超滤膜在水处理中的污染及其控制措施

沈海军

【摘要】超滤膜污染控制技术是超滤膜技术推广的关键，超滤膜污染受到膜结构和特性，温度、压力、水中杂质、原生水质等因素的影响，造成超滤膜通水量减少、能耗增加、生产成本升高。超滤膜清洗时比较复杂，并且还要使用化学药剂，会对周围水质造成再次污染。超滤膜清洗难度大，在对超滤膜进行清洗过程中要对超滤膜污染问题进行区别对待，提前做好各项准备，当超滤膜污染超标时，及时地进行超滤膜清洗。通过超滤膜与粉末活性炭的组合工艺、混凝剂超滤膜组合工艺等工艺创新可以提高超滤膜污染工作效率。本文通过对超滤膜在水处理中污染的原理和特点的分析，根据对超滤膜污染影响因素的探究，提出超滤膜在水处理中的污染控制措施，以期促进超滤膜技术的发展。

【关键词】超滤膜；水处理；污染；控制措施

引言

随着科学技术的发展，膜过滤技术得到较快的发展，使用膜过滤技术可以有效去除水中的微生物、细菌、无机颗粒和有机物，超滤膜水处理技术具有良好的物化性能和分析性能，能够满足环境工程水质要求。超滤膜技术可以实现对水的净化、浓缩、分析，有效实现水体净化，并且成本低，有着较好的发展前景。可以通过促进科技创新，逐步转变经济发展方式对超滤膜进行技术创新，促进企业健康发展，企业在获得经济效益的同时可以获得社会效益和生态效益。

1、超滤膜技术概念

1.1 超滤膜技术工作原理。超滤膜技术是在压差推动力作用下进行的筛孔分离过程，即在一定的压力作用下，当含有大、小分子物质两类溶质的溶液流过被支撑的膜表面时，溶剂和小分子溶质（如无机盐类）将透过膜，作为透过物被收集起来；大分子溶质（如有机胶体等）则被膜截留而作为浓缩液被回收，从而可以实现对水质净化和浓缩，分离出相关溶液的技术。超滤膜技术在应用中介于微滤和纳滤之间，膜孔径范围为0.005-0.1μm，截留分子量为1000-500，000道尔顿左右。

超滤膜工作原理主要体现在一定压力下进行过滤的半透性的膜。受到压力的作用，溶液中的溶剂和低分子量的溶质会通过超滤膜上的孔洞到达膜的另一侧。在特定压力下进行过滤时，溶液中的无机盐和低能量分子就会通过。大分子物质和胶体会被超滤膜截留或吸附，从而实现对水的净化。使用超滤膜技术可以对工业废水进行有效处理。超滤膜技术能够清除废水中的污染物。过滤过的工业废水可以再次在工业生产中使用，从而提高水资源利用效率。废水中过滤出来的有机物、无机物可以进行回收利用，从而减少资源的浪费，节约了企业生产成本。在使用超滤膜技术时，要根据废水的特点采取合理的措施，提高废水处理效率。

1.2 超滤膜技术的特点。超滤膜具有多样化的特点：第一，超滤膜技术仅以低压为推动力，设备及工艺流程简单，自动化程度较高，操作便捷，分离过程不发生相变，能耗低，运行费用较低，从而使系统的安全稳定性能较好。第二，超滤膜技术可以对溶液中的杂质进行彻底清除，从而提高产水质量。第三，超滤膜材质化学性质稳定，可以经受酸和碱的影响，使用寿命较长。第四，超滤膜技术能够实现对工业废水的有效处理，从而减少水资源的浪费，减少对环境的污染。第五，超滤膜技术工艺仅为物理筛分过程，不需要添加化学药剂，不会出现水体二次污染，可在常温下进行，特别适用于热敏性物质（如果汁、生物制剂及某些药品的浓缩和提纯）。

2、超滤膜污染过程机理

超滤系统可能受到进水中存在各种杂质的污染，比如悬浮物、胶体、有机物、微生物和水合金属氧化物等。膜污染就是指覆盖在膜表面上和吸附在膜孔道里的各種沉积物，包括水中的结垢物。

