超濾膜技術在環境污水顆粒物過濾中的應用

張 濤

（邯鄲市生態環境局邯山區分局 河北邯鄲 056000）

引言

當前人類社會水平得到了飛速發展，更多現代化的水處理技術，促進了污水治理的發展。同時，隨著當前城市化進程的不斷加快，人們對于生活用水的質量提出了更高的要求，也進一步促進了社會生態文明環境的可持續發展。當前社會發展的首要任務是構建一個良好的生態環境體系，而在這一體系當中，水資源的潔凈程度起到至關重要的影響[1]。當前，由于部分工廠、加工企業當中存在污水排放不合理的問題，加之其他相關因素的存在，使得水污染問題逐漸嚴重，不僅會造成整個生態水系統遭到破壞，威脅到人類的身體健康，同時還會對整個生態環境造成極為嚴重的不利影響。超濾膜技術是近幾年來出現的一種全新的污水治理技術，其應用原理是利用濾膜的作用，將污水當中存在的顆粒物、雜物等進行過濾，從而提高水的潔凈度[2]。當前超濾膜技術主要應用在各個工業生產廠家當中，并且在實際應用中具有安全性高、操控性強等優勢。但該項技術目前在環境污水治理領域應用較少，并且有關這一方面的研究更少。基于此，本文開展超濾膜技術在環境污水顆粒物過濾中的應用研究。

1 超濾膜技術在環境污水顆粒物過濾中的應用

1.1 基于超濾膜技術的污水顆粒物過濾膜組件選擇

將超濾膜技術應用到對環境污水的治理當中時，首先需要對污水顆粒物過濾膜組件進行選擇。過濾膜組件的基本結構包括膜芯和支撐體，通過外加驅動力的作用下，可直接將其應用到污水處理當中，并作為最小的膜安裝單元[3]。根據污水處理的標準，選用管式膜組件結構。

管式顆粒物過濾膜組件整體呈現出管狀結構，通過管式過濾膜組件可將導入到組件內的環境污水當中的顆粒物過濾，并且在一端將截留物排出，一端將滲透物排出。同時，該組件的內容包含了兩層膜和一層間隔物，其結構為“膜”—“間隔物”—“膜”。這種管式過濾膜組件的應用優勢在于其具有良好的流動性，并且流道空間更大，不會受到壓力作用的影響，可以實現對高濃度以及粘稠液體的過濾。

1.2 環境污水中動態層溶液萃取及顆粒物分離

完成對超濾膜技術應用時污水顆粒物過濾膜組件的選擇后，需要在環境污水的動態層當中實現對溶液的萃取，并完成對顆粒物的分離過濾處理。在對含有大量顆粒物的環境污水進行處理時，在超濾膜技術應用的基礎上，利用油滴分散的方式，在環境污水當中進行溶質之間的相互傳遞，當油滴隨著含有顆粒物的污水通過預涂層后，油滴與水相會在多孔預涂顆粒的相互作用下，形成動態層流狀態。在形成動態層后，引入一個微流控制通道，當環境污水的流速保持不變后，通過微流控制通道對流體的流動方向及位置進行調整，從而更加精確地對動態層溶液擴散的時間進行控制。微流控制通道為“T”型結構，在通道結構的制備可利用3D 打印機實現，打印材料可選用能夠溶于水中的PVA 材料。將完成打印后的模型底部固定在一個平滑的表面上，并在其周圍搭建圍欄結構，并保證圍欄結構的高度超過整個微流控制通道的高度[4]。按照10:1 的比例配置PDMS 單體與鍵合劑，并在充分攪拌均勻后，在真空、干燥的環境當中進行抽真空處理，去除掉PDMS 溶液當中多余的氣泡，以此防止在材料固化后，材料上仍然存在氣泡，影響動態層溶液的萃取效果。將上述制備的微流控制通道放置在水相層與油相層的中間位置，并完成對動態層溶液的萃取。同時，在實際操作過程中，還可通過改變油相當中氯離子濃度以及萃取環境條件的方式，實現對萃取效率的調控。完成萃取后，剩余部分溶液直接與上述選擇的污水顆粒物過濾膜組件的原料進口端相連接，在截留端產生的廢物即為過濾后得到的顆粒物，以此實現對環境污水中顆粒物的過濾。

1.3 清洗被污染過濾膜

將超濾膜技術應用到實際環境污水處理當中，無論采用哪種材質的膜以及哪種結構的過濾膜組件，其表面都會受到不同程度的污染，因此為了確保最終過濾結果能夠達到預期效果，在每次進行環境污水處理和完成環境污水處理后，都需要對被污染的過濾膜進行清洗。針對不同被污染情況，可采用物理清洗方法和化學清洗方法兩種。

物理清洗方法可利用超聲波技術恢復被污染過濾膜的通量，在實際應用中，這種清洗方法不會對周圍環境以及過濾膜造成二次污染，并且不會導致過濾裝置出現腐蝕問題。在實際操作中，通過反向操作使透過液從過濾膜出液一側反向流向到處理液一側，以此保證過濾膜表面以及孔隙與過濾膜結合力較小的污染物能夠在反向沖水的作用下脫落，并逐漸流回到處理單元。針對物理清洗方法，對其反沖洗周期進行確定，其表達式為：

