），而其他成分則被膜截留，富集在進(jìn)料側(cè)或者隨著進(jìn)料側(cè)物料流出反應(yīng)區(qū)域。膜分離技術(shù)具有操作簡便、分離效率高、分離過程無相變、占地面積小、高度自動化、無需額外添加化學(xué)藥劑、便于模塊化和規(guī)?；O(shè)計等優(yōu)勢，為解決新污染物帶來的水污染問題提供了可靠的解決方案。進(jìn)料側(cè)滲透側(cè)驅(qū)動力膜4.2膜分離技術(shù)去除技術(shù)發(fā)展史MF膜MF膜由于其孔徑較大，單獨過濾難以截留水中分子量較小的新污染物，一般通過耦合不同前處理工藝將廢水中的新污染物聚集成顆粒的形式，再通過MF膜的孔徑篩分作用，截留去除。2019年，LiZheng-Hao采用預(yù)混凝和MF組合工藝去除水中抗生素抗性基因（ARGs），水中ARGs總?cè)コ蔬_(dá)到2.9log。對于微塑料，由于其粒徑相對較大，可通過MF過濾去除，例如使用陶瓷MF膜過濾二級出水，對水中微塑料的去除率高達(dá)72%。UF膜2007年，Gomez.M首次研究了UF對三種高濃度內(nèi)分泌干擾物（雙酚A、雙酚F和三乙二醇二甲基丙烯酸酯）的去除效果，UF工藝對小分子內(nèi)分泌干擾物的去除效果相對較差，但當(dāng)超濾膜將水中的顆粒物質(zhì)截留在膜表面后，形成動態(tài)膜，具有一定的預(yù)過濾效應(yīng)，但是在出水中仍然檢測出了較高濃度的內(nèi)分泌干擾物。2011年，Weemaes.M將UF與生物活性炭相結(jié)合，研究了組合工藝對抗生素的去除效果，發(fā)現(xiàn)其對抗生素幾乎可以完全去除。2019年，馬百文將混凝和UF結(jié)合，考察其對水中微塑料（MPs）的去除效能，發(fā)現(xiàn)混凝劑的種類和投量、微塑料的尺寸等對微塑料的去除效果和膜污染影響顯著，此后關(guān)于UF組合工藝在去除MPs的研究主要集中在膜污染方面。最新研究表明，重力驅(qū)動超濾工藝（GDM）——在超濾膜表面構(gòu)建活性生物濾餅層，可有效地強(qiáng)化超濾工藝對水中新污染物（如抗生素、微塑料、嗅味等）的去除效能。4.2膜分離技術(shù)去除技術(shù)發(fā)展史

NF膜

2003年，Gallenkemper.M就研究了11種不同類型NF膜對典型內(nèi)分泌干擾物雙酚A和壬基酚的去除作用，發(fā)現(xiàn)去除率高達(dá)70%~100%。2006年，Kim.S研究了四種適用于不同鹽度的納濾膜對二級出水中內(nèi)分泌干擾物的去除作用，發(fā)現(xiàn)NF對內(nèi)分泌干擾物的去除率為45%~94%，且去除率與膜通量呈反比。2017年，Pramanik.B研究了單獨NF對兩種典型POPs——PFOA和PFOS的去除效果，在POPs的進(jìn)水濃度為數(shù)百ng/L的條件下，NF對兩種POPs的去除率均達(dá)到了約90%。同年，Soriano.Ao發(fā)現(xiàn)NF對另一種典型POPs——全氟己酸（PFHA）的去除率高達(dá)96.6~99.4%。在抗生素去除方面，2005年，Oatley.DL研究了NF對頭孢菌素類抗生素的截留，在最佳的NF工況下，對此類抗生素幾乎達(dá)到完全截留。此后，研究方向主要集中在共存物質(zhì)對截留效果的影響、截留模型開發(fā)、與其他工藝耦合、新型膜研發(fā)、擴(kuò)大規(guī)模驗證等方面。由于NF過程對抗生素僅僅是起到截留而非降解作用，而將光催化、臭氧間接氧化等高級氧化技術(shù)與納濾組合，可實現(xiàn)對抗生素的徹底去除，例如將NF與光催化氧化技術(shù)結(jié)合，在提升抗生素去除效率的同時，還可緩解膜污染，提高NF工藝長期運(yùn)行穩(wěn)定性。NF對稀土元素具有顯著的截留和富集能力，Murthy.Z.V.P使用NF從水溶液中回收鐠（Pr），在進(jìn)水濃度10mg/L和100mg/L的條件下，NF對Pr的截留率可達(dá)到89.07%和84.20%。