凈水處理中膜技術應用研究進展

張春英

摘 要：根據近年來在凈水處理中的膜技術的應用研究成果，從膜污染機理情況、處理工藝不夠和抗污染膜材料等方面對于膜技術應用情況進行研究。這篇文章總結了預處理工序和洗凈技術的限制因素，介紹了新改良的膜材料開發課題。希望可以提供進一步的研究參考，提高凈水處理膜技術的應用價值。最后展望了膜技術的開發動向。

關鍵詞：凈水處理；膜技術；研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.012

1 膜污染機理尚不明確

膜污染不僅影響一定程度的產水量和排水質量，還對于膜成分的耐用年數有一定的影響，在一定程度上還會提高成本，引起了研究人員的關注。從過程分析，原水的污染物質，使膜的流動減少，增大壓力差。根據不同原因進行分析，膜污染是由濃度分極、膜孔吸附、閉塞及表面濾餅層的形成所致。但是，膜污染的機制還不明確。從不同類型的污染物類型對膜污染的差異進行比較分析，提供調查膜防范機制的參考。

1.1 顆粒物/膠體污染的可調控性

一些研究表明，當粒子、膠體尺寸接近膜孔尺寸時，污染物質結晶化、沉淀、吸附到膜孔內，會出現膜孔閉塞度不同的結果，這個階段是初期污染階段。更大的粒子、膠質附著在膜表面的話，濾餅層被污染。松散濾餅層可以通過油壓去除，一般認為是可逆污染。發展到一定程度后，濾餅層會凝固、壓縮，不能通過水壓清洗去除，這種污染可以早期控制，有機物與之形成協同污染，其不可逆性就會大大加深。從污染物引起的膜污染控制的觀點出發，我們注意膜防護的在線監視，判定膜污染度，使用在可逆階段盡可能控制的模型。

1.2 有機污染的復雜性

表面水的溶解有機物被分成很多種，原水中的 NOM、人類排入的合成有機物和消毒副產物根據生物學的處理中的有機物的分解形成的可溶性微生物產物、生物處理過程中有機物降解形成的溶解性生物物質。NOM是水處理膜污染的全部主要原因，其中約85 %～95 %是腐植。親水性、疏水性雖然不是評價膜污染的一般基準，但是對于整個膜表面的化學物質量和強度是決定性的。因此，在研究膜污染的過程中，必須注意腐植的開發源、影響機構、控制方法這幾方面。研究了有機化合物的疏水性、分子量及相互作用。小尺寸的有機分子污染對于膜的影響比較小。另外，對膜污染的有機物的影響也在變化。應用三維熒光光譜進行掃描，蛋白質較高的熒光點使膜受到更深的污染，并且具有蛋白質有機物更高的水體污染更深。近年來，NOM 和無機顆粒引起的協同污染也引起了研究者的關注。兩種粒子狀物質的質量濃度和膜污染速率正相關。所以，加強溶媒污染物質膜相互作用的研究是非常必要的。

1.3 生物污染的嚴重性

原水中的微生物會慢慢累積到膜的表面，經過長時間的代謝、生長很難去除，就出現了生物膜，使得膜污染的風險加大。膜表面開始是單細胞或者細胞團，不斷地繁殖成為生物膜餅。生物膜的厚度和覆蓋率達到一定之后，會對于膜通量造成影響。生物膜的代謝會產生無機污染，難以徹底地進行清洗，最終對于膜會造成腐蝕，減少膜的壽命。重視對生物膜上微生物種類、特性的了解是必不可少的，有利于更好地進行微生物及其代謝產物引起的膜污染機理的研究。

2 處理工藝不成熟

為了控制膜污染問題，除了要掌握各種膜污染機理外，還需要研究多種組合工藝和膜清洗技術。一方面，凝集、活性炭吸附、臭氧預備氧化、生物過濾及其組合工藝一般作為預處理使用，另一方面，采用物理或化學方式對進行清洗兩種方法都可以減輕膜的污損。

2.1 注重預處理工藝的適配性

凝膠過濾過程中2.1的低濃度凝集劑中的ha與有機膠體的共存對Al（OH）3（am）-HS膠體顆粒的形成有益，ha的去除速度增加了7%～15%。但是，oc的去除率卻減少了3%～20%，使得膜污染惡化了。在吸附-超濾工藝中，活性炭的種類、用量、有機物的特性、原水的水質、競爭吸附等因素對污染物質的消除效率產生影響，但也存在膜污染的危險性。一些學者還使用活性炭在水中去除有機物質和脫氯。同時，為細菌增殖提供良好的基質，產生副產品污染，臭氧（O3）過濾過程中，有效地減少可逆膜污染。從以上的結果來看，為了確保膜結合過程的高效操作，投加物的特性和對膜污染的影響機制應受到關注。分析了“預臭氧+平流沉淀池、炭砂濾池+浸沒式超濾膜”的組合，發現膜更換成本高。因此，充分考慮原水中的污染物質對膜污染的貢獻率，通過組合過程的比較和選擇，決定可執行的水質凈化過程。

