当今社会，水资源的保护与合理利用已经成为全球关注的焦点。水是生命之源，涉及方方面面，如居民饮水安全、工业生产、农业灌溉和生态平衡等。然而，全球人口不断增长，工业化迅猛发展，加上气候变化等因素的影响，水资源短缺和水体污染日益严重。在解决水资源问题和改善水质的过程中，膜技术作为一种高效、可持续的水处理技术，引起广泛的关注和研究。膜技术基于半透膜的分离原理，能够有效去除水中的悬浮物、颗粒物、有机物和重金属离子等污染物，从而提供一种可靠的水处理手段。
1 膜分离技术发展现状
1.1 膜分类
膜是一种由特定材料制成的半透膜，具有微孔结构，可以实现物质的选择性传输。这些微孔允许某些分子或离子通过，而阻止其他分子或离子通过，从而实现分离、浓缩、过滤和纯化等功能。根据孔径大小、分离机制和材料特性等，膜主要分为4 类。
一是微滤膜。微滤膜的孔径一般在0.1 ～10.0 μm，可以过滤颗粒物、悬浮物、细菌和一些胶体物质，常用于乳清处理和饮用水预处理等。二是超滤膜。超滤膜的孔径通常在0.001 ～0.100μm，可以有效去除溶解性高分子有机物、大部分胶体物质、细菌和病毒等，广泛应用于饮用水净化、工业废水处理和生物制药等领域。三是反渗透膜。反渗透膜的孔径在0.0001 ～0.0010 μm，可以高效去除溶解性离子、大部分有机物、细菌和病毒等，用于海水淡化、饮用水净化和工业废水处理等。四是电渗析膜。电渗析膜是一种通过电场效应实现离子选择性传输的膜，广泛应用于离子交换和溶解盐的去除。膜的选择取决于特定应用的需求和水处理的目标。不同类型的膜在水处理中发挥独特的作用，有效地提高水资源利用效率和水质净化水平。
1.2 膜原理
膜技术是一种基于膜的分离技术，利用膜的半透性实现物质的选择性传输和分离。膜原理是根据溶质的大小、形状、电荷以及溶剂与膜的相互作用，溶质在膜上发生不同方式的传输，从而实现分离和纯化。膜原理主要有4 种。一是微滤。微滤使用微滤膜，其孔径相对较大，可截留大部分细菌、悬浮物和泥沙等，但允许水和较小颗粒通过。微滤膜广泛应用于饮用水预处理，以去除大颗粒悬浮物和细菌，保护后续膜工艺不受污染。二是超滤。超滤是利用半透膜的微孔结构，以一定的外界压强（0.1 ～0.5 MPa）为推动力，实现对物质的选择性分离与回收。在污水处理中，超滤主要用于大分子污染物和胶体污染物的分离与回收。三是反渗透。在反渗透过程中，对水或其他溶液施加高压，使其反渗透穿过孔径极小的半透膜。膜的孔径大小只允许水分子通过，而盐、重金属和有机物等粒径较大的溶质则被阻隔在膜的一侧。这样可以从海水或污水中去除盐分和污染物，实现海水淡化和废水处理。四是电渗析。电渗析使用特殊的电渗析膜，利用电场效应实现对离子的选择性传输。在电渗析过程中，正负两极的电场会促使离子在膜上的传输，使得离子选择性地从一个腔室转移到另一个腔室，实现离子的分离和去除。
1.3 膜材料
根据化学性质和用途不同，常见的膜材料如表1所示。除了常见的膜材料外，新型膜材料正在不断被研发和应用，如聚酰亚胺、聚合氨酯和氧化铝等。
2 膜技术在水处理中的应用
2.1 微滤在水处理中的应用
微滤在水处理中具有广泛的应用。微滤膜孔径通常在0.1 ～10.0 μm，能有效截留悬浮物、细菌和泥沙等较大颗粒。微滤常用于饮用水的预处理，以去除原水中的大颗粒悬浮物和细菌，保护后续膜工艺不受污染。
2.2 超滤在水处理中的应用
超滤膜孔径在0.001 ～0.100 μm，广泛应用于水中胶体颗粒和细菌的分离。超滤膜的孔径大于反渗透膜，但小于微滤膜，使其能够有效去除高分子有机物、胶体、细菌和部分病毒等。在水处理中，超滤常用于饮用水净化、废水处理和工业液体分离等。