2019年，Lopez.J利用NF技術(shù)從酸性礦井廢水中回收硫酸和稀土元素，在合適的pH值下，NF對三價稀土元素的截留率達(dá)到95%以上。4.2膜分離技術(shù)去除技術(shù)發(fā)展史RO膜1977年，Datta.R首次將RO用于抗生素溶液的濃縮過程，發(fā)現(xiàn)了RO膜對抗生素具有高效的截留作用，但并未研究廢水中抗生素的截留效果。2002年，Adams.C首次在實際水廠中將RO技術(shù)用于廢水中抗生素去除，并實現(xiàn)了對抗生素的有效去除。此后，關(guān)于RO去除抗生素的研究越來越多，尤其是其他膜技術(shù)（如UF和NF）與RO的組合技術(shù)，即雙膜法技術(shù)，可在保障對新污染物高效去除效果的同時緩解RO膜污染；同時，不同種類的抗生素（如磺胺甲惡唑、氨芐青霉素和阿莫西林、氟喹諾酮類抗生素、環(huán)丙沙星、抗生素抗性基因）相繼被發(fā)現(xiàn)均可通過RO工藝去除。對于內(nèi)分泌干擾物，2001年報道了RO對內(nèi)分泌干擾物中類固醇類激素的去除效果，去除率高達(dá)90%以上。2002年，Nghiem.LD發(fā)現(xiàn)RO對雌酮也具有較好的去除效果。然而，此時的研究觀點主要認(rèn)為RO對有機(jī)物的去除與其所帶電荷有關(guān)。2004年Kimura.K研究發(fā)現(xiàn)RO膜對內(nèi)分泌干擾物的去除效果與內(nèi)分泌干擾物的極性有關(guān)。2009年，Gomez.J.L研究了RO對持久性有機(jī)污染物—苯胺的去除效能，分析了不同操作變量（壓力、進(jìn)料體積流量、進(jìn)料濃度和pH值）對苯胺去除性能的影響。2018年，Shokri.Aref研究了RO對鄰甲苯胺的去除效能并分析了不同操作變量對RO去除性能的影響。RO去除新污染物主要依靠膜本身的截留作用，并沒有對污染物本身進(jìn)行降解。與氧化技術(shù)耦合是利用RO技術(shù)去除新污染物的重要方向，例如在2020年，Gu.Y.R利用RO膜截留富集原水中的全氟辛烷磺酸（PFOS），并開發(fā)了高強(qiáng)度UV/SO32?光催化系統(tǒng)用于降解含有PFOS的RO濃縮液，從而實現(xiàn)對PFOS的分解去除。4.2膜分離技術(shù)去除技術(shù)發(fā)展史FO膜正滲透（FO）工藝是利用滲透膜兩側(cè)的滲透壓差作為過濾的驅(qū)動力，其對新污染物的去除效能主要取決于溶液的摩爾濃度。2006年，Cartinella首次使用平板FO膜去除兩種激素（雌酮和雌二醇），兩種激素的去除率在96%~97%之間。2013年，JiyongHeo研究了FO膜對新污染物的去除效能，去除效果為：磺胺甲惡唑（SMX，67%~90%）≈卡馬西平（CBZ，68%~83%）>>阿特拉津（ATZ，34%~49%）>4-氯苯酚（4CP，28%~39%）>苯酚（PHN，21%~22%）。在2021年，Salamanca使用內(nèi)部含有水通道蛋白的TFC中空纖維FO膜，測試了對24種新污染物的截留率，發(fā)現(xiàn)FO膜對所測試的新污染物的截留率均超過了93%。

4.3膜分離技術(shù)過程原理4.3.1低壓膜濾（超濾和微濾）MF和UF均屬于壓力驅(qū)動型膜分離技術(shù)，通常認(rèn)為，MF和UF的分離機(jī)理為孔徑篩分，膜孔大小對分離效果起決定作用。微濾膜孔徑大于0.1μm，超濾膜的分離孔徑在1nm~100nm之間，環(huán)境水體中存在的新污染物的分子量普遍偏低，因而MF和UF膜直接過濾難以實現(xiàn)對新污染物的有效截留。因此，實際應(yīng)用中，通常將低壓膜濾技術(shù)與活性炭吸附、生物降解等手段進(jìn)行組合，構(gòu)建以膜濾技術(shù)為核心的組合工藝，強(qiáng)化對廢水中新污染物的去除效能。1.活性炭-低壓膜濾耦合工藝粉末活性炭因其具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、高比表面積的特點，對水中的內(nèi)分泌干擾物、持久性有機(jī)物等新污染物具有良好的吸附能力，但存在粉末炭泄漏風(fēng)險?