水处理膜组件完整性检测方法研究进展

田 青，范 茜，陈爱因

(天津港保税区水处理新技术产业化基地 天津 300191)

水处理过程中超滤、微滤和反渗透等膜组件应用日益广泛，该技术不仅可以很好地去除水体中胶体颗粒，而且可以有效地屏障水体中病原微生物。膜法水处理技术具有出水水质高、占地面积小等优势，但是膜在使用过程中一旦出现破损将造成严重后果，尤其在饮用水处理中可导致急慢性中毒，甚至导致流行性疾病的发生。因此如何及时有效地检测膜破损，确保膜完整性对于饮用水安全、污水达标排放尤为重要。研究发现，在中空纤维超滤膜组件处理后的出水中，在膜组件完好的情况下，出水中检测不到贾第虫和隐抱子囊虫胞囊或卵囊，颗粒物的数量很少。因此在实际应用中只有当膜的完整性不被破坏时才能起到很好的作用，膜完整性的检测至关重要。[1,2]

1 直接检测

直接检测是指直接面对膜或膜组件以确定膜完整性是否被破坏的直接测试。

1.1 压力驱动测试

压力驱动测试属于非破坏性的膜系统测试，是指所有外加压力为推动力的膜完整性监测测试，包括压力衰减测试(Pressure Decay Test，PDT test)、真空衰减测试(Vacuum Decay Test，VDT test)、扩散空气流测试(Diffusive Air Flow Test，DAF test)和泡点测试(Bubble Point Test，BPT test)，以上测试方法在理论上都是属于基于泡点压力测试的概念，但是在具体操作方式、测试参数等方面各有不同。[3]

泡点通常被定义为通过一个完全润湿的膜过滤器所需要克服的毛细力和液体表面张力的最小压力。简单地说，对于一个润湿膜，液体是可以通过将气体压力逼出来的过滤器孔的。泡点是有关最大孔隙或缺陷的直径，可以通过毛细管方程来估计。如果膜没有缺陷，任何泡点以下的空气压力都不能使水从膜孔中通过。与此相反，缺陷(如孔或破纤维)具有相对较低的泡点。对于超滤膜(孔径＜0.1,mm)，泡点一般是在 3,000～30,000,kP范围内。理论上，泡点压力随着膜表面存在的漏洞而下降，检测膜孔径20,nm的破损需要 3,500,kPa的压力，如此高的压力在实际应用中不易实现。由于超出膜的承压范围，容易导致膜破损。因此，泡点测试通常与压力衰减测试方法连用，用于确定膜破损的位置。

泡点测试的优点在于简单、可靠，并且有相对标准的测试步骤，用户容易操作。其原理是基于气压理论，检测一个完全润湿的膜在缓慢加压条件下，气体冲破润湿膜孔形成大量气泡时能被检测到的最小压力。所测最小压力即为泡点压力，与膜的最大孔径有关，可以用下式计算。[4,5]由公式可见，泡点压力与膜孔径成反比，膜孔径越大，压力越小。

式中：K为最大孔形状纠正系数；d为膜最大孔直径；θ为液体与膜表面的接触角；σ为液体表面张力。

真空衰减测试与压力衰减测试方法类似，属于压力衰减测试的变种，不同点在于其是使膜的一侧处于真空状态，并在一段时间内监测真空度的衰减，当真空度衰减过高时就表明膜的完整性受到破坏。此方法可用于监测UF和MF膜的完整性，能够在很短的时间内识别泄漏的元件或 O形环，是一种非破坏性测试，但在测试结束后不能完全将空气去除，在实际操作中不能广泛用于全面的系统中。

扩散空气流测试方法与压力衰减测试类似，主要原理是空气在低于起泡点的分压下通过扩散穿过润湿膜，测定通过膜的空气流速度，与完整膜的扩散空气流速进行比较。根据费克扩散定律模型，通过一个完全润湿膜的扩散空气流速表示为：[3]

式中：Q为扩散空气流速；A为膜面积；ε为膜孔率；D 为气体在液体中的扩散率；S为气液系数；Pf为原水侧压力；Pp为滤过液侧压力；τ为孔径的弯曲率；L为膜表面的液体厚度。

