中图分类号：X703.1
1. 引言
化工废水处理的紧迫性与重要性：化工废水因其成分复杂、水量大、COD和BOD含量高以及pH不稳定等特点，对环境和人体健康造成了严重威胁。这类废水若未经有效处理直接排放，会导致水体污染，进而影响土壤质量及生态系统平衡[1]。例如，石油化工废水中高含量的油类和硫化物会显著降低水体溶解氧浓度，破坏水生生物的生存环境；而医药行业废水中含有的苯酚、氰化物等生物毒性物质，则可能通过食物链累积，对人类健康造成长期危害[5]。因此，如何高效处理化工废水已成为当前环境保护领域亟待解决的重要课题。
膜分离技术在化工废水处理中的应用前景：膜分离技术作为一种新型分离工艺，因其高效、无二次污染及自动化操作便捷等优势，在化工废水处理领域展现出广阔的应用前景。该技术通过多孔膜的选择性渗透性实现对废水中污染物的有效分离，已在饮用水净化和工业废水零排放处理中取得显著成效[2]。特别是在煤化工废水处理中，膜分离技术凭借其出水效果好、处理效率高的特点，成为关键工艺之一[3]。然而，膜分离技术在实际应用中仍面临易污染、材料昂贵等问题，这些问题限制了其在更广泛场景中的推广。未来，随着新型膜材料的研发和多技术耦合策略的实施，膜分离技术有望进一步提升其在化工废水处理中的适用性与经济性。
2. 膜分离技术原理与分类
2.1 膜分离技术原理
膜分离技术的核心在于利用膜的选择性渗透性实现对混合物的分离。工作时，待分离的混合物被引入膜模块的供料侧，在压力差或浓度差的驱动下，膜界面仅允许部分组分穿过，而阻止其他组分通过，从而达到分离目的[3]。过程中，膜面的微孔或晶间空隙起着筛选作用，其大小决定了能够透过的组分种类。同时，压力差驱动分离过程，压力越大，通过膜的通量也越大。此外，操作温度、pH值以及组分性质也会影响分离效果。相比传统分离技术，该技术以其较低的能量消耗、更高的效率、更好的选择性和自动化操作等特点，显示出广阔的应用前景[6]。总之，膜分离技术依靠膜的选择渗透性原理实现高效、节能的分离，是一种清洁的新型分离工艺。
2.2 膜分离技术分类
常见的膜分离技术包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO），每种技术均具有独特的分离机理与应用场景。微滤技术采用对称或不对称的膜结构，以有机聚合膜和无机陶瓷膜为膜材料，在低于0.2MPa压力的条件下分离细小颗粒，其分离机理为：被过滤的污水以静压的状态通过MF膜，有效筛除污水中的污染物[4]。超滤技术则采用不对称的膜结构，以有机膜、无机膜为膜材料，主要用于去除胶体物质和悬浮物。纳滤和反渗透技术利用压力差作为驱动力，能够有效拦截离子和小分子有机物，其中反渗透膜孔径小于1纳米，对于含盐和有机物的工业废水处理效果显著[6]。这些技术因其高效、无二次污染等优势，被广泛应用于各行业废水的深度处理和回用。
3. 膜分离技术在化工废水处理中的工艺参数
3.1 膜材质的选择
膜材质的选择是影响膜分离技术处理效果的关键因素之一。聚合物膜和无机膜作为两种主要类型，在化工废水处理中展现出不同的性能特点。聚合物膜因其良好的耐腐蚀性和耐高温性而被广泛应用，例如聚氯乙烯膜（PVC膜）在操作条件上表现出色，其适用pH范围为2~13，温度范围为5~40°C[2]。然而，实际运行中，PVC膜对复杂废水的处理效果并不突出，尤其是在处理含有高浓度有机物或重金属离子的废水时，其分离效率受到限制。相比之下，无机膜具有更高的机械强度和化学稳定性，但成本较高且易碎，这在一定程度上限制了其大规模应用[13]。因此，针对不同化工废水的成分特性，选择合适的膜材质至关重要。例如，对于含有高浓度酚类化合物的煤化工废水，聚合物膜可能更具优势，而对于含有大量重金属离子的电镀废水，则需优先考虑无机膜的使用。