2.2 提升清洗技術的適應性

膜清洗技術是處理膜污染的重要手段。在機理中看，使用洗滌過程有雙重作用。基本膜清洗工藝與常規膜清洗工藝相同。在清洗過程中，清洗溫度、時間、酸堿度和化學清洗速度都是相同的。采用與膜材料和膜組件不同的情況下，同種清洗方式下也得到不同的效果。如今，選擇清洗方式，控制運行參數都具有很多的選擇，但是，既能夠對于膜污染環節有幫助，也可以使得膜的特性得到回復，成為了制膜技術發展的重要因素。實際工程中，應該不斷地進行實驗，使得對于膜優化的清洗條件能夠得到更加接近的模擬效果，使得清洗效果能夠達到更大的提高。

3 抗污染膜材料有待開發

多數研究表明，膜材料的性質影響膜隔離的生成和發展，并促進或限制膜技術的使用。因此，選擇適合于凈水處理的膜材料是非常重要的。但是，現有膜材料的防污性能一般較差，促進新防污膜材料的開發。目前，防污膜材料的研究主要集中在以下兩個方面。

3.1 關注全新膜材料的制備及應用價值

人們對全新的膜材料的調制和應用價值的關注越來越高，全新的膜材料主要是納米纖維膜擔持高分子復合膜、無機膜、有機-無機混合膜等。殼聚糖納米纖維、聚對苯二甲酸乙二醇酯復合材料能夠解決自身機械強度低的問題，以及電紡納米纖維密集積累的問題。還研究了鉻含水處理中的殼聚糖的應用。殼聚糖的沉積密度超過2g/m2，殼聚糖纖維層和基板便于層狀化，殼聚糖纖維層容易發生皸裂。基于此，發現了基板的選擇限制膜材料的性能，而且該新型膜材料對重金屬離子具有良好的吸附效果，應關注其應用于飲用水處理。通過開發低成本高性能膜材料、制造有機-無機混合膜、膜的多樣性和應用適應性、克服膜污染、改進膜調制技術，提高無機膜的性能，使其在實用的水處理項目中廣泛使用。對于有機無機雜化膜的實際應用需要更緊密地結合有機及無機成分的方法、有機矩陣中的無機成分凝集的降低方法、以及復合膜的耐用年數的改善等都要進行考慮。同時，為了解決雜化粒子與聚合物之間的兼容性，改善雜化膜的分離性能和穩定性，將金屬有機骨骼材料導入了這個領域。但是，目前關于mofs混合復合膜的研究限定于改善單一特性，如膨潤電阻、甲醇電阻以及較少的應用研究。因此，今后的研究需要加強多功能有機無機混合復合膜的作用

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機理以及應用方面的研究。

3.2 完善改性膜材料的方法和性能

通過改性使得膜材料的污染得到一定的改善，是一種新的可行性的方法。相關人員對膜材料可改性的研究也在進行，有以下幾個需要解決的問題。涂抹吸附的不穩定性，以及只能夠對于進表面孔通道進行改變，而且化學改性使得自身的穩定性、熱特性等受到影響。一些研究人員認為，膜材料改性研究在滿足自身的物化性質的穩定的情況下還應該綜合的考慮操作條件、介質類型等。研究表明，適量的GO對于膜的透水性能有很大的幫助，但是過量會使得膜的性能降低。可以看出，石墨烯的團聚使得共混法的發展受到影響。 在表面改性方面，一些人認為少數單層改性的效果是優于基于物理吸附等分子間相互作用力的，但是還缺少進一步的確認。該膜的抗污染機理沒有得到進一步的確定，清洗方法不夠明確對于膜的進一步應用有很大的影響。

4 結語

作為“21世紀的水處理技術”而廣為人知的膜技術在凈水方面有著廣泛的應用前景。但是，大規模的應用程序還有一些時間。目前，膜處理工藝適用于小型凈水廠。根據調查，當處理水的量小于20000m 3/d時，膜處理的成本比以往的處理過程低。在水處理中，膜技術的普及和應用不僅依賴于水處理產業的努力，也依賴于膜制造業的積極參與。這些膜是耐污染的，可以很容易的清洗。新膜的連續開發促進凈水處理中的膜處理的更廣泛的應用。

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