如果通过膜的空气流速大于完整膜的扩散空气流速，膜的完整性就可能遭到破坏。空气扩散流速的灵敏性与温度有关，季节温差会影响测试结果，且DAF测试需要额外的管线和装置。Trimboli[5]等研究发现，扩散流测试的敏感性比压力保持测试要高。DAF测试对膜的要求比较高，没有标准的检测设备用于膜体系检测。

1.2 声波传感测试(Sonic Sensing test)

声波传感测试一般是指在膜组件上的一个或两个位置放置加速度计(用于检测的仪器振动)，在给定频率范围内，使用耳机测听由漏气产生的振动。这种分析的有效性由技术熟练、经验丰富的操作人员决定，这在一定程度上增加了膜完整性测试结果的主观性。然而，由于它不能连续地监视膜的完整性，一般与压力衰减测试一起连用。用压力衰减测试可以确定膜组件是否受到破坏，而用声压分析可以更加具体地确定是哪部分膜受到破坏，其结果受操作人的经验影响比较大，不适用于膜种类比较多的体系。[6,7]此外，检测结果受背景噪音和流速的影响，背景噪音越大，灵敏性越低；流速越大，灵敏性越高。

1.3 双重气体测试(Binary Gas Integrity test)

双重气体测试的原理是假定两种气体在膜两侧均匀混合，利用不同气体通过液体层或通过润湿膜的渗透率不同，检测渗透物气体组分的变化来表征膜的破损情况。与气液测试不同，双重气体测试与膜的孔率、液体层的厚度和膜面积无关，但依赖于压力比。[8,9]该方法比单重气体测试灵敏，不依赖水质，但存在测试气体储存和有毒等问题。

2 间接检测

间接检测指检测过滤水的水质来反映膜的完整性，主要包括浊度检测(turbidity monitoring)和颗粒计数法(particle counting)。由于直接检测的方法步骤繁琐，在操作上不易实现，因此间接检测在实际应用中受到专业人员的广泛采用和国外权威机构的推荐。

2.1 浊度检测(Turbidity Monitoring)

浊度是水中颗粒物的替代参数，是表明水中颗粒物的水质指标，是水处理中一项重要的指标，几乎应用在所有的水处理工艺当中。采用浊度仪对水质的浊度进行检测，是对各类水中非溶性物质测量，达到控制水质的重要手段。在进行水环境监测时，浊度的大小往往可直接判断出水环境污染的程度，因此浊度是必需测量的重要参数之一。

浊度检测主要是利用浊度计发出光线，使之穿过一段样品，并从与入射光呈 90 °的方向上检测有多少光被水中的颗粒物所散射。浊度大小主要取决于光的波长以及颗粒大小、形状和组成，不能反映水质的微小变化，且易受到水中气泡的影响。有研究表明，当过滤水浊度＜0.1,NTU时，水中病原微生物含量仍然很高，[10]这说明浊度检测对水质的变化不够灵敏。此外，浊度检测对膜破损的反应比较滞后。相对于传统的浊度仪，激光浊度仪的检测灵敏度可以提高超过2个数量级以上，能够测量在 0～1,NTU范围内的浊度。

2.2 颗粒计数(Particle Counting)

颗粒计数检测基本原理是通过长时间检测膜出水的颗粒数量，确定颗粒计数基线，若观测到颗粒计数高峰(相对于颗粒计数基线)，则膜完整性遭到破坏。通过破损膜的颗粒浓度如下式计算，[11]通过该式可以确定颗粒计数基线：

式中：Cp为滤过液中颗粒浓度；Cf为原水中颗粒浓度；Vi为通过完整膜的滤过液体积；Vd为通过破损膜的滤过液体积；ni为完整的膜数量；nd为破损的膜的数量。

目前发展的激光散射技术大大提高了检测灵敏性，可以检测不同粒径的颗粒。颗粒计数检测膜完整性依赖原溶液的颗粒浓度，浓度越高，检测越灵敏。颗粒计数仪可直接计数并确定颗粒物的大小，它较全面地提供了有关水中悬浮颗粒物特征的信息，尤其对颗粒物的微小变化比较敏感，能从细节方面提供水中悬浮颗粒体系的微观特性，而且能够对多个膜进行监测，但是对于能同时对多少个膜进行监测还没有统一的定论。[12]一般认为，一个颗粒计数仪可以监测的膜数随着原水浓度的增加而增大。[13]该方法不适用于死端过滤，因为反洗时形成的气泡容易影响检测结果。