3.2 操作压力参数
操作压力是影响膜通量和分离效率的重要工艺参数。研究表明，膜通量与操作压力之间存在正相关关系，即随着压力的增加，膜通量也随之增大[3]。然而，过高的操作压力会导致膜污染加剧，从而降低分离效率并缩短膜的使用寿命。例如，在采用微滤/超滤+反渗透双膜过滤技术处理焦化废水时，王勇军等通过正交实验发现，当操作压力控制在0.83 MPa时，COD去除率可达95%以上，且可溶性无机盐去除率高达97%[12]。此外，压力变化还会影响膜的选择性渗透性，进而改变分离效果。因此，确定最佳操作压力需要综合考虑废水成分、膜材质及处理目标等因素。通常情况下，可通过实验优化方法，如响应面法或均匀设计法，来快速寻优最佳操作压力参数。
3.3 温度参数
温度对膜性能及化工废水处理效果具有显著影响。一方面，温度升高可增强膜的通透性，从而提高膜通量；另一方面，过高的温度可能导致膜材料的稳定性下降，甚至引发膜的老化现象[3]。例如，在处理农药废水时，周梓杨等的研究表明，将进水温度控制在40°C左右时，MF+RO双膜组合工艺的无机盐去除率最高，同时膜污染程度也相对较低[12]。此外，温度变化还会影响废水中污染物的溶解度和扩散系数，进而间接影响分离效果。因此，确定适宜的温度范围对于提高处理效率至关重要。在实际应用中，应根据废水的具体成分及处理要求，结合膜材料的耐受温度范围，合理调控操作温度。例如，对于含有高浓度有机物的废水，可适当提高温度以增强膜的通透性；而对于含有热敏性物质的废水，则需严格控制温度以避免污染物分解或降解[15]。
4. 基于实际案例的工艺参数分析
4.1 案例介绍
本研究选取了上海市某化工园区的废水处理案例作为研究对象。该园区排放的化工废水主要来源于化学制品生产过程中的洗涤、冷却及反应工序，其水质特征表现为高化学需氧量（COD）、总氮（TN）和总磷（TP）含量，具体水质参数详见参考文献[8]。试验用水经过初步处理后，仍含有较高浓度的有机污染物和无机盐，无法满足回用或排放标准。因此，该案例的处理目标是通过膜分离技术深度处理中水，实现COD、TN和TP的高效去除，同时达到工业废水“零排放”的要求[10]。此外，该案例还关注处理工艺的经济性和可持续性，以期为类似化工废水处理项目提供技术参考。
4.2 不同工艺参数组合的处理效果
在本研究中，通过对比电化学-微滤-反渗透组合工艺与超滤-两级反渗透组合工艺的处理效果，分析了不同工艺参数组合对化工废水处理性能的影响。实验结果显示，当采用电化学-陶瓷微滤膜（孔径0.1 μm）与反渗透膜结合时，COD去除率接近100%，与超滤-两级反渗透组合工艺相当[8]。进一步研究发现，操作压力的优化对膜通量和分离效率具有显著影响。例如，在反渗透系统中，将操作压力控制在0.8 MPa时，可实现较高的COD和无机盐去除率，同时保持膜系统的稳定运行[12]。此外，温度参数的变化也对处理效果产生重要作用。研究表明，当水温控制在40°C左右时，膜的通透性和分离效率均达到最佳状态，从而提升了整体处理性能[12]。通过三维荧光激发发射光谱图（EEM）分析，发现该工艺对腐殖质类和蛋白质类有机物的去除效果尤为显著，进一步验证了工艺参数优化的重要性[10]。
5. 工艺参数优化面临的难题与解决策略
5.1 工艺参数优化难题
