淺談超濾膜污染機理及防控措施

李明 魏巍 李雪飛

（天津大學建筑設計研究院天津300072）

淺談超濾膜污染機理及防控措施

李明 魏巍 李雪飛

（天津大學建筑設計研究院天津300072）

該文綜述了超濾膜在飲用水凈水工藝中的技術優勢；重點分析了膜污染的機理及防控措施；提出超濾膜技術存在的問題和發展方向。

超濾膜；膜污染；膜污染防控

目前我國自來水處理工藝還是以20世紀初形成的混凝-沉淀-過濾-消毒的常規工藝為主，該工藝主要應對細菌、濁度、病毒等常見水質問題，但對水中溶解性有嗅味、機物、氨氮去除能力有限。水源水質不斷惡化時，在原有工藝的基礎上增加了臭氧活性炭單元，雖然強化了對有機物和嗅味物質去除效果，但現狀工藝中存在的一些新問題仍需要解決。

超濾工藝具有以下優點：除濁率高，出水濁度能保持在0.10 NTU以下，對顆粒物的去除率超過99.9%；能有效去除賈第鞭毛蟲、隱孢子蟲、細菌等微生物及病毒，在后續消毒過程中，減少了氯的用量，同時降低了對人體構成危害的氯代副產物的形成；水廠占地面積小，產能高，便于操作，易于老水廠的工程改造；對藻類的去除效果較好，同時對大分子有機物去除效果較好，出水水質穩定。

1 超濾膜工藝簡介

超濾對原水的適應能力比常規工藝強，可有效去除膠體、懸浮物、細菌、病毒及大分子有機物，但對氨氮、金屬離子、溶解性鹽、小分子有機物、天然有機物處理能力有限，單獨使用時超濾膜容易受到污染。超濾膜根據膜材料的不同可分為有機膜材料和無機膜材料。目前國內外研究及應用較為廣泛的有機膜材料有：纖維素衍生物類、聚砜類、聚烯烴類、含氟聚合物、聚酰胺類、聚酰亞胺類、聚酯類，其中對聚酰胺類、聚酰亞胺類、聚酯類研究相對較少。無機膜材料主要有無機陶瓷類、金屬、金屬氧化物、玻璃膜、碳纖維、硅酸鹽、沸石。現在很多學者致力于超濾與其他組合工藝聯用的研究[1]，“混凝-超濾”、“粉末活性炭-超濾”等組合工藝已逐漸成為國內外學者研究的熱點。

2 超濾膜污染成因及機理

膜污染程度直接關系到膜的使用壽命、出水水質、工藝造價等。膜污染機理至今沒有統一的定論，在文獻中一致認為原料液中膠體粒子、溶質大分子、微粒與膜發生了不同的作用（物理、化學、生化或機械），長時間吸附在膜表面或者沉積在膜孔內，導致膜產水降低。普遍認為膜污染主要分三部分：濃差極化、膜表面污染（濾餅層的形成和壓縮）、膜孔內的吸附和阻塞。以地表水為水源的飲用水凈水處理過程中，天然有機物（NOM）[2]被認為導致膜污染的主要物質，NOM中不同組分的物質導致不同形式的污染。NOM中究竟是何種物質造成膜污染，國內外學者有不同的見解。Margarida[2]等認為有機物中的腐殖質（疏水性有機質）是導致不可逆污染的主要原因，同時認為褐菌酸是僅次于腐殖酸的膜污染物質。Katsoufidou[3]等研究表明導致膜污染的最主要的部分是親水性有機物，然而Jrnsson[20]認為中性親水性物質是導致膜污染的主要組分。Cui等[4]認為導致膜污染的NOM組分影響大小按順序排列是中性親水性有機物＞疏水性有機物＞帶電親水性有機物。

