醫院污水污染膜的污染特征及清洗技術研究

李秀芬 ，周 強 ，陳春梅 ，張林中 ，任月萍 ， 商海波 ， 王新華

（1.江南大學 環境科學與工程學院，江蘇 無錫 214122；2.江蘇省厭氧生物技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122；3.江蘇省水處理技術與材料協同創新中心，江蘇蘇州215009；4.江蘇藍天沛爾膜業有限公司，江蘇 宜興214200）

醫院污水主要來自診療室、化驗室、手術室、動物房、洗衣房、X線照相洗印、同位素治療診斷及一些日常生活排水，與其他類型廢水相比，不僅水質水量變化大而且成分十分復雜，除含有懸浮物（suspended solid，SS）、生物需氧量（biological oxygen demand，BOD） 和化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）外，還含有大量的寄生蟲卵、病毒、藥物、診斷試劑和消毒劑等有毒有害物質，若直接排放，會對自然環境和人體健康造成極大危害[1-3]。目前，我國醫院廢水處理設施的自動化程度較低，在處理過程中，管理人員無法避免與污水、污泥的接觸，易造成病原體感染。江洪勇[4]采用膜生物反應器（Membrane bioreactor，MBR）處理醫院廢水，發現其對病原微生物有較好的去除效果。然而，MBR工藝不可避免的膜污染問題阻礙了其長期穩定運行及進一步推廣應用[5-7]?；瘜W清洗是解決膜污染問題的主要方法之一[8-10]，污染膜清洗可在一定程度上恢復膜通量及其過濾性能，延長膜的使用壽命，具有較為重要的實踐價值[11-12]。

針對醫院污水MBR處理工程的污染膜，采用X射線能譜分析儀（energy dispersive X-ray spectroscopy，EDX）分析其表面元素組成，據此選擇清洗劑并進行清洗條件優化，確定最適清洗方案，綜合評價清洗膜性能，旨在為MBR技術的穩定運行及進一步推廣應用提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 污染膜來源

新膜及污染膜取自江蘇藍天沛爾膜業有限公司，其中，污染平板膜取自某醫院污水處理工程，進水中 COD 為 150～260 mg/L，SS 為 20～80 mg/L，pH為7～8。MBR采用恒通量運行，水力停留時間為（10±1）h。膜材質為聚偏氟乙烯（polyvinylidenefluoride，PVDF）， 膜平均孔徑為 0.104 μm， 肉眼觀察，新膜表面呈白色，醫院污水污染膜呈黃色，清水無法洗去，膜受到嚴重污染，大量的污染物質附著在膜表面及膜孔內，其數碼照片如圖1所示。為實驗開展，將新膜及污染平板膜分別裁剪成若干有效過濾面積為33.2 cm2圓形膜片，備用。

圖1 新膜及污染膜的數碼照片Fig.1 Digital photos of new and fouled membranes

1.2 實驗方法

取上述圓形污染膜片放入500 mL燒杯中，添加一定濃度的不同清洗劑進行靜態化學清洗，分別研究清洗劑濃度、清洗溫度及組合清洗條件對膜通量恢復率的影響。

1.3 分析測試項目與方法

膜標準通量、通量相對恢復率、膜孔隙率和膜的平均孔徑采用文獻[13]的方法測定。接觸角通過光化學接觸角測量儀測定（型號為OCA-40）。清洗前后的膜片，采用去離子水緩慢沖洗并烘干后，送至華東理工大學分析測試中心進行EDX分析，獲得EDX譜圖。

2 結果與討論

2.1 污染前后膜表面能譜分析

表1給出了醫院污水污染膜表面元素的質量百分比。與新膜相比，4、7月和次年1月污染膜表面出現氧元素，質量百分比分別為4.06%、5.44%和8.30%，而10月除出現5.48%的氧元素外，還出現了Al、Mn和Ca，相應質量百分比為0.30%、1.53%和0.42%，無機金屬元素共2.25%?？梢姡?、7月和1月膜面污染物為有機物污染，而10月膜面污染物除有機污染物外，還含有少量無機污染物，此時，污染膜的膜通量衰減了66.7%。由于10月膜污染較為復雜，屬有機和無機物交叉污染，因此，采用該污染膜進行后續化學清洗研究。

表1 不同季節醫院廢水污染膜膜面元素組成Table1 Elements on fouled membrane by hospital wastewater in different seasons %

2.2 清洗劑類型對清洗效果的影響

針對膜表面無機污染物，常用的酸性清洗劑較多，其中，檸檬酸可溶解去除鈣鹽及金屬氧化物等無機污染物（反應式1）[14]，也可使溶液pH降低，其質量分數0.5%溶液的pH值為1.98。圖2給出了檸檬酸質量分數對清洗效果的影響。

圖2 檸檬酸質量分數對清洗效果的影響Fig.2 Influence of citric acid concentration on cleaning efficiency

可見，隨檸檬酸質量分數升高，膜通量相對恢復率基本不變，質量分數0.5%檸檬酸溶液清洗時，膜通量為 436.6 L/（m2·h）；質量分數 1%檸檬酸溶液清洗時，膜通量為 417.3 L/（m2·h）；質量分數 3%檸檬酸溶液清洗時，膜通量為 431.7 L/（m2·h）；質量分數5%檸檬酸溶液清洗時，膜通量為423.3 L/（m2·h）。可能是因為膜面無機污染物較少，質量分數為0.5%檸檬酸溶液即可滿足清洗要求。