在膜分离技术应用于化工废水处理的过程中，工艺参数的优化面临诸多难题。首先，各工艺参数之间存在复杂的相互制约关系。例如，提高操作压力能够显著增加膜通量，从而提升分离效率，但这一过程往往伴随着膜污染风险的加剧[2]。膜污染不仅会降低膜的使用寿命，还会导致处理成本大幅上升。此外，温度参数的变化同样对膜性能产生多方面影响。高温虽然可能增强膜的通透性，但过高的温度可能导致膜材料的结构破坏或稳定性下降，进而影响分离效果[5]。其次，在追求高效处理效果的同时，如何平衡处理成本也是一大挑战。例如，选择高性能膜材料可以提高分离效率，但其高昂的成本可能限制其在实际工程中的广泛应用。因此，在实际操作中，需要在处理效果与成本之间找到一个动态平衡点，这对工艺参数的优化提出了更高的要求。
5.2 解决策略
针对上述工艺参数优化中的难题，可以从以下几个方面提出解决策略。第一，研发新型抗污染膜材料是关键。通过改进膜材料的表面性质和结构，可以有效降低膜污染的发生概率。例如，采用具有亲水性和低表面能特性的膜材料，可以减少污染物在膜表面的吸附[11]。此外，开发智能膜材料，使其能够根据废水成分的变化自动调整分离性能，也是未来的重要研究方向。第二，优化参数调控方法也是解决难题的有效途径。通过建立精确的数学模型，模拟不同工艺参数组合下的处理效果，可以为实际操作提供科学依据。同时，结合在线监测技术，实时调整操作压力和温度等参数，以实现处理效果的最大化和成本的最小化[13]。最后，加强膜分离技术与其他废水处理技术的耦合应用，也有助于缓解单一技术面临的参数优化难题。例如，将膜分离技术与化学氧化或生物处理技术相结合，可以在一定程度上降低膜污染的风险，同时提高整体处理效率。
6. 膜分离技术工艺参数的研究方向与发展趋势
6.1 新型膜材料的研发对工艺参数的影响
随着膜分离技术在化工废水处理中的广泛应用，新型膜材料的研发成为优化工艺参数的关键方向之一。智能膜和高性能复合膜等新型材料因其独特的物理化学性质而备受关注。智能膜能够根据环境变化（如pH值、温度或污染物浓度）自动调节其通透性，从而显著提高分离效率并降低能耗[11]。例如，某些智能膜在特定条件下可实现选择性透过，减少了对高浓度污染物废水的预处理需求，进而简化了操作流程。此外，高性能复合膜通过结合多种材料的优势，不仅提升了膜的机械强度和耐腐蚀性，还增强了其抗污染能力。这种特性使得膜在高压条件下仍能保持较高的通量，从而改变了传统工艺中操作压力的设定范围[14]。因此，新型膜材料的研发不仅拓展了现有工艺参数的适用范围，还为化工废水处理提供了更为经济高效的解决方案。
6.2 多技术耦合下的工艺参数优化
膜分离技术与其他废水处理技术的耦合已成为提升处理效果的重要趋势。化学氧化、生物处理等技术与膜分离技术的结合，能够在多个层面上优化工艺参数。例如，在电化学-膜分离组合工艺中，电化学反应通过降解有机物和去除重金属离子，显著改善了进水水质，从而减轻了膜污染的压力[2]。这种耦合方式使得膜分离系统能够在较低的操作压力下运行，同时提高了膜通量和分离效率。此外，生物处理技术与膜分离技术的结合，如膜生物反应器（MBR），通过微生物降解有机物，进一步降低了废水中的COD和TN含量，从而减少了膜清洗频率和维护成本[8]。在多技术耦合的背景下，工艺参数的优化方向逐渐从单一技术转向整体系统的协同作用。未来的研究应重点关注如何在不同技术之间实现参数的最优匹配，以最大限度地发挥各自的优势，同时克服相互制约的因素，为化工废水处理提供更加可持续的解决方案。
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作者简介：黄毅（1979—），男，汉族，四川绵阳人，专科，研究方向为化工。
