試論膜法水處理中膜污染的化學控制研究進展

丁婷婷

摘要：新型超濾膜是我國水處理中的先進技術形式，可節約水資源，促進水環境的良好改善。然而，在實際使用的過程中，經常會出現膜污染的現象，嚴重影響水處理的性能，無法滿足當前的實際發展需求，甚至會出現難以解決的問題。因此，在新型超濾膜水處理的過程中，須及時發現膜污染問題，采取科學的措施解決問題，創建預防污染的管理機制，全面提升新型超濾膜水處理性能，滿足當前的發展需求。

關鍵詞：新型超濾膜；水處理性能；膜污染規律

20世紀60年代以來，膜分離技術發展迅速，對食品、水處理、化工等諸多領域的發展發揮了巨大作用。隨著膜分離技術的快速發展，膜分離中的問題越來越引起重視[1]。膜污染指料液中某些組分在膜表面或膜孔中沉積導致通量下降的現象[2]，Ridgway 等[3]研究認為，膜污染的表現一是單位面積遷移水速率（膜通量）逐漸下降；二是通過膜的壓力和膜兩側的壓差（進料壓力和ΔP）逐漸增大；三是膜對溶解于水的物質透過性逐漸增大（礦物質截留率下降）。目前，防止膜污染的研究主要有：（1）預處理與膜污染的關系。董秉直等[4]研究了混凝對防止膜污染的作用，結果表明，混凝防止膜污染取決于過濾過程膜表面形成的濾餅層性能；（2）膜強化與改性對防止膜污染的影響；（3）膜污染后物理、化學、生物性能恢復的研究。物理性能恢復包括反沖、電場、聲場等各種物理場對膜污染的作用；后兩種方法易引入新的污染物，很少單獨使用；（4）水處理中占重要地位的生物反應器等。

1膜污染途徑的分析

1.1膜面凝膠層污染

膜面凝膠層污染主要是膜分離中截留的膠體物質，水溶性有機物等形成濾餅，在過濾壓差和透過水流的作用下堆積在膜表面形成的可逆性膜面污染。此類污染在閉端膜過濾中占很大比重（80%～90%），且發展迅速，是膜污染水力控制的主要對象。

1.2污泥層污染

污泥層污染是由膜表面滋生的大量微生物及其代謝產物組成的黏液（黏性多糖類、多肽類和蛋白質分子等），在濾膜表面形成一層生物膜造成膜通量減小。

1.3膜孔堵塞

膜孔堵塞主要是溶解性大分子有機物質（多為低相對分子質量的肽類），如溶解性微生物產物和胞外聚合物透過凝膠層，被膜孔內表面吸附或結晶堵塞孔道使膜通量減少，是一種不可逆污染，此類污染發展緩慢。

1.3.1膠體污堵膠體污堵比較普遍。地下水和地表水含有的鐵鋁膠體、硅膠體、有機質膠體及預處理時加入混凝劑、助凝劑、阻垢劑等形成的膠體，都可能沉積在膜表面形成污染。

1.3.2生物污堵生物污堵主要發生在地表水處理系統和頻繁啟停操作系統。單一的消毒劑不能全部殺死水中的微生物，系統設在死角區或停用時間過長造成微生物生長繁殖，粘附在膜表面形成的生物黏膜污染。

1.3.3化學結垢化學結垢由濃縮鹽水中過量的溶解鹽沉淀形成，常發生在二段。表現為原段壓降升高，脫鹽率下降，出力降低。只要調整好回收率，和阻垢劑用量就可控制。

1.3.4顆粒堵塞顆粒污堵常發生在前端。主要原因是新系統投入運行時沖洗不徹底，保安過濾器缺陷致水帶泥土、細砂及其它碎片，或采用纏繞型微米濾芯易脫落絨毛，或運行壓差高，使膜片脫落堵在下一個膜的前端，造成壓降升高、出力減小，形成機械性污堵。此類污堵是可以預防的。

2膜污染的影響因素

研究表明，膜組件投入運行后，膜污染即開始發生，因此，防止膜污染必須從生產膜組件開始考慮。我們考慮的因素主要有以下幾方面。

2.1膜的性質

膜的性質主要指膜材料的物理性能，如膜表面電荷性、親疏水性、膜孔徑大小及表面形態如粗糙度等，它們對膜吸附有機污染物及阻塞有重大影響。親水性膜受吸附影響較小[5]；孔徑大通量高的膜易形成堵塞[6]；孔隙小的膜易被堵塞。混合液膠體粒子一般帶負電，選擇帶負電的膜有利于防止膜污染；膜表面光滑不易污染；膜面粗糙則易吸留溶質，隨粗糙度增加，會增加膜表面吸附污染物的可能性。