堿性清洗劑對膜表面有機污染物具有較好的溶解作用，其中最常用的堿洗劑是次氯酸鈉，其溶解產生的活性氯特別適合膜孔污染的清除。首先，次氯酸鈉溶液呈堿性，堿可和膜面脂肪類物質發生皂化反應，并與膜面蛋白質等有機污染物反應，通過反應生成可溶性物質，水解去除。其次，次氯酸鈉殺菌效果明顯，它溶于水產生的次氯酸分子較小，不帶電荷，可滲入菌（病毒）體內進而殺死病原微生物。另外，生成次氯酸是漂白劑的有效成分，使次氯酸鈉有一定的漂白功能，可使清洗膜恢復如新。圖3給出了不同質量分數次氯酸鈉的膜清洗效果?？梢?，使用不同質量分數的次氯酸鈉溶液對污染膜進行清洗時，隨次氯酸鈉溶液質量分數升高，膜通量相對恢復率呈明顯上升趨勢，膜通量依次為1212.1、1374.9、1393.0 L/（m2·h）和 1664.4 L/（m2·h）。同時，0.1%和0.3%次氯酸鈉清洗后膜通量相差不大。陸雋[15]研究了化學清洗對聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）超濾膜的影響，0.5%和1%次氯酸鈉浸泡污染膜后，有膜孔擴張現象，過高濃度的次氯酸鈉對膜結構有一定影響。因此，本研究認為質量分數為0.1%的次氯酸鈉較佳。

圖3 次氯酸鈉質量分數對清洗效果的影響Fig.3 Influence of NaClO concentration on cleaning efficiency

2.3 清洗溫度對清洗效果的影響

溫度可改變化學反應平衡、化學反應動力學及污染物與反應產物的溶解度，增加傳質速率，使反應產物盡快擴散。同時，升高溫度有助于膜孔擴張和孔內污物洗出，但溫度過高則對膜造成一定程度的損害，圖4給出了清洗溫度（25、35℃和45℃）對膜通量相對恢復率的影響?？梢?，質量分數0.5%檸檬酸清洗時，隨清洗溫度升高，清洗通量恢復率呈下降趨勢，依次為101%、93%和81%，室溫（25℃）時清洗效果較好。質量分數0.1%次氯酸鈉清洗時，隨清洗溫度升高，通量恢復率呈先下降后上升的趨勢，出于經濟考慮，質量分數0.1%次氯酸鈉的較佳清洗溫度也宜采用室溫（25℃）。

圖4 清洗溫度對清洗效果的影響Fig.4 Influence of cleaning temperature on cleaning efficiency

2.4 醫院污水污染膜的組合清洗技術研究

表2給出了檸檬酸、次氯酸鈉和超聲的組合清洗方法，圖5為組合清洗的清洗效果?？梢?，先酸洗后堿洗與先堿洗后酸洗的膜通量恢復率分別為314%及296%，先酸洗后堿洗的清洗效果優于先堿洗后酸洗。檸檬酸兼具無機物質的溶解及絡合能力，這些物質的溶解及絡合去除使膜表面污染層孔隙率增加，后續清洗劑與膜面污染物質的接觸更加充分，進而加快清洗反應的速度，整體清洗效果得到提高。無論先酸洗后堿洗還是先堿洗后酸洗，增加超聲清洗后，清洗效果均優于不加超聲的清洗，說明超聲輔助化學清洗有助于清洗效果的提高。

表2 檸檬酸、次氯酸鈉與超聲的組合清洗方案Table2 Composite cleaning strategies of citric acid，sodium hypochlorite and ultrasound

圖5 組合清洗的清洗效果Fig.5 Cleaning efficiency of composite cleaning strategies

2.5 清洗膜性能分析

圖6是清洗膜的EDX譜圖，表3是膜表面污染物中元素的質量百分比?？梢钥闯?，清洗后膜面的污染物只有C、O和F元素，與清洗前污染膜的EDX譜圖相比，大部分元素均被去除，表明清洗效果良好，污染物質得到很好的去除。表4為新膜、污染膜及清洗膜的孔隙率、平均孔徑和接觸角。對比可見，污染膜的平均孔徑低于新膜及清洗膜，說明膜孔被污染物堵塞。而與新膜相比，清洗膜的孔隙率、平均孔徑及接觸角均相差不大，說明清洗效果良好。

圖6 清洗膜的EDX譜圖Fig.6 EDX spectra of cleaned membrane

表3 清洗膜膜表面元素的質量百分比Table3 Percentage of elements on cleaned membrane surface

表4 新膜、污染膜和清洗膜的性能參數Table4 Parameters of new，fouled and cleaned membranes

3 結語

醫院污水MBR處理工程污染膜主要膜面污染物為有機物，含少量無機物，10月膜污染較為復雜，屬有機和無機物交叉污染。

EDX分析表明，清洗后膜面的元素組成為C、O和F，膜面污染物已被有效清除，清洗膜的孔隙率、平均孔徑及接觸角與新膜相差不大，分別為0.858、0.104 μm 和（69.20±0.115）°，清洗效果良好。