2.3 颗粒计数仪和浊度仪在膜破损检测应用中的对比分析

颗粒检测技术已广泛用于许多行业中，水的颗粒浓度指标是一个比浊度指标更好、更准确的水质参数。两者的主要性能差异在于：

2.3.1 及时性不同

浊度仪和颗粒计数仪在对膜完整性检测反应的及时性方面差异较大，在水处理用膜组件中用于监控滤池出水水质，颗粒计数仪可以检测到滤后水中颗粒的细微变化。当滤池发生“穿透”时，浊度仪读数变化很小，直到穿透发生了一段时间后读数才急剧上升，颗粒计数仪在穿透刚发生时读数即上升，颗粒计数仪可以比浊度仪更快更灵敏地检测到滤后水中颗粒物含量的升高。穿透警告比浊度仪早30,min左右，颗粒计数仪提供的颗粒信息可以优化反冲洗时间和反冲洗强度。此外，浊度仪的读数滞后，当已更换了完好的过滤器/组件以后，浊度仪的读数需经过较长一段时间才能恢复到稳态，颗粒计数仪则没有滞后现象。

2.3.2 灵敏度不同

浊度检测比颗粒计数更容易操作，但灵敏度也较低。研究人员的实验表明，在极少量膜丝破损的情况下，浊度变化小于 0.1,NTU时有可能水样中已出现显著的细菌污染，浊度仪可能无法检出差异，监测膜破损效果不理想，而颗粒计数仪的读数则有明显差异，颗粒计数仪的灵敏性远大于浊度仪。杨艳玲等[14]的实验结果表明，即使2个破损的滤膜纤维也可使膜滤后水的颗粒计数检测值产生3个数量级的变化，而浊度值则不能有效地检测到由膜纤维破损所造成的膜滤出水中颗粒物和贾第虫孢囊数量的变化。Gil F.Crozesa等对采用不同的膜完整性监测方法的水厂用敏感性、持续性、可靠性等指标评价了各种方法，指出在全面监测膜完整性时，浊度仪的敏感性低于颗粒计数仪。[15]Johnson用 LRV做指标评价了颗粒计数法与浊度仪的检测灵敏度，发现颗粒计数法的 LRV为 3.5，远高于浊度仪(＜0.5)。[16]Adham 等人[6]的研究结果显示，颗粒计数监测在所有间接完整性测试方法中灵敏度最高，研究还发现稀释比率对颗粒计数监测膜完整性的灵敏度有很大影响，并且高稀释比率导致颗粒计数监测膜完整性的灵敏度降低。Glucina等人研究发现颗粒计数监测膜完整性的灵敏度随进水颗粒浓度的增加和膜表面积的减少而提高。[17]

2.3.3 发展阶段不同

浊度检测作为水质检测的常规项目，已得到长时间的发展和应用，在实际应用中采用标准仪器操作为广大用户所熟悉，并由于其长期的标准化规范化生产，同颗粒计数相比费用更少。颗粒计数检测正处于发展上升阶段，在美国有500多家水处理厂采用颗粒物计数仪器监控净水过程和饮用水的水质，欧洲、日本、韩国和印度等也开始将颗粒计数仪应用于水处理中。在国内，北京、广州等地的水厂已进行推广和应用，并由于其灵敏度高、及时性好等优点，作为大型水厂标准仪器配置的搭配而逐步扩张，产生了更经济的颗粒计数仪，如多传感器颗粒计数仪。对于大型水厂，传感器颗粒计数仪的发展可大幅度降低在线监测膜完整性的费用，因此可以说，颗粒计数监测是目前为止最具前景的用于间接检测膜完整性的方法。

3 结论与展望

自膜法水处理技术的诞生起，就伴随着膜完整性检测方法的研究，国内外在近几十年的研究中已取得了一定的进展。但是由于适用环境、检测设备、检测标准的限制和成本问题，各种方法在实际应用中都存在一定的局限性。

① 膜完整性的各种检测方法中，由于间接法操作简单、费用低，推荐在水处理膜组件中检测，特别是在线检测中使用。

② 在浊度仪和颗粒计数仪的对比中，颗粒计数法在及时性和灵敏性方面均优于浊度检测法，颗粒计数法是进行膜破损检测的首选方法。

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