陶瓷膜在飲用水處理中的應用與膜污染控制

楊文建 郭 慶 段 冬 王天予 劉景霞*

(1同濟大學環境科學與工程學院 上海 200092 2雅安沃克林環保科技有限公司 四川 雅安 625199 3上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司 上海 200092 4蘭州大學資源環境學院 蘭州 730000)

隨著技術的發展與制備成本的降低,陶瓷膜在飲用水處理中的應用已受到越來越多的關注。相比起有機高分子膜,陶瓷膜耐壓,耐化學清洗,抗老化能力優秀,且具有更高的通量和更長的生命周期。國際上從20世紀60年代開始研究陶瓷膜在水處理中的應用,國內在這方面的廣泛研究則始于本世紀初,本文主要介紹陶瓷膜在飲用水處理中的應用與膜污染控制技術。

1 陶瓷膜在水處理中的應用與發展

由于陶瓷膜的耐壓、耐熱與耐化學性,其在高溫、含油廢水等極端環境下的穩定性與分離性能,要優于高分子聚合物膜,故陶瓷膜在工業廢水處理領域已得到廣泛的應用[1]。但目前用于飲用水和市政污水處理的微濾/超濾膜仍以有機高分子膜為主,限制陶瓷膜在水處理中廣泛應用的因素主要有:①投資成本高;②裝填密度低;③膜污染。

近年來,隨著國內的陶瓷膜工業化水平逐步提高,已有超過100家本土公司進入微濾/超濾陶瓷膜組件市場,陶瓷膜工藝投資成本在此背景下逐年下降,將其應用于飲用水處理領域的關注度也越來越高,預計未來陶瓷膜在水處理中的市場會逐漸增長[2]。由于飲用水生產成本通常較高、處理流程較多,陶瓷膜在其中的主要應用方向可能是取代傳統飲用水處理工藝中的某些環節,例如取代沉淀池或者砂濾池。與此同時,陶瓷膜對微生物有很好的篩分效果,能夠有效去除病原菌和病毒,因此可以減少消毒劑使用量[3-4]。在陶瓷膜與混凝聯用工藝中,只需形成較小的礬花即可被陶瓷膜截留,所以可以減少混凝劑投加量和混凝時間[5]。另有研究表明,若陶瓷膜通量能維持在150L/(m2·h)以上,其投資總成本將低于有機高分子膜[6]。綜上所述,使用陶瓷膜的投資成本可通過減少其他方面的運營成本、提高通量以及延長使用壽命來進行補償。

膜污染仍是當前陶瓷膜應用于水處理的重要瓶頸,有大量的研究工作致力于減緩膜污染速率、延長陶瓷膜的運行時間,從而減少化學清洗的頻次,目前主要有三種途徑控制膜污染:①陶瓷膜組合工藝,利用混凝、光催化、臭氧化和活性炭吸附等多種物理化學過程分別與陶瓷膜進行組合,不僅可以減緩膜污染速率,還能提高對污染物的去除效果;②膜表面改性;③膜池運行條件優化。

2 陶瓷膜污染機理

陶瓷膜污染機理根據污染物粒徑與膜孔徑的關系、污染物位置、污染物顆粒是否堆疊可分為以下四種:①中間堵塞;②完全堵塞;③標準堵塞;④濾餅層污染。污染物類型則分為有機污染、無機污染和生物污染。有機污染是由水中大量有機物造成的,是陶瓷膜的主要污染物,水處理過程中的無機污染并不顯著,但無機物與大量有機物的相互作用可能會加劇膜污染[7]。生物污染是最難緩解的污染類型,對膜的潛在危害也最大,膜表面生物污染層的積聚,與生物污染特性及可溶性微生物產物/胞外聚合物的濃度密切相關。

3 陶瓷膜污染控制策略

3.1 陶瓷膜組合工藝

通過預處理或者原位處理工藝與陶瓷膜進行結合可以有效減緩膜污染速率。主要有以下幾類:

3.1.1高級氧化工藝與陶瓷膜聯用

原理是通過改變有機物性質(電荷和分子量分布)控制膜污染,例如預臭氧化和原位臭氧化,通過臭氧化去除大量有機物和可溶性微生物/胞外聚合物,減少濾餅層的形成,不同的是,預臭氧化有利于維持膜通量,而原位臭氧化更有利于提升反沖洗恢復效果[8]。另外還包括過氧化氫、高錳酸鉀和光催化預氧化法等。需要注意的是,過量氧化有可能導致膜污染加劇,這是因為有機物被氧化成為小分子量有機物后,進入膜孔造成堵塞。

3.1.2混凝與陶瓷膜聯用

原理是混凝可以促使電荷中和以及絮體形成,形成一層多孔濾餅,可減少膜孔堵塞并延長化學清洗周期和使用壽命。根據是否設置預沉淀環節可將混凝-陶瓷膜組合工藝分為混凝沉淀-陶瓷膜工藝和在線混凝-陶瓷膜聯用工藝兩類,大量研究表明,混凝預處理可以改善有機物和消毒副產物的去除率并維持膜的通量[9-12]。

3.1.3吸附與陶瓷膜聯用

工藝形式包括吸附預處理和原位吸附,原理是借助高比表面積的吸附劑去除水中小分子、溶解性污染物,再將吸附劑截留在膜表面,阻止污染物進入膜孔,從而緩解膜污染。常用的吸附劑有活性炭、沸石、氫氧化鎂、中孔吸附樹脂等。

3.2 膜表面改性

陶瓷膜表面改性是指通過電泳沉積法、層層涂覆法等物理化學方法將各種納米材料均勻涂覆在基底陶瓷膜表面,制成兼具陶瓷膜過濾和納米材料功能特性的改性陶瓷膜[6]。陶瓷膜改性后能夠提升其有機物去除率和凈水效能,但如何在不犧牲過濾通量的情況下開發出防污、穩定的表面改性陶瓷膜,仍是需要攻克的技術難關。

3.3 陶瓷膜運行條件優化

通常陶瓷膜采用周期性的“過濾-反沖洗”模式來運行,運行總時間主要取決于每個周期的不可逆污染(反沖洗無法恢復的膜污染)。因此,可以考慮從運行條件方面進行優化和控制,盡量延長化學清洗周期,例如選擇合適的運行通量、每周期過濾時長和反沖洗模式(氣洗與水洗的組合模式),適當提升反沖洗強度。

4 結語

隨著需求的增加和技術的發展,陶瓷膜市場份額正在快速增長,預計2021～2025年,陶瓷膜市場規模將達到30.9億美元,復合年增長率為11.31%[13]。陶瓷膜在使用壽命、通量、抗污性、反沖洗效率和環境影響方面均優于有機膜,并且陶瓷膜成本在不斷下降,綜合考慮投資成本、運營成本和使用壽命,陶瓷膜與有機膜在成本上已經具有競爭力。

膜污染盡管不可避免,但可以通過工藝組合、膜改性和運行條件優化等措施來進行控制,盡量延長陶瓷膜的運行時間,最后再使用化學清洗方式進行恢復。目前陶瓷膜污染的研究主要集中在有機污染上,但對生物污染的演變以及生物量和膜的相互作用知之甚少。因此,未來的研究應側重于了解陶瓷膜的生物污染和長期運行時的有效預防策略。