浅谈超滤膜污染机理及防控措施

李明 魏巍 李雪飞

（天津大学建筑设计研究院天津300072）

浅谈超滤膜污染机理及防控措施

李明 魏巍 李雪飞

（天津大学建筑设计研究院天津300072）

该文综述了超滤膜在饮用水净水工艺中的技术优势；重点分析了膜污染的机理及防控措施；提出超滤膜技术存在的问题和发展方向。

超滤膜；膜污染；膜污染防控

目前我国自来水处理工艺还是以20世纪初形成的混凝-沉淀-过滤-消毒的常规工艺为主，该工艺主要应对细菌、浊度、病毒等常见水质问题，但对水中溶解性有嗅味、机物、氨氮去除能力有限。水源水质不断恶化时，在原有工艺的基础上增加了臭氧活性炭单元，虽然强化了对有机物和嗅味物质去除效果，但现状工艺中存在的一些新问题仍需要解决。

超滤工艺具有以下优点：除浊率高，出水浊度能保持在0.10 NTU以下，对颗粒物的去除率超过99.9%；能有效去除贾第鞭毛虫、隐孢子虫、细菌等微生物及病毒，在后续消毒过程中，减少了氯的用量，同时降低了对人体构成危害的氯代副产物的形成；水厂占地面积小，产能高，便于操作，易于老水厂的工程改造；对藻类的去除效果较好，同时对大分子有机物去除效果较好，出水水质稳定。

1 超滤膜工艺简介

超滤对原水的适应能力比常规工艺强，可有效去除胶体、悬浮物、细菌、病毒及大分子有机物，但对氨氮、金属离子、溶解性盐、小分子有机物、天然有机物处理能力有限，单独使用时超滤膜容易受到污染。超滤膜根据膜材料的不同可分为有机膜材料和无机膜材料。目前国内外研究及应用较为广泛的有机膜材料有：纤维素衍生物类、聚砜类、聚烯烃类、含氟聚合物、聚酰胺类、聚酰亚胺类、聚酯类，其中对聚酰胺类、聚酰亚胺类、聚酯类研究相对较少。无机膜材料主要有无机陶瓷类、金属、金属氧化物、玻璃膜、碳纤维、硅酸盐、沸石。现在很多学者致力于超滤与其他组合工艺联用的研究[1]，“混凝-超滤”、“粉末活性炭-超滤”等组合工艺已逐渐成为国内外学者研究的热点。

2 超滤膜污染成因及机理

膜污染程度直接关系到膜的使用寿命、出水水质、工艺造价等。膜污染机理至今没有统一的定论，在文献中一致认为原料液中胶体粒子、溶质大分子、微粒与膜发生了不同的作用（物理、化学、生化或机械），长时间吸附在膜表面或者沉积在膜孔内，导致膜产水降低。普遍认为膜污染主要分三部分：浓差极化、膜表面污染（滤饼层的形成和压缩）、膜孔内的吸附和阻塞。以地表水为水源的饮用水净水处理过程中，天然有机物（NOM）[2]被认为导致膜污染的主要物质，NOM中不同组分的物质导致不同形式的污染。NOM中究竟是何种物质造成膜污染，国内外学者有不同的见解。Margarida[2]等认为有机物中的腐殖质（疏水性有机质）是导致不可逆污染的主要原因，同时认为褐菌酸是仅次于腐殖酸的膜污染物质。Katsoufidou[3]等研究表明导致膜污染的最主要的部分是亲水性有机物，然而Jrnsson[20]认为中性亲水性物质是导致膜污染的主要组分。Cui等[4]认为导致膜污染的NOM组分影响大小按顺序排列是中性亲水性有机物＞疏水性有机物＞带电亲水性有机物。

