膜污染及再生機理研究

董亞帥(青島市排水運營服務中心，山東青島266000)

1 膜污染機理

膜污染，是指在膜過濾過程中，水中的微粒、膠體粒子或溶質大分子由于與膜存在物理化學相互作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜通量變小且分離特性變差的現象。膜污染的形成機理主要有：(1)由于膜孔的截留作用，料液中的溶解性有機物和離子在膜表面積累造成濃差極化現象；(2)由于濃差極化現象，膜表面濃度高于處理液濃度，導致被截留組分在膜表面聚積，形成凝膠層，導致透過組分的量減少，從而降低膜的通量；(3)微小顆粒或溶質在膜表面及膜孔內的吸附、架橋等，使膜孔堵塞和改性，導致膜通量下降。膜污染問題引起膜通量的下降，縮短膜使用壽命，影響膜的工程應用。

目前，研究膜污染的理論模型主要有阻塞模型、超濾模型、流體力學模型及經驗模型，其中阻塞模型已廣泛應用于膜污染機理的研究。阻塞模型以阻塞理論為基礎，將可能造成膜污染的各部分阻力分解，以得到膜污染機理。膜阻力的測定可根據達西定律過濾模型進行計算分析，膜通量可表示為推動力與阻力之比：

式中：J為(m3/(m2·s))；ΔP為膜兩側的壓力差(MPa)；μ為溶液粘度(Pa·s)；Rt為過濾總阻力(m-1)。

式中：Rm為膜自身阻力；Rp為濃差極化阻力。該部分可通過水沖洗除去，Rc為顆粒等在膜表面吸附及沉積形成的濾餅阻力，該部分阻力用水沖洗不能除去，可采用毛刷刷洗等方法除去，Ri為膜孔內堵塞阻力，采用物理方法不能除去，需采用化學方法清洗。

2 膜污染影響因素

2.1 膜結構的影響

(1)膜孔徑的影響。膜孔徑是膜過濾過程中影響膜通量和截留率等最重要的因素，一般而言，孔徑越小，對粒子或溶質的截留率越高但通量越低。鐘璟等在顆粒粒徑和膜孔徑對陶瓷膜微濾微米級顆粒懸浮液的影響研究中，通過阻力分析、顆粒粒徑和膜孔徑對膜通量的實驗比較認為，膜孔徑和顆粒粒徑相比較小時，膜表面的濾餅層內細顆粒比例較高，膜通量較低；而當膜孔徑與顆粒粒徑相比太大時，顆粒對膜孔徑的阻塞嚴重，膜通量也很小。陳露等研究了0.1、0.22、0.8μm 的不同微濾膜孔徑與污染程度關系的比較，結果表明，孔徑為0.1μm 的微濾膜孔堵塞阻力為4.14×1011m-1，0.22μm 的微濾膜孔堵塞阻力為8.591×1011m-1，0.8μm 的微濾膜孔堵塞阻力為2.593×1012m-1，孔徑越大，孔堵塞阻力占膜總阻力的比例越大。

(2)膜表面粗糙度的影響。張兵兵等考察了陶瓷膜表面粗糙度對含油廢水過濾性能的影響，結果顯示，具有不用表面粗糙度的相同孔徑陶瓷膜，其純水通量基本相同；粗糙度越大的膜，過濾含油廢水的膜通量衰減越快，穩定通量也越低。Shoji等的研究表明，膜表面粗糙度的增加使膜表面吸附污染物的可能性增加，增加了膜表面孔的吸附導致的膜孔堵塞，但同時也增加了膜表面的擾動程度，阻礙了污染物在膜表面的形成，減少了孔對污染物質的機械截留所導致的膜孔堵塞。

(3)膜孔隙率的影響。孔隙率高的膜具有較多的開孔結構，所以在相同的孔徑下具有較高的滲透通量。一般來說，多孔無機膜，其膜層的孔隙率一般在20%～70%，支撐體孔隙率應高于分離層，對微濾膜而言，空隙率宜大于30%。