；钚蕴颗c低壓膜濾技術(shù)的組合具有較為顯著的協(xié)同作用，一方面，低壓膜通過尺寸排阻作用去除水中的膠體、顆粒物以及吸附了難降解新污染物的粉末活性炭，保障出水的水質(zhì)安全性；另一方面，粉末活性炭在吸附水中新污染物的同時，還可去除部分水中的其他有機(jī)污染物，可有效緩解低壓膜濾單元的膜污染問題，保障其長期運(yùn)行穩(wěn)定性。4.3膜分離技術(shù)過程原理2.膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝膜生物反應(yīng)器（MBR）將傳統(tǒng)的活性污泥法與膜分離工藝（通常使用MF）相結(jié)合，可實現(xiàn)水體中多種污染物的同步高效去除。針對新污染物去除而言，MBR的主要工作機(jī)制包括污泥吸附、生物水解、生物分解等。由于不同新污染物的可生化性和污泥吸附率存在顯著差異，MBR對不同新污染物的去除能力也有所不同。MBR工藝對雌酮、雌二醇等內(nèi)分泌干擾物具有較強(qiáng)的去除作用，平均去除率高達(dá)90%以上；針對污泥吸附率較高且尺寸較大的微塑料類新污染物，MBR工藝對其的去除率高達(dá)99%。然而，由于卡馬西平、三氯生、新諾明等抗生素類新污染物較難降解，MBR工藝對其的去除率為20%~80%。盡管MBR工藝對廢水中的大部分新污染物具有較好的去除作用，但是出水中仍具有一定量的新污染物，即難以通過生物作用將其完全去除，通?？稍贛BR工藝后設(shè)置臭氧氧化、電化學(xué)氧化、UV/H2O2等設(shè)施，強(qiáng)化對新污染物的深度脫除。4.3膜分離技術(shù)過程原理4.3.2高壓膜濾（納濾、反滲透和正滲透）1.納濾（NF）膜分離NF對新污染物的截留去除機(jī)制主要包括通過篩分作用、靜電排斥以及吸附作用等。篩分作用是指分子尺寸大于膜孔徑的污染物，在物理作用下被NF膜截留在膜前的過程，而部分分子尺寸較小的親水性新污染物也可通過與水分子形成氫鍵增大其有效直徑，進(jìn)而被NF膜截留去除。通常情況下，中性藥物分子（例如酰胺咪嗪、安替比林、環(huán)磷酰胺等），僅通過篩分作用即可被NF膜截留去除。此外，水中的微塑料類新污染物的尺寸范圍主要集中在微米尺度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于NF膜孔徑，因此利用NF技術(shù)去除水中微塑料時，也主要是基于篩分作用。4.3膜分離技術(shù)過程原理2.反滲透（RO）膜分離反滲透（RO）通過在溶液側(cè)施加高于滲透壓的壓力，致使水分子反向滲透（從溶液側(cè)向溶劑側(cè)滲透）從而實現(xiàn)水質(zhì)凈化的過程。一般而言，RO膜對新污染物能力的截留機(jī)制主要包括尺寸排阻、電荷排斥、疏水相互作用、特異性吸附（官能團(tuán)、氫鍵等）等作用。反滲透原理圖4.3膜分離技術(shù)過程原理2.正滲透（FO）膜技術(shù)正滲透（FO）是一種利用滲透壓驅(qū)動的膜分離過程，F(xiàn)O裝置通常包含三部分：待處理進(jìn)料液，F(xiàn)O膜與汲取液（含回收系統(tǒng)）。汲取液通常具備較大的滲透壓（高于進(jìn)料液），根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在正滲透過程中，水分子在膜兩側(cè)滲透壓差的驅(qū)動下，自發(fā)地從FO膜進(jìn)料液側(cè)向汲取液側(cè)遷移，同時通過汲取液回收系統(tǒng)，實現(xiàn)汲取液的再生和純水的生產(chǎn)。FO技術(shù)對新污染物的分離機(jī)制是以孔徑篩分和電荷排斥作用為主要截留機(jī)制，同時還需要考慮膜與溶質(zhì)間的相互作用。正滲透原理圖4.3膜分離技術(shù)過程原理3.