3 膜污染影響因素及防控

原水pH、離子濃度（Ca2+、Mg2+、Fe3+、K+）等是影響膜污染的重要因素。董秉直等[10]研究pH對“混凝-超濾”組合工藝過濾性能的影響。結果表明當降低pH時，有機物表面尺寸會減小，疏水性能增強，有利于混凝處理；同時pH下降抑制了混凝水解反應的進行，使帶正電荷的物質密度增加，有利于有機物的吸附，因而會加大對膜的污染。Yiantsios等采用不同種膜材質的超濾膜做實驗時發現二價陽離子，尤其是Ca2+促進分子結合，加劇了濾餅層和污垢的形成，是導致膜污染的重要因素。改變原水的性質，可以不同程度地延緩膜污染，國內外研究者做了大量的研究，通過在膜前加入混凝劑、活性炭、預氧化、生物預處理、超聲、MIEX等處理單元對原水進行改性。影響超濾膜污染的操作條件有膜通量、過濾周期、反沖洗時間及強度。隨著過濾時間的增加，水中污染物在膜表面逐漸形成較厚的泥餅層，一旦泥餅層被壓實，就難以清洗。通過選擇合適的膜通量、縮短過濾周期、延長反沖洗時間、提高反沖洗強度可以減輕膜污染。Nakatsuka[4]等采用CA材質超濾膜研究表明反沖洗壓力應高于產水壓力的兩倍，才能維持通量處于較穩定的狀態。優化運行參數，如膜通量、水力條件、氣水比等條件可以減少膜污染。膜材質及膜表面性能影響著膜污染。膜的親疏水性對膜污染有一定的影響。Jrnsson[5]等通過研究不同的膜材料對膜污染的影響得出疏水性膜比親水性膜的膜污染速快。Lee[6]等通過研究比較UF和MF膜后得出表面粗糙的UF更容易產生污染，同時認為接觸角越小，膜的親水性能就越強，接觸角越大，膜的疏水性能越強。對膜進行改性，可以改善和提高超濾膜在水處理中的應用。

4 超濾膜技術發展展望

（1）研發抗污染、抗氧化、高通量、機械強度高、壽命長、價格低廉的新型膜材料。

（2）針對不同水質特點及工藝現狀，開發新型大單元膜組件及新型膜組件組合方式。

（3）新型膜處理組合技術的研發，研發能有效處理不同水質及突發性水質污染的膜組合技術。

（4）加強膜污染機理及膜污染控制技術研究，提出針對不同污染物的高效清洗藥劑。

（5）優化膜處理監控系統，實現對進水、過濾、反沖洗及化學清洗過程以及膜組件完整性測試和泄漏測試的全自動控制。

（6）加強超濾技術在應用領域的研究，如在城鎮供水、不同水質處理以及社區優質自來水中的應用。

隨著膜性能的改進、制膜成本的降低以及超濾膜工藝的成熟，相對常規處理工藝超濾已經顯現一定的技術和經濟優勢。以超濾膜為核心的超濾組合工藝將替代傳統的給水處理工藝成為城市飲用水凈水工藝一個新的發展方向。

[1]朱寅春.常用超濾膜組合工藝在飲用水處理中的進展及應用[J].凈水技術，2011，30(5)：72-75.

[2]Margarida C，Maria J R.Assessing PAC contribution to the NOM fouling control in PAC/UF systems[J].Water Research，2010，44(5)：1636-1644.

[3]Katsoufidou K，Yiantsios S G，Karabelas A J.A study of ultrafiltration membrane fouling by humic acids and flux recovery by backwashing：experiments and modeling [J].Membrane Science，2005，266：40-50.

[4]Nakatsuka S，Nakate I，Miyano T.Drinking water treatment by using ultrafiltration hollow fiber membranes [J].Desalination，2006，106(1-3)：55-61.

[5]Jrnsson C，Jrnsson A S.Influence of the membrane material on the adsorptive fouling of ultrafiltration membranes[J].Membrane Science，2011，(108)：79-87.

[6]Lee N，Amy G，Croué J P，et al.Identification and understanding of fouling in low-pressure membrane(MF／UF)filtration by natural organic matter(NOM)[J].Water Research，2010，38(20)：4511-4523.