公式（1）中，f（t）表示被污染過濾膜反沖洗周期；Qf表示兩次沖洗周期之間的透水量；Qb表示一次反沖洗的耗水量；tf表示反沖洗持續時間；tb表示為被污染過濾膜的全部透水耗時。

化學清洗方法主要是通過利用化學藥品的方式對過濾膜進行清洗。利用堿或酶溶液，對過濾膜上殘留的二氧化硅、蛋白質等物質進行溶解，實現對被污染過濾膜上殘存此類物質顆粒物的清除，從而恢復過濾膜本身的通量[5]。

化學清洗具體步驟為：物理初步清洗后，加入化學藥品，并化學循環20min，浸泡30min 后再次化學循環10min，最后再進行一次物理清洗。化學清洗使用藥品的清洗濃度以及生產廠家如表1 所示。

表1 化學藥品清洗濃度與生產廠家

在選擇過濾膜材料時，應當選擇具有親水性特點的材料。親水性能越強，則過濾膜的抗污染性能越高。根據污水顆粒物過濾時截留分子量的要求以及污水當中顆粒物直徑大小的實際情況，可選擇孔徑分布在0.04～0.18 微米范圍以內的過濾膜，這一類型過濾膜具有最大通量，并且在規定范圍內過濾膜對環境污水顆粒物過濾時具有最強抗污性。

完成對被污染過濾膜的清洗后，為了驗證其清洗效果，可將過濾膜晾干后，讓純水流過過濾膜對其通量情況進行記錄的方式，驗證過濾膜是否被清洗完全。而在此次研究過程中，由于受到研究條件的限制，采用滲透率恢復比對化學清洗效果進行評價。滲透率恢復比r 的計算公式為：

上述公式中，η 表示超濾膜的滲透率，? 表示水流通量，P 表示超濾膜的跨膜壓差，η0表示超濾膜經過化學藥品清洗后的滲透率，η' 表示超濾膜清洗前的初始滲透率。

通過公式（2）與公式（3）所示的計算過程可知，當滲透率恢復比r 的值是一個大于1 的值，滲透率恢復比越大說明化學清洗的效果越好。

2 實例應用分析

首先，在環境污水廠現有過濾裝置及相應水處理條件的基礎上，引入本文上述選擇的污水顆粒物過濾膜組件，并將過濾裝置的環境污水的進口閥關閉；其次，對過濾裝置的取樣閥出口進行清潔處理，并確定取樣閥在運行過程中沒有阻塞問題的情況下，將超濾膜技術應用時所需的處理液引入到進口管當中，并用喉箍將進口管進行固定。打開取樣閥，在確保接口不會出現脫落問題并且不會有液體滲出后，按照本文上述操作，完成對黃金污水中顆粒物的過濾。表2 為污水過濾處理后的出水指標對照表。

表2 污水過濾處理后的出水指標對照表

按照本文上述論述內容，隨機選擇3 天過濾后的環境污水作為研究對象，將利用超濾膜技術完成顆粒物過濾的環境污水中各個指標對應測量情況進行記錄，并將記錄結果與上述表1 污水過濾處理后的出水指標進行比較，得到如表3 所示的結果。

表3 超濾膜技術對環境污水顆粒物過濾結果表

通過將表2 和表3 中的數據進行對比可以看出，經過超濾膜技術處理后的環境污水，其各個處理標準指標參數均在標準范圍以內，說明這三天水質均達到了國家處理標準。因此，結合實例應用分析得出，將超濾膜技術應用到對環境污水的顆粒物過濾當中具有良好的污水處理效果，可實現對水資源的進一步凈化，提高水資源的利用效率。

完成環境污水過濾后，采用化學清洗方法清洗超濾膜，四種化學藥品檸檬酸、NaOH、NaCIO、HCI 以及一種NaCIO 與HCI 組合化學藥品的清洗效果如圖1所示。

圖1 不同化學藥品的清洗效果

從圖1 所示的清洗效果中可以看出，檸檬酸、NaOH、NaCIO、HCI 以及組合NaCIO、HCI 藥品的滲透率恢復比分別為0.99、1.03、1.14、1.62 以及1.69。因此，說明檸檬酸、NaOH 的清洗效果較為不明顯，而清洗效果最好的是NaCIO、HCI 組合藥品。

結語

本文在傳統環境污水處理的基礎上，結合當前先進的超濾膜技術，開展其在環境污水顆粒物過濾當中的應用研究。根據環境污水處理條件，采取一些簡單、易操作的方式，解決了現有環境污水處理運行過程中出現的諸多瓶頸問題。通過應用實例分析的方式進一步證明，將超濾膜技術應用到實際環境污水治理當中，能夠確保處理后的水資源各項指標均在標準范圍以內，實現對環境污水的高效凈化，提高了對水資源的利用效率。由于研究條件有限，在選擇污水顆粒物過濾膜組件時僅考慮到了過濾膜組件的應用性能，對于其經濟效益方面未進行過多考慮，因此從成本角度分析，上述過濾方法仍然存在不足。對此，在后續的研究中還將對其進行更加深入研究，從而為不斷完善環境污水治理提供更有利的技術條件。