膜蒸餾（MD）膜蒸餾原理圖膜蒸餾（MD）技術(shù)是利用疏水性微孔膜對水中的污染物進(jìn)行截留分離的過程，該過程依靠膜兩側(cè)存在的蒸汽壓差，即在一定的溫度驅(qū)動下使水以氣態(tài)形式穿過疏水性微孔膜，在膜的另一側(cè)重新冷凝成水，從而實現(xiàn)水的凈化。疏水性微孔膜只允許氣態(tài)分子通過，理論上MD能實現(xiàn)對非揮發(fā)性污染物的完全截留。MD對新污染物的截留機(jī)制主要包括靜電作用力以及基于化合物揮發(fā)性和疏水性的排斥作用。受新污染物自身揮發(fā)性和親疏水性的影響，揮發(fā)性新污染物（如多環(huán)芳烴、有機(jī)氯農(nóng)藥等）和疏水性新污染物通常難以被MD膜分離去除。4.4膜分離技術(shù)影響因素4.4.1膜特性不同的膜材料對新污染物分離性能具有顯著的差異性。目前大多數(shù)的商品納濾膜和反滲透膜都是有機(jī)膜，主要是采用芳香聚酰胺系列和醋酸纖維素系列的有機(jī)聚合物制成，聚酰胺納濾膜通常由活性聚酰胺層、聚砜支撐層和無紡布層3層緊密組成，膜孔徑較小，且對污染物吸附迅速，而醋酸纖維納濾膜孔徑較大，且組成更為松散，更容易解吸，因此醋酸纖維納濾膜對新污染物的去除效果不如聚酰胺納濾膜。膜材料膜孔徑是衡量膜對新污染物去除效能的一個重要參數(shù)，通常以截留分子量（MWCO）來量化，其主要是通過影響孔徑篩分作用來影響新污染物的分離效率。膜對新污染物的去除率由于空間位阻引起的尺寸篩分效應(yīng)隨著MWCO的減小而增強(qiáng)。由于孔隙大小影響膜的排斥能力，使用某些添加劑來改變膜的孔隙結(jié)構(gòu)已成為提高膜分離性能的重要手段之一。膜孔徑膜表面親疏水性通過膜表面存在的含氧官能團(tuán)（如羧基、羥基等）影響膜和新污染物的相互作用來影響新污染物的分離過程。通常通過測定膜對水的接觸角來表征膜表面的親疏水性，接觸角越低，水-膜界面張力越小，膜表面親水性越強(qiáng)。根據(jù)疏水相互作用原理，對于大部分疏水性新污染物，通常難以吸附在親水性膜表面，而容易吸附在疏水性膜表面。膜表面親疏水性膜表面電荷會通過引起膜與污染物之間的相互靜電作用來影響對污染物的去除效果和膜污染過程，當(dāng)膜表面電荷與新污染物所帶電荷相同時，通?？梢酝ㄟ^靜電排斥作用，減少新污染物在膜表面的粘附和沉積，從而增強(qiáng)新污染物分離以及減緩膜污染。評估膜表面電荷的一個主要參數(shù)是膜表面的zeta電位。通過膜表面改性、接枝、采用富電荷單體等方式增強(qiáng)膜表面的電荷特性是強(qiáng)化膜對新污染物去除的有效手段之一。膜表面電荷膜表面粗糙度會影響新污染物與膜的接觸面積或接觸位點以及錯流過濾時膜表面的水力條件。隨著粗糙度增大，新污染物與膜表面的接觸面積增大，吸附效應(yīng)增強(qiáng)；然而，粗糙表面易導(dǎo)致存在水流剪應(yīng)力較小的“死區(qū)”，致使黏附或沉積在膜表面的污染物難以被沖刷掉，從而加重膜污染。近年來研究者們研制了多種具有表面微觀形貌的新型納濾膜和反滲透膜，這些規(guī)整的亞微米尺度以上的表面形貌對膜的透水性和截留能力影響不大，但能夠有效強(qiáng)化膜前的水力條件，從而有助于改善濃差極化現(xiàn)象并減少新污染物在膜表面的沉積和黏附。膜表面粗糙度4.4膜分離技術(shù)影響因素4.4.1膜特性部分商業(yè)納濾膜和自制納濾膜對新污染物的截留效果通過表面改性、接枝、摻雜等手段改變膜表面的親疏水性、活性官能團(tuán)種類及數(shù)量等，可強(qiáng)化膜（如NF、RO等）對新污染物的截留性能和抗污染能力，有助于提高膜的運(yùn)行穩(wěn)定性和成本效益，并延長膜的使用壽命。4.4膜分離技術(shù)影響因素4.4.2進(jìn)水水質(zhì)

不同新污染物的分子量大小、分子結(jié)構(gòu)、親疏水性、電離狀態(tài)等方面的性質(zhì)具有較大差異，膜分離的主導(dǎo)截留機(jī)制也會隨之有所差異，從而影響膜分離效能。例如，UF膜主要通過吸附、疏水相互作用以及通過靜電排斥去除疏水性新污染物，低溶解度、高logKow值、低偶極矩、負(fù)電性更強(qiáng)的新污染物，更容易被NF截留去除。新污染物特性溶液pH