2.2混合液的性質

混合液性質主要指懸浮物的濃度和組成，它們復雜多變，對膜污染影響很大。

2.3膜分離的操作條件

膜分離操作條件有時是膜污染的重要影響因素，因此，對操作條件的關注是非常必要的。

2.3.1膜面的工作壓力一般認為，膜分離有一臨界壓力，當膜面操作壓力低于臨界壓力時，膜通量隨壓力增加而增加，高于此壓力時會加劇膜面的污染。

2.3.2膜面流速 膜面流速增加可增大膜表面水力攪動程度，減少膜表面污染物積累，提高膜通量，防止或減少污染。但流速過大會使膜表面污染層變薄，造成膜孔堵塞不可逆的污染。

2.3.3提高混合液溫度，降低黏度有利于提高膜通量，但耗能多，成本高。

3防止膜污染的措施

3.1膜的開發與選擇[7]

3.1.1膜的開發（1）具有良好成膜性、熱穩定性、化學穩定性，耐酸、堿、微生物侵蝕和耐氧化性能的膜材是研究者一直追求的目標。但單一物質性質都有其局限性。因此，常針對一定的處理物系，對膜材或膜表面進行改性，以提高其抗污染性能；（2）共混膜的研制。共混通常是為克服膜材料某一性能的不足，加入1種或多種物質，制備綜合性能較好的膜，這是目前研究的熱點之一。

3.1.2膜的選擇選擇適宜孔徑的膜對防止膜污染有重要作用。膜孔徑的選擇應根據處理物系的特點及所要達到的截留率確定。對較大孔徑膜，盡管初始通量較大，但通量衰減較快，易致膜污染。因此，膜孔徑的選擇應比截留物質的相對分子質量小，以獲得好的處理效果，還可減少膜孔溶質吸附和堵塞造成的污染。但孔徑越小，流體阻力越大，通量越小，操作中要綜合考慮兩者的關系，選擇合適的膜材和孔徑。樊文玲等[8]研究了孔徑0. 2μm的Al2O3陶瓷膜澄清糖渴清復方水提液過程中膜污染的機制，發現膜孔徑和膜材料對膜污染有重要影響。

3.2原料預處理

預處理指原料液過濾前加入改性劑，以改變料液或溶質的性質或對料液進行絮凝、過濾，去除較大的懸浮粒子或膠狀物質，或調整料液的pH值去除膜污染物，減輕膜的負荷和污染。預處理應根據料液及膜材的性質選擇處理方法。含難溶鹽的料液可用預沉、加化學阻垢劑或分散劑等方法；過濾高黏度料液，可加入適當藥劑以降低黏度，改善流動性能，提高過濾效果；對含懸浮微粒或膠狀物的料液可用砂濾、微濾或加混凝劑、絮凝劑等方法；富含微生物的料液可添加殺菌劑或先用紫外線滅菌，防止微生物對膜的污染和侵蝕。

3.3改善膜過濾操作條件

3.3.1改善膜面流體力學條件提高料液流速或用湍流促進器或脈沖流技術等改善膜面料液的水力學條件，減小膜面流體邊界層厚度，降低濃差極化，延緩凝膠層形成，減少膜污染。防止膜污染盡量采用湍流流動與非穩定流動等方式。濃差極化現象是膜污染的主要形式。劉忠州等[9]通過原位實驗研究了濃差極化對膜污染的作用，結果表明，控制濃差極化的關鍵是選擇膜材料和組件及優化操作條件。

3.3.2外加場防止膜污染外加場（電場、聲場等）對某些物料過濾有強化作用，同時可有效防止膜污染發生。

四、結語

政府發布的多項新規劃都涉及水處理與分離膜，膜材料技術正成為“十二五”政策交叉支持的“會合點”，分離膜材料迎來黃金發展時期。雖然膜技術已成為水處理中不可缺少的一種技術，但是與其他技術相比，膜分離技術發展歷史畢竟還短，許多理論和技術上的研究課題還有待于進一步完善和提高，尤其是污水或廢水處理及回用中的應用。

我國應認清高性能膜材料產業發展的趨勢、關鍵技術及一些重要領域和產品，凝練提出一批關鍵技術點，制定高性能膜材料產業發展的產業技術路線圖。國內相關企業建立產業技術創新戰略聯盟，促進膜材料產業規模化發展，具備和國外企業競爭的能力。

參考文獻

[1]孫德棟，張啟修. UF處理生活污水過程中的膜污染和膜清洗研究[J]. 膜科學與技術，2004，24（3）：32-35.

[2]劉茉娥，吳禮光，朱常樂. 膜分離技術[M]. 北京：化學工業出版社，1998：212.

（作者身份證號碼：230124198607144728）