通常孔隙率越大，TMP越小，但隨孔隙率的變化，膜面性質如粗糙度等也發生改變，進而改變膜面吸附污染物的可能性，有機膜孔隙率通常高于無機膜，但膜通量往往低于無機膜。

2.2 操作運行條件的影響

操作條件與膜污染密切相關，對膜污染直接產生較大影響的有：跨膜壓差(TMP)、膜面流速、運行溫度等。

(1)膜通量和跨膜壓差(TMP)的影響。膜通量的選擇是決定膜污染的重要因素，一般認為膜存在特定的臨界膜通量和臨界壓差，當實際操作壓差低于膜的臨界壓差時，膜通量隨壓差的增大而升高，高于此臨界值時，膜通量變化不大甚至減小，此時通量與壓差無關。經反沖洗不足以清除膜的污染物質，引起膜污染加劇。彭兆洋利用陶瓷膜過濾油田采出水，當跨膜壓差在0.16MPa 內，膜通量隨著壓差的增大而增大，兩者之間近似為線性關系，當壓差大于0.16MPa 時，膜通量增大趨勢不明顯，甚至出現下降情況。

(2)膜面流速的影響。一般認為，在錯流過濾中，膜通量隨膜面流速的增加而增大，原因是料液流速的增加使得其側向剪切力增加，對附著在陶瓷膜膜表面的污染物質具有很大的沖刷作用，使其不易在膜表面沉積，加強了膜的傳質作用，使得膜通量增大。但當流速過高時，膜通量反而出現降低現象，這是因為較短的膜管內流速過高時，會形成紊流導致膜管內的壓力分布出現不均勻的情況，影響跨膜壓差，使膜通量下降。

(3)溫度的影響。升高溫度有利于膜分離過程的進行，這主要是溫度的變化不僅可改變料液粘度，還可改變膜面污染層的厚度和孔徑，從而改變膜的通透性能。

3 膜污染防治及再生方法

3.1 預處理

筆者認為，并不是所有的膜都適合直接用于過濾，應根據相應的體系選擇合適的預處理方法，從而減輕體系對膜通量及膜污染的影響，適當延長膜使用壽命。張進等研究了混凝預處理對膜通量、滲透液水質、膜污染及清洗后的膜通量恢復率的影響，結果表明，增加混凝預處理后，磷酸鹽的去除率從直接過濾的11%提高到99.7%，且膜通量提高了60%，預處理增大了顆粒粒徑，有效減輕了膜污染；經相同方法清洗后，直接過濾的膜通量只恢復到初始通量的72%，而增加混凝預處理后，膜通量恢復到初始通量的90%以上。

3.2 再生方法

(1)物理清洗再生。物理清洗再生是利用機械方法從膜表面或膜孔內去除污染物，包括正反向沖洗，超聲波清洗等，物理清洗再生過程不污染環境，但清洗不徹底。崔鵬等的研究結果表明，過濾期間反沖技術是控制膜污染的有效方法。

(2)化學清洗再生。當物理清洗再生不能去除污染物或作用不明顯時，應考慮化學清洗再生，化學清洗對膜孔內堵塞和形成凝膠層的去除是最有效的方法，其實質就是污染物與清洗劑之間的一種多相反應，是膜污染的一個逆過程。常用的再生清洗劑有酸類、堿類、螯合劑、氧化劑、還原劑等，化學清洗再生會使反應器內生物失活，消耗藥劑，造成二次污染，所以選用適宜的再生清洗劑是獲得最佳化學清洗效果的關鍵。化學再生清洗劑中無機強酸主要使污染物中的部分不溶物變成可溶物；有機酸主要去除無機鹽的沉積；強堿主要去除油脂、蛋白、藻類等的生物污染、膠體污染及大多數的有機污染物；螯合劑主要使絡合污染物中的無機離子生成溶解度大的物質以減少膜表面和膜孔內沉積的鹽及吸附的無機污染物。

4 結語

做好膜污染防治工作，需要考慮諸多因素，不斷探討其確切的污染機理，尋找適合不同系統的防治方法，以優化膜的性能，延長運行周期。由于膜污染物多種多樣，所以膜的再生是一個復雜的課題，應根據膜污染物的特性，選擇最經濟有效的清洗方法。膜污染清洗的方法很多，清洗劑的種類也很多，對于不同的污染膜，應不斷實驗以尋找最佳清洗劑和清洗方法，提高膜再生水平，延長膜使用壽命。