膜技术在工业废水回用中的应用
1 前言
中国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6％，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2200立方米，仅为世界平均水平的1／4、美国的1／5，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水资源后，中国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为11000亿立方米左右，人均可利用水资源量约为900立方米，并且其分布极不均衡。据水利部2009年统计资料，全国669座城市中有400座供水不足，110座严重缺水；在32个百万人口以上的特大城市中，有30个长期受缺水困扰。在46个重点城市中，45.6%水质较差，14个沿海开放城市中有9个严重缺水。北京、天津、青岛、大连等城市缺水最为严重。.全国城市缺水年总量呈逐年递增趋势，2009年高达400亿立方米。
根据水利部统计，2008年全国总用水量5910亿m3，其中生活用水占12.3%，工业用水占23.7%。在水资源日益紧张的今天，工业废水的再生和回用对于缓解缺水问题的意义日益突出。据专家测算，如果以供水量为基准值100%计算，采用节水与水再生利用方式可使用工业用水减少50-95%。
工业废水的再生和回用在美国应用较早，特别是在加利福尼亚州和佛罗里达州等缺水地区。事实上，美国为了缓解西部加州等地区的缺水问题，于60年代冷战最激烈的时期，耗费了大量财力物力启动了改工程。工程于1973年完工，输水距离长达900公里，高程1151米，年调水量52亿立方米。工程竣工后缓解了加州的用水问题，并在一定程度上促进了加州各产业的飞速增长。然而，其输水成本也是巨大的，仅电耗就相当于缅因州一年的总用电量。且由此引发了一系列环境问题。为此，加州最早于美国启动了水回用方案，对工业废水和生活污水进行循环使用。截止2008年，洛杉矶地区对“调水”的依赖以从70年代的82%下降到65%。
在我国，工业水的循环使用在政策层面得到了高度重视。国家通过五年规划和水资源规划对工业用水逐年限制，以鼓励回用和循环。在工业废水回用领域中，超滤/微滤与反渗透/纳滤的集成技术以其高效除浊和除盐能力的有机结合，以其占地面积小、对环境污染少、自动化程度高、适用范围广的优势，以其规模化生产带来的成本的不断下降，以其可靠的应用技术和经验在欧美发达国家上得到了普遍应用并正逐渐在国内得以推广应用。
2 工业废水回用的主要领域
工业中主要的水消耗来源于如下几个领域：
冷却水
锅炉补给水
生产工艺用水和冲洗水
上述不同用途的工业用水的消耗量和产生的废水特点如下：
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其中，冷却水所占的工业用水比例最大。据粗略统计，约三分之二的工业用水为冷却水，在电力行业和炼油行业中，冷却水的比例高达90%。冷却废水通常温度较高，排入水体会对水生动植物产生不利影响，但处理相对简单，经处理可以循环使用。锅炉补给水广泛使用在制造业用以产生蒸汽，废水处理流程简单，可以循环使用。生产工艺用水的水质要求和产生的废水的特点和工艺密切相关，相对于冷却水和锅炉补给水，该部分水量通常较小，然而，废水的污染程度则要高许多。对于化学、食品和纺织印染行业，生产用水的水质要求较高，而产生废水的污染程度极高，难以处理并回用做生产用水，但可以考虑用于冲洗或杂用；对于电子和半导体行业，油田开采生产用水（回注水），可经过深度处理回用于生产流程。
3 膜分离技术
3．1超滤和微滤技术
超滤和微滤用于去除细微颗粒物。超滤膜对水中的颗粒物的去除率，跟超滤膜分离层本身的孔径有关。通常超滤膜的分离精度在5~50nm，即0.005~0.05µm；而微滤膜的分离精度通常为0.1μm以上。
超滤和微滤采用表面过滤机理，象一个细筛。膜表面的孔径大小一致，流道均匀。比膜表面孔径大的颗粒物被截住，留在膜的给水/浓水侧。小颗粒随着液体透过膜。这种选择性透过功能使得超滤膜非常适用于那些对过滤水质有严格要求的场合。如果膜表面完整性良好，去除效果可以得到保证。除此之外，超滤技术比传统过滤还有结构紧凑（节省占地33%）、自动化程度高（可实际无人值守）、化学药品用量少（节省投资、废液排放少）等优点。
上个世纪70年代用于水处理的超滤膜以聚砜材料为主。90年代随着应用领域的不断拓宽，对超（微）滤膜的机械强度、抗污染能力、化学稳定性、渗透性能和清洗恢复性等方面要求也提高，促成了超微滤膜技术的发展和多样性。目前，超（微）滤膜材料主要为聚醚砜（PES）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚砜（PS）、PAN（聚丙烯腈）、聚氯乙烯（PVC）等；膜结构形式有中空丝、管式、卷式和平板等几种；膜组件的形式分为加压（外置式）和负压（浸没式或内置式）两大类。