改變水的離子強(qiáng)度可能會影響靜電相互作用，導(dǎo)致膜孔的收縮或膨脹，影響篩分效應(yīng)和靜電斥力，進(jìn)而影響膜對新污染物的分離效果。增加溶液的離子強(qiáng)度，可能導(dǎo)致膜孔收縮以及膜表面負(fù)電荷減少，對于以篩分效應(yīng)為主要截留機(jī)制的污染物而言，NF膜對其的截留率增加，而對于以靜電斥力作用為主要分離機(jī)制的新污染物而言，NF膜對其的截留率會有所下降。離子強(qiáng)度

pH的變化會引起NF膜表面電荷發(fā)生變化，并影響新污染物的解離度，從而改變膜與目標(biāo)物之間的靜電斥力作用，導(dǎo)致NF對目標(biāo)新污染物的截留效果發(fā)生變化。例如，使用NF膜過濾PFBS，在膜的等電點（pH=3）附近，NF膜對PFBS的截留率僅為83%，而當(dāng)pH增加到7和9時，NF膜對PFBS的截留率分別提高到96%和97%。在等電點附近，PFASs會發(fā)生解離，導(dǎo)致其與NF膜表面之間的靜電斥力降低，使PFASs更容易通過膜孔，造成PFASs的截留率降低。溶液pH

NOM與新污染物之間可能存在相互作用，進(jìn)而影響新污染物在膜分離過程中的遷移。在不同體系中，NOM對分離過程的影響有所差異，這取決于新污染物的物化特性、膜特性、操作條件等多重因素。在實際應(yīng)用中，NF膜容易受水體中有機(jī)物的污染，導(dǎo)致膜通量衰減，并影響濾膜的截留率。水中無機(jī)離子也會影響納濾膜對新污染物的截留性能。溶液中單價鹽（如NaCl）濃度的增加可能會導(dǎo)致中性分子截留率的降低和水通量的降低，這是由于鹽的存在導(dǎo)致膜的靜電作用減弱，膜孔孔壁的水化層變薄，進(jìn)而導(dǎo)致水和溶質(zhì)不容易透過膜。水中共存物質(zhì)4.4膜分離技術(shù)影響因素4.4.3操作條件

操作壓力對新污染物去除率的影響主要包括以下幾個方面：通常膜通量會隨著驅(qū)動壓力的增加而提升，因此隨著操作壓力的增大，膜產(chǎn)水量增加，出水中新污染物被稀釋，導(dǎo)致新污染物的表觀截留率增加；但當(dāng)壓力增大到一定值時，根據(jù)溶解擴(kuò)散模型，膜表面會產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象，導(dǎo)致膜對新污染物的截留率降低。在過濾過程中，由于高壓驅(qū)動導(dǎo)致膜表面形成的密實的污垢層，有助于增強(qiáng)膜對新污染物的篩分作用。此外，針對不同的濾膜和目標(biāo)污染物，膜對新污染物的截留效果隨壓力的變化規(guī)律具有較大差別，主要是由于水力條件差異、膜-污染物疏水相互作用大小不同等原因引起的。壓力溶液pH

進(jìn)水溫度會影響納濾膜的孔徑與水通量。通常而言，納濾膜對新污染物的截留率隨溫度的升高而降低。一方面，隨著溫度的升高，會促進(jìn)膜孔內(nèi)的分子熱運(yùn)動，促進(jìn)膜孔張開，提高膜的孔隙率和負(fù)電荷密度，使得納濾膜對中性和帶正電荷的新污染物的靜電排斥力和篩分作用減弱，導(dǎo)致對其的截留效果變差。另一方面，隨著水溫的上升，進(jìn)水的黏度下降，擴(kuò)散系數(shù)增加，有助于降低濃差極化污染，但溫度上升會使進(jìn)水中某些組分的溶解度上升，導(dǎo)致吸附污染增加。溫度