溶液中粒子和膜材料的相互作用是膜污染的主要因素，使超滤膜受到堵塞，发生不可逆的吸附污染，以及浓度极化的凝胶层造成可逆污染。在进行水处理过程时，比超滤膜孔径大的溶解性有机物是造成污染的重要成分，其膜阻力是超滤膜阻力的一半以上。超滤膜污染分为三个阶段，第一个阶段，生物聚合物浓度升高之后，可供使用的活性孔逐渐减少；第二阶段，迁移性生物聚合物逐渐沉降在孔内，从而造成膜污染；第三阶段，随着迁移性生物聚合物在膜表面的聚集，形成凝胶层和泥饼层。生物聚合物浓度的不断增加，膜的污染阶段会发生转换和合并。

3、超滤膜在水处理中的污染问题

在使用超滤膜技术进行水处理时，会出现超滤膜的污染，造成超滤膜的产水量减少，能耗逐步增加，水厂生产成本升高。超滤膜污染成为了限制其在水处理中的一大技术障碍。净化过程中超滤膜受到重度污染，需要使用化学药剂进行清洗，但是我国自来水厂大约每5个月才进行一次超滤膜清洗。超滤膜清洗时比较复杂，并且还要使用化学药剂，会对周围水质造成再次污染。自来水厂的超滤膜应加大对超滤膜的维护，从而延长超滤膜的使用周期。

传统超滤膜受到污染后，继续使用会导致水质受到二次污染，对超滤膜进行清洗需要使用化学药剂，操作难度大。可以通过对超滤膜进行研发，提高通水量，提高对污染物和氧化的抵御能力，延长超滤膜使用寿命，从而减少生产成本和使用成本。

由于超滤膜清洗难度大，在对超滤膜进行清洗过程中要对超滤膜污染问题进行区别对待，提前做好各项准备，当超滤膜污染超标时，及时地进行超滤膜清洗。自来水厂在对进行水源地选取时，要对原水水质进行合理分析，采取适宜的净水处理技术，采取对超滤膜污染小的水处理方式。此外，有效的预处理可以减少导致膜污染的杂质物质，通过安装合适的预处理设备，如前置过滤器、混凝/澄清或者过滤设备，选择恰当的操作条件，就能达到这一目标。

4、膜污染的影响因素

4.1 膜结构及特性。超滤膜的污染受到膜的结构和特性的影响，超滤过程中，膜、溶质和溶剂之间发生相互作用，由于膜材料、膜孔结构、膜表面电荷和膜的表面粗糙程度影响，一些膜表面细菌生存量较大。膜孔和粒子的尺寸相差不大时，非常容易发生堵塞，膜孔小于粒子尺寸时，由于横切流的影响，使膜表面难以聚集，不容易发生堵孔现象。膜表面越粗糙，对污染物的吸附作用就越强，也容易发生堵塞。所以，膜表面进行适当扰动，能够减少污染物在膜表面的形成，减少膜孔堵塞。

4.2 使用条件的影响。膜的污染物受到温度、压力、水中杂质含量等因素的影响。当温度过高时，就会造成膜不可恢复性吸附污染物。当压力超过最大值时，膜上浓度差极化逐渐加剧，随着跨膜压差的增加，开始形成致密的凝胶，水过滤能力快速下降，因此超滤膜要在适当的压力下运行。膜面流速对产水量和使用周期产生重要影响，膜面流速越快，膜面淤积的大分子胶体就越少，两侧浓度差缩小，受到浓度极化产生的凝胶层阻力也开始下降，膜的生命周期得到延长。过大的水中悬浮物、菌藻类含量偏高，会使滤饼层阻力增加，细菌藻类的分泌物可能造成膜孔不可恢复性堵塞。

4.3 原水水质。膜的污染受到原水的pH值和离子强度的影响，溶液中胶体等大分子浓度比较低时，会使膜面的吸附力增加，通透量降低，这是对孔吸附和堵塞的重要原因。pH值会对胶体的带电状态产生影响，影响膜的性质，从而对膜吸附能力产生影响，是膜污染控制的重要影响因素。溶液中离子强度发生改变会对胶体的构型产生影响，从而使膜表面会对盐产生吸附，从而降低膜的通量。在pH值较低时，膜表面电位为正，膜表面和腐殖酸间会存在静电引力，对其表面附着产生影响，造成膜污染，降低膜通量。随着膜表面点位的增大，会使引力减小，斥力增加，从而使污染减少。

5、超滤膜在水处理中的污染控制措施

随着对自来水处理研究的深入，传统的自来水处理技术弊端越来越凸显，超滤膜技术优势明显，并且可以适应水体波动的特点。超滤膜污染控制技术是超滤膜技术推广的关键，超滤膜污染受到膜结构和特性，温度、压力、水中杂质、原生水质等因素的影响，造成超滤膜通水量减少、能耗增加、生产成本升高。超滤膜在进行水体处理时，对一些易溶解的有机物、盐、小分子等有机物的处理效果不理想。科学家将超滤膜和其他工艺进行结合，结合后的工艺对水的处理效果大幅度提升，因此要加强超滤膜同其他工艺的结合。