通常地，截留分子量为15万道尔顿的超滤膜，分离孔径约为25nm，可有效去除微小颗粒、胶体、细菌和病毒等。此类超滤膜对>1μm的颗粒物的去除率为106，比传统过滤器的过滤效果好，产水浊度一直稳定在0.1NTU以下，不随进水浊度变化而变化。微滤和超滤可应用于生产流程中冲洗水回用及油田回注水。
3．2 膜生物反应器（MBR）工艺
膜生物反应器（membrane bioreactor，MBR）是近来发展较迅速的一种污水治理工艺，MBR是一种把传统活性污泥法和膜截留技术结合起来的工艺。由于它以膜分离（主要为超滤膜）代替常规活性污泥中以重力进行沉降分离的二沉池，就大大提高了系统固液分离的能力，从而使系统出水水质和容积负荷都得到大幅度提高，出水浊度大大优于传统二沉池；另一方面，生物池中的污泥浓度可比传统高2-3倍，使降解污水的生物反应更为彻底，特别对于传统活性污泥难以降解的物质。作为一种新型的水处理技术，由于具有占地少、能耗低等优点。近几年来，国际上的膜生物反应器的应用发展迅速，特别是在高浓度有机废水处理和回用等领域。
3．3反渗透和纳滤技术
超滤膜去除悬浮物效果很好，但对于水中的有机物脱除率不足20%。反渗透对无机盐份、有机物、菌类的脱除率均很高，出水水质已接近纯水标准。膜的选择透过性与组分在膜中的溶解、吸附和扩散有关。一般来说，反渗透分离过程中化学因素（膜及其表面特性）起主导作用。在水处理应用中，反渗透膜和纳滤膜的结构形式以卷式和中空纤维式为主。反渗透膜对进水的浊度要求/div>
3．3双膜法组合技术
所谓双膜法即是超滤和反渗透的组合工艺。超滤（或MBR）作为反渗透的预处理，反渗透对超滤不能去除的有机物和盐类进行深度去除，出水水质非常高，可用于冷却水和锅炉补给水。
4 膜分离技术在国内工业废水回用的应用实例
燕山石化公司工业废水回用于锅炉补给水项目
工业废水经传统二级处理后采用超滤和反渗透组合工艺处理并回用于锅炉补给水。项目规模： 30000吨/日。
邯郸钢铁厂冷轧车间废水回用项目
采用超滤和反渗透组合工艺，废水回用后作为工艺用水。项目规模：I期：30000吨/日；II期：20000吨/日。
内蒙古金桥电厂废水回用项目
采用MBR工艺处理金桥电厂高浓度氨氮废水，作为电厂冷却塔补给水弱酸树脂进水的预处理。项目规模：30000吨/日。
另外，膜技术在油田回注水、制药废水、垃圾渗沥液等高难度废水处理和回用中也取得的实质性进展。
5 存在的问题和展望
随着国家对工业企业用水量的限制日益加强，膜技术在我国工业废水回用中的应用有着广阔的前景。然而，就膜技术本身而言以及在回用中的推广而言，还存在着诸多技术性问题有待解决。具体总结如下：
膜装备的国产化还非常薄弱
近年来，膜技术在我国的应用突飞猛进，欧美和日本都非常看好这块新兴市场，根据日本某著名膜制造商的预测，中国将在2012年前后成为世界上最大的膜使用国。
然而，膜装备的国产化相对于其应用却远远滞后，目前膜市场基本上还是进口膜为主导。虽然近十年不断有国产膜制造商涌现，虽然占据着充分的价格优势，但在膜装备的研发、膜使用寿命和抗污染性能等方面，还和进口膜存在着较大差距，因此，市场的竞争力尚不及美、日和欧洲产品。
膜技术的标准化有待深入
制约膜技术进一步发展的主要原因即是膜的标准化问题尚未解决。如前文所述，膜的材质、型式各不相同，截留效率、使用寿命、抗污染性能和运行参数也不尽相同。即使欧美等发达国家，至今尚未制定出关于膜的生产和使用标准。许多项目在启动之前需要进行小试乃至中试进行比选以确定供货商和设计参数，其过程相对于其他技术比较缓慢，这一点严重影响的膜技术的全面推广。为此，欧盟于2008年耗资数千万欧元启动了膜的标准化的研究课题，至今该课题还在继续。
膜技术的专业化应用有待加强
作为一种装置自身及应用技术含量都较高的水处理技术，膜技术的应用的另一个障碍即是用户由于自身的经验问题常常导致运行故障或影响膜的使用寿命，从而降低了用户对膜技术的认可。为此，对于膜技术的推广，特别是在技术含量更高的工业废水处理和回用方面的推广，可能以专业化制造、工程及运营的方式更为稳妥（DBO，BOT），借助专业化公司的运行经验，以提高膜的使用效率和效果。如燕山石化3万吨炼油废水回用项目，目前由国际知名公司威立雅运行，效果良好，即为一个较好的案例。目前国内诸多专业化水务公司也在积极进入膜技术领域（如中环水务等），相信今后会有更多的专业化工程和运营项目。
膜技术在欧美日等发达国家一直被视为21世纪主要的水处理技术。各国对于膜技术的应用都非常重视。如欧盟，曾在2003年左右，鉴于当时膜市场主要被美国和日本厂家占据，为此欧盟将膜技术列为高新技术并组织成员国共同努力开发相应的技术和装置。鉴于膜技术在水处理领域特别是水资源再生利用方面的重要性和我国水资源短缺的事实，建议国家从发展高度重视该技术的国产化、标准化和专业化应用。我们作为国内有影响力的水务公司，将密切配合，从自身做起，为推动膜技术的普及贡献力量。
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