錯流過程中，一定的水力剪切作用會使膜截留的大顆粒從膜表面遷移出去，從而減輕膜污染，并對新污染物的去除效率產(chǎn)生一定的影響。此外，通常認(rèn)為錯流速率的增加會減少膜表面的濃差極化現(xiàn)象，濃差極化主要是膜表面局部溶質(zhì)濃度增加而引起的邊界層流體阻力增加（或局部滲透壓增加），導(dǎo)致傳質(zhì)推動力下降而引起通量降低，通過降低進(jìn)料液濃度或改善膜面附近進(jìn)料液側(cè)的流體力學(xué)條件（如提高流速、采用湍流促進(jìn)器、設(shè)計合理的流通結(jié)構(gòu)等方法），可以減輕濃差極化現(xiàn)象，使膜的分離特性得以部分恢復(fù)。此外，通過降低膜表面新污染物的濃度和化學(xué)勢，可實現(xiàn)新污染物表觀截留率的提升。錯流速率4.5膜分離技術(shù)優(yōu)缺點4.5.1優(yōu)勢1）藥耗低：膜分離技術(shù)主要是通過物理截留作用去除水中的新污染物，通常不依賴投加大量化學(xué)藥劑來去除新污染物，從根本上解決了常規(guī)水處理方法在凈水過程中的藥劑殘留及產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)副產(chǎn)物等問題，且可最大程度地保留水中對人體有益的營養(yǎng)元素，具有無藥、綠色的特點。2）操作條件溫和：膜分離通過通常是在常溫條件下進(jìn)行，操作條件溫和，不需要使用高溫或強(qiáng)酸堿等嚴(yán)苛條件，在去除溫敏性新污染物或易受外界環(huán)境變化影響的新污染物時具有突出的工藝優(yōu)勢。3）分離性能高、分離效果穩(wěn)定：膜分離機(jī)制主要是基于膜孔徑大小和膜材料特性對不同尺寸的新污染物進(jìn)行截留去除，且可通過不同膜工藝的組合與優(yōu)化，實現(xiàn)對各類新污染物的高效穩(wěn)定去除。4）選擇性好，適應(yīng)范圍廣：根據(jù)污染物的性質(zhì)（分子量、親疏水性等）和膜的特性（如膜材質(zhì)、孔徑、表面性質(zhì)等），可以選擇合適的膜對特定的目標(biāo)新污染物進(jìn)行截留去除，使得其在處理復(fù)雜水體時能夠?qū)崿F(xiàn)不同新污染物的分級分序梯度去除，提升了水處理效果，甚至可以實現(xiàn)對不同有機(jī)物的分類回收和資源化利用。5）操作簡便，便于模塊化設(shè)計和自動化運(yùn)行：膜分離系統(tǒng)的操作相對簡單，現(xiàn)代化的膜分離系統(tǒng)通常配備自動化控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測進(jìn)出水水質(zhì)情況，自動調(diào)整操作參數(shù)，可以實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行。膜分離設(shè)備通常設(shè)計成模塊化結(jié)構(gòu)，便于安裝和維護(hù)。6）便于水廠的升級和改造：針對新污染種類和性質(zhì)的差異以及不同的凈水需求，可以通過更換不同類型的膜（如超濾、納濾等）或不同性質(zhì)的膜（PVDF、PVC膜等）來完成水廠的水質(zhì)提標(biāo)改造，這種改造方法具有土建施工少、土地利用率高、操作簡單方便等優(yōu)點。4.5膜分離技術(shù)優(yōu)缺點4.5.2不足1）膜污染嚴(yán)重：膜在實際使用中容易受到污染，這是膜分離技術(shù)面臨的一個巨大難題。污染物會在膜面或膜孔內(nèi)吸附或者沉積，引起膜污染，且隨著過濾時間的增加會顯著影響膜的產(chǎn)水通量以及對新污染物的去除效果，增加膜濾系統(tǒng)的操作壓力和能耗。為了保持膜系統(tǒng)的產(chǎn)水能力，需要對其定期進(jìn)行清洗和維護(hù)，當(dāng)膜污染特別嚴(yán)重且無法通過清洗有效恢復(fù)膜通量時，甚至需要更換膜，這不僅增加了膜系統(tǒng)的運(yùn)行成本，同時也影響了膜系統(tǒng)長期運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。2）運(yùn)行能耗高：反滲透和納濾系統(tǒng)在運(yùn)行過程中是需要施加較高的操作壓力，這會導(dǎo)致較高的能耗，特別是在處理高濃度的新污染物或大流量污水時，能耗問題更加突出。