2.3 反渗透在水处理中的应用
在海水淡化中，反渗透发挥至关重要的作用。海水淡化是一项关键的水资源开发技术，用于将海水转化为可供人类和工业使用的淡水。反渗透膜是一种孔径极小的膜，其孔径在0.0001 ～0.0010 μm，只允许水分子通过，而阻隔盐分和其他污染物。在海水淡化过程中，将高压施加到海水一侧，促使水反渗透穿过反渗透膜，从而分离出淡水。这种方法可以高效去除海水中的盐分和污染物，生产出高质量的淡水。
在饮用水处理中，反渗透是一种有效的水质提升技术。反渗透膜通过高压处理，截留自来水或其他原水中的溶解性离子、微生物、有机物和重金属等污染物，从而生产出安全的饮用水。反渗透能够有效去除潜在的有害物质，如氯、铅和汞等，使得水质达到饮用水标准。其优势在于高效节能，无须使用化学添加剂，设备占用的空间较小。因此，反渗透在城市饮用水处理厂、瓶装水厂和家用净水设备中广泛应用。
2.4 电渗析在水处理中的应用
电渗析是一种基于电化学原理的分离技术，通过在2个极板间施加电场，促使带电离子在膜上的选择性传输，实现离子的分离和去除。在工业废水处理中，电渗析被广泛应用于去除离子污染物。废水通过离子交换膜，正负两极的电场驱动离子在膜上的迁移，使得目标离子从废水中转移到对应的腔室，从而实现离子的分离和富集。
3 膜生物反应器的比选
膜生物反应器可以显著提高可降解有机物和总氮的去除率，因为其内部含有大量的微生物，如硝化细菌。由于污泥熟化期长，这些细菌生长速度较慢。膜生物反应器由两部分组成，即膜组件和生物反应器。根据膜组件和生物反应器的组合方式，膜生物反应器可分为2种类型，即管式膜生物反应器和外置式膜生物反应器。
3.1 管式膜生物反应器
在管式膜生物反应器中，混合的氢氧化钠溶液由循环泵加压，然后进入膜组件，通过加压膜成为系统的处理水，而固体和大分子则被截留在膜中，与浓缩的氢氧化钠溶液一起流回生物反应器。其特点是便于清洗和更换膜，膜通量高。必须使用循环泵向膜表面提供高流速，以减少污染物在膜表面的沉积，延长膜的清洗周期。通常，水流保持高循环速率，膜表面流速为3.5 ～5.0 m/s，能耗偏高，而且泵的高速运转产生剪切力，导致某些微生物失去活性。
3.2 外置式膜生物反应器
外置式膜生物反应器是一种将膜组件直接浸入活性污泥混合物的装置。原水进入生物反应器后，大部分污染物被混合物中的活性污泥分解，经过处理的水通过负压泵或压差泵流过膜表面。膜组件下方是一个曝气系统，为微生物分解有机物提供必要的氧气，同时刺激混合物在膜表面形成上升流。外置式膜生物反应器采用曝气振荡和清洗方式，不需要大流量循环和清洗，能耗低，运行投资成本低，出水水量和水质稳定，反应器对各种进水负荷（水质和水量）变化、冲击负荷的适应性强，可实现稳定的高品质出水。
3.3 技术比较
管式膜生物反应器与外置式膜生物反应器的技术比较如表2 所示。根据运行方式，外置式膜生物反应器电耗约是管式膜生物反应器的20%。
4 总结
总体而言，膜分离技术在水处理中的应用为解决水资源短缺和水质污染问题提供有效方案。微滤和超滤在悬浮物去除和胶体颗粒、细菌的分离方面发挥重要作用，保障后续处理的顺利进行。反渗透在海水淡化和饮用水净化中成为可靠的手段，为人们提供高质量的饮用水。电渗析则广泛应用于工业废水处理，高效去除盐分和重金属等污染物。这些膜技术不仅可以提高用水效率，还能改善水质，对环境保护和可持续发展产生积极影响。作为一种新型水处理技术，膜生物反应器可对污水进行深度净化，为深度除磷脱氮提供可能。经技术比较，外置式膜生物反应器电耗约为管式膜生物反应器的20%，可以实现节能运行。