3 膜污染影响因素及防控

原水pH、离子浓度（Ca2+、Mg2+、Fe3+、K+）等是影响膜污染的重要因素。董秉直等[10]研究pH对“混凝-超滤”组合工艺过滤性能的影响。结果表明当降低pH时，有机物表面尺寸会减小，疏水性能增强，有利于混凝处理；同时pH下降抑制了混凝水解反应的进行，使带正电荷的物质密度增加，有利于有机物的吸附，因而会加大对膜的污染。Yiantsios等采用不同种膜材质的超滤膜做实验时发现二价阳离子，尤其是Ca2+促进分子结合，加剧了滤饼层和污垢的形成，是导致膜污染的重要因素。改变原水的性质，可以不同程度地延缓膜污染，国内外研究者做了大量的研究，通过在膜前加入混凝剂、活性炭、预氧化、生物预处理、超声、MIEX等处理单元对原水进行改性。影响超滤膜污染的操作条件有膜通量、过滤周期、反冲洗时间及强度。随着过滤时间的增加，水中污染物在膜表面逐渐形成较厚的泥饼层，一旦泥饼层被压实，就难以清洗。通过选择合适的膜通量、缩短过滤周期、延长反冲洗时间、提高反冲洗强度可以减轻膜污染。Nakatsuka[4]等采用CA材质超滤膜研究表明反冲洗压力应高于产水压力的两倍，才能维持通量处于较稳定的状态。优化运行参数，如膜通量、水力条件、气水比等条件可以减少膜污染。膜材质及膜表面性能影响着膜污染。膜的亲疏水性对膜污染有一定的影响。Jrnsson[5]等通过研究不同的膜材料对膜污染的影响得出疏水性膜比亲水性膜的膜污染速快。Lee[6]等通过研究比较UF和MF膜后得出表面粗糙的UF更容易产生污染，同时认为接触角越小，膜的亲水性能就越强，接触角越大，膜的疏水性能越强。对膜进行改性，可以改善和提高超滤膜在水处理中的应用。

4 超滤膜技术发展展望

（1）研发抗污染、抗氧化、高通量、机械强度高、寿命长、价格低廉的新型膜材料。

（2）针对不同水质特点及工艺现状，开发新型大单元膜组件及新型膜组件组合方式。

（3）新型膜处理组合技术的研发，研发能有效处理不同水质及突发性水质污染的膜组合技术。

（4）加强膜污染机理及膜污染控制技术研究，提出针对不同污染物的高效清洗药剂。

（5）优化膜处理监控系统，实现对进水、过滤、反冲洗及化学清洗过程以及膜组件完整性测试和泄漏测试的全自动控制。

（6）加强超滤技术在应用领域的研究，如在城镇供水、不同水质处理以及社区优质自来水中的应用。

随着膜性能的改进、制膜成本的降低以及超滤膜工艺的成熟，相对常规处理工艺超滤已经显现一定的技术和经济优势。以超滤膜为核心的超滤组合工艺将替代传统的给水处理工艺成为城市饮用水净水工艺一个新的发展方向。

[1]朱寅春.常用超滤膜组合工艺在饮用水处理中的进展及应用[J].净水技术，2011，30(5)：72-75.

[2]Margarida C，Maria J R.Assessing PAC contribution to the NOM fouling control in PAC/UF systems[J].Water Research，2010，44(5)：1636-1644.

[3]Katsoufidou K，Yiantsios S G，Karabelas A J.A study of ultrafiltration membrane fouling by humic acids and flux recovery by backwashing：experiments and modeling [J].Membrane Science，2005，266：40-50.

[4]Nakatsuka S，Nakate I，Miyano T.Drinking water treatment by using ultrafiltration hollow fiber membranes [J].Desalination，2006，106(1-3)：55-61.

[5]Jrnsson C，Jrnsson A S.Influence of the membrane material on the adsorptive fouling of ultrafiltration membranes[J].Membrane Science，2011，(108)：79-87.

[6]Lee N，Amy G，Croué J P，et al.Identification and understanding of fouling in low-pressure membrane(MF／UF)filtration by natural organic matter(NOM)[J].Water Research，2010，38(20)：4511-4523.