因此，膜分離系統(tǒng)在應(yīng)用過程中需要考慮合適的節(jié)能措施，如反滲透系統(tǒng)中的能量回收裝置，如與熱泵技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)水中能源回收與利用等。3）初始投資高：膜分離技術(shù)的初始投資主要包括膜材料、膜模塊、泵和管道等設(shè)備的費(fèi)用，與常規(guī)水處理技術(shù)相比相對較高。此外，膜材料的選擇和系統(tǒng)配置也會影響整體投資成本，需綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)需求。4）膜壽命有限：膜材料在使用過程中會逐漸老化，導(dǎo)致膜的性能下降，最終需要更換。這意味著膜分離系統(tǒng)需要定期維護(hù)和更換膜組件。膜的維護(hù)和更換不僅增加了運(yùn)營成本，還會影響膜系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。5）處理能力有限：對于復(fù)雜水體環(huán)境（如含有多種不同類型的新污染物），單一的膜分離工藝的處理能力可能有限，需要與其他常規(guī)的水處理技術(shù)或者其他膜技術(shù)組合。4.6膜分離技術(shù)適用范圍低壓膜（MF和UF膜）低壓膜（MF和UF膜）由于孔徑較大，通常無法直接截留水體中新污染物。在實際應(yīng)用中，通常是以低壓膜為核心，與其他的預(yù)處理工藝（如混凝、氧化、吸附、生物預(yù)處理等）相結(jié)合，形成低壓膜濾組合工藝，以強(qiáng)化對水中新污染物的去除效能，在組合工藝中低壓膜主要起到絮體或吸附劑分離、微生物生長載體等輔助作用。因此，低壓膜組合工藝通常用于特定性質(zhì)新污染物的去除。高壓膜（NF、RO和FO膜）高壓膜（NF、RO和FO膜）主要是通過膜自身的截留作用實現(xiàn)對新污染物的去除。因此，在判斷高壓膜對某種新污染物的適用性時，通常主要關(guān)注目標(biāo)新污染物的性質(zhì)（如尺寸、電荷、親疏水性等）和膜的性質(zhì)（如截留分子量、荷電性、親疏水性等）。針對尺寸顯著大于膜孔徑的新污染物，高壓膜濾均具有良好的截留能力；而面向尺寸與膜孔徑相近（處于同一數(shù)量級）的新污染物，則需多關(guān)注目標(biāo)污染物所帶電荷。膜蒸餾（MD膜）膜蒸餾（MD）技術(shù)對新污染物的分離主要是依靠疏水排斥作用，因此常用于處理非揮發(fā)性親水型新污染物，而揮發(fā)性新污染物則會在水蒸發(fā)過程中揮發(fā)，以氣態(tài)形式穿過疏水膜表面進(jìn)入膜蒸餾出水中，導(dǎo)致MD對其的截留效果變差。4.7膜分離技術(shù)案例分析與低碳發(fā)展策略4.7.1案例分析1.麥地那西多尼亞污水處理廠

麥地那西多尼亞污水處理廠再生水處理（中試）流程圖（1）水廠概況麥地那西多尼亞污水處理廠設(shè)有水處理線和污泥處理線。水處理管線包括一級處理（如粗細(xì)格柵、除砂除油系統(tǒng)等）和二級處理（曝氣生物反應(yīng)器和二沉池），部分廢水通過反滲透進(jìn)行了三級處理。反滲透系統(tǒng)配備了相關(guān)的設(shè)備、儀表和儀器，用于自動監(jiān)測主要工藝參數(shù)和水質(zhì)參數(shù)。它配有含熱交換器的進(jìn)水槽，熱交換器連接到外部低溫恒溫器，從而可以控制給水的溫度。膜外殼由不銹鋼制成，內(nèi)部包含采用螺旋配置分布的反滲透膜（2540英寸）。反滲透膜由陶氏FILMTEC公司提供，型號為BW30-2540，工作壓力為15bar。同時采用具有三通閥的管道系統(tǒng)對三條管線（進(jìn)水、廢水和滲透）進(jìn)行定期取樣。（2）水質(zhì)分析RO系統(tǒng)運(yùn)行2h后，出水的咖啡因濃度降低至0.557mg/L，運(yùn)行24小時后，降至0.177mg/L，可可堿濃度從0.534mg/L（2h）降至0.104mg/L（24h）。裝置運(yùn)行72h后，出水中沒有檢測到新污染物，所有目標(biāo)新污染物近乎100%去除，使用反滲透時廢水中咖啡因的去除率超過99%。使用BW30-2540反滲透膜處理污水處理廠出水，可有效去除水中的咖啡因、可可堿、茶堿、阿莫西林和青霉素G等新污染物，是一種有效的三級處理方法。該方法在穩(wěn)定運(yùn)行72h后實現(xiàn)了新污染物100%去除，表明RO膜在去除新污染物方面具有顯著的工藝優(yōu)勢。4.7膜分離技術(shù)案例分析與低碳發(fā)展策略2.上海市某水廠上海市某水廠工藝流程圖（1）水廠概況該廠原設(shè)計規(guī)模7萬m3/d，占地57畝，膜工藝也以青草沙水庫為原水，經(jīng)混凝沉淀后，再分別經(jīng)膜1（A）、膜2（B）、膜3（C）、膜4（D）處理，ABCD屬于并聯(lián)關(guān)系，消毒后出水供給用戶。其中，A、B、C采用PVC超濾膜材質(zhì)，膜池運(yùn)行周期如下：運(yùn)行工作78分鐘，降低液位，由原先工作液位3.1m降低至2.8m，曝氣氣洗90s，接著利用膜產(chǎn)水進(jìn)行氣水反洗90s，同時液位升至3.3m，排出污水，液位重新降至2.8m，之后進(jìn)水，液位恢復(fù)至工作運(yùn)行液位3.1mM，超濾膜重新進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，反洗整個過程耗時10min，一個完整的過濾周期為88min。D采用PVDF超濾膜材質(zhì)，膜池運(yùn)行周期如下：運(yùn)行工作40min，曝氣90s，之后恢復(fù)正常運(yùn)行；再運(yùn)行40min后，利用膜產(chǎn)水進(jìn)行氣水反洗90s，同時液位升至3.3s，排出污水，液位降至2.8m，再進(jìn)水，液位恢復(fù)至工作液位3.1m，超濾膜重新進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，整個反洗過程耗時5min，一個完整的工作周期為85min。4.7膜分離技術(shù)案例分析與低碳發(fā)展策略2.上海市某水廠（2）水質(zhì)分析將膜工藝出水中新污染物的分子量分為>10kDa、1k~10kDa和<1kDa三種范圍。其中，原水中沒有監(jiān)測到分子量>10kDa的有機(jī)物，同樣其它膜工藝段也沒監(jiān)測出分子量>10kDa的新污染物；A工藝段后出水中分子量<1kDa的有機(jī)物含量增加到4%，B工藝段出水中分子量<1kDa的有機(jī)物比例減少為2%，C工藝段出水中分子量<1kDa的有機(jī)物上升到6%，分子量<1kDa的有機(jī)物經(jīng)過膜工藝處理后下降了74%，表示膜工藝對分子量<1kDa的新污染物控制效果較好。分子量1k~10kDa的新污染物的濃度經(jīng)混凝沉淀處理后下降為59%，C工藝段出水中分子量1k~10kDa新污染物的含量為67%，說明C對分子量1k~10kDa的新污染物控制效果較差；但是ABD工藝段對分子量1k~10kDa的新污染物有一定的控制效果，消毒后出水中分子量1k~10kDa的新污染物含量只有56%，相比于原水下降了32%。在各工藝段出水中檢測到正十一烷、正十六酸和十八碳二烯酸，2，4-二叔丁基-苯酚和鄰苯二甲酸二異丁酯。其中，經(jīng)過混凝、沉淀處理后，出水中新污染物種類大幅度減少，但酯類較多；膜A、膜B和膜C工藝段處理后，出水新污染物種類中也是酯類較多；膜D工藝段處理后，出水新污染物種類中羧酸類和烷烴類增多。4.7膜分離技術(shù)案例分析與低碳發(fā)展策略3.杭州市宏畔自來水廠中試研究（1）水廠概況位于杭州市塘棲鎮(zhèn)三星村的杭州市宏畔自來水廠占地面積96畝，于2006年建成投產(chǎn)，產(chǎn)水能力13萬t/d，主要負(fù)責(zé)臨平、塘棲和崇賢區(qū)域的日常供水。水廠原水為錢塘江水系的東苕溪水，由獐山水廠負(fù)責(zé)取水并通過原水管網(wǎng)輸送至廠區(qū)，目前水廠產(chǎn)水工藝流程如下圖所示。中試期間水溫變化范圍為7~25℃。在磺胺二甲基