5.1 加强超滤膜与粉末活性炭的组合工艺的应用。研究人员在对超滤膜和粉末活性炭组合工艺的研究中，发现投入粉末活性炭之后膜的稳定运行时间得到延长，但是通量会随之而下降。活性炭的投放量对超滤膜的过滤阻力几乎没有影响，随着活性炭投放量的增加，对水体中有机物的过滤效果得到提高，两者存在互补关系。并且这种工艺可以对水浊度进行调节，抑制水的致突变活性。此工艺可以降低有机物的浓度，消毒过程中减少三卤甲烷和四氯化钛的生成量。超滤膜和粉末活性炭组合中，能够明显提高超滤膜的工作效率。

超滤膜和粉末活性炭的组合中，活性炭可以对超滤膜进行预處理，从而明显提高超滤膜对有机物和消毒副产物的处理效果。大量实验表明，此工艺能够去除大部分有机物，但是水通量不能增加。因此，要对此工艺进行继续研究，增加膜的水通量，提高对污染的抵御能力，才能提高超滤膜的水处理工艺水平。

可采用机械过滤、混凝、杀菌等方法对水进行预处理，从而降低膜污染。预处理能够改变污染物的粒径分布，对污染物间的相互作用产生影响，减少污染物在膜表面的沉积性，抑制微生物的生长。混凝是应用比较广泛的预处理方法，通过投放混凝剂能够降低膜污染，增加膜通量，并且效果显著。

使用强氧化剂、过氧化氢等改变有机物的组成部分，从而改善水质。对于一些预处理产水量低、碟片过滤器穿透严重等现象，可以进行工艺改造，，比如在叠片过滤器前加装投放混凝剂的装置；在秋雨季节对水中的离子胶体含量进行控制，能够减轻计划层对超滤膜的影响。在叠片后防止双介质过滤器进行粗处理；在春夏季节菌藻类繁殖季节，通过采取抑制超滤进水，来减少菌藻类、大分子、胶体对超滤膜的影响。

5.2 加强混凝剂超滤膜组合工艺的应用。使用混凝剂可以减少超滤膜中空纤维膜的污染，并且混凝剂效果显著，可以明显降低跨膜压差的增加，提高对有机物的去除效果。混凝/超滤膜组合工艺可以对水中任一种有机物进行清除，对浊度去除率较高，对TOC的去除率也在50%左右。此工艺对水的利用效率在80%左右，并且能够引入生物，将生物同工艺进行结合，水体净化效果更显著。

5.3 加强对工艺的创新研究。世界各国对以上两种工艺的研究较多，并且效果明显。也可以将两种方法进行结合，超滤膜和粉末活性炭，同紫外线消毒工艺融合，能够进一步提高超滤膜的过滤能力，并在过滤过程中对小分子物质进行吸附，减少紫外线消毒的副产物。这种工艺可以降低水体的浊度，吸附/超滤膜工艺能够对水中的氟元素进行过滤，选择适当的活性氧化铝颗粒，减少膜区的曝气现象，沉淀区和反应区的回流比控制在0.5左右，可以提高对氟元素的去除效率，并且超滤膜的污染量少，超滤膜工作时间长。通过对超滤膜的技术创新，可以促进科技创新，逐步转变经济发展方式，促进企业健康发展，企业在获得经济效益的同时可以或的社会效益、生态效益。

6、结语

超滤膜技术是有效的环保水处理技术，对废水处理影响深远。超滤膜水处理技术具有良好的物化性能和分析性能，能够满足环境工程水质要求。超滤膜水处理技术能够减少水中的胶质、悬浮物，有效解决水资源污染和匮乏的问题，超滤膜技术的成本低，拥有较好的经济效益。随着水资源污染的日益严重，对污水进行处理需求量越来越大，超滤膜技术可以有效地实现污水过滤，膜技术已经成为当前国内外研究的热点课题。膜污染的控制是膜技术能否得到大范围推广的关键。通过对膜污染原理的分析，寻找可以对膜污染进行控制的技术，对超滤膜进行实时监测，对膜处理过程进行优化，提高超滤膜性能是今后膜组合工艺的主要方向。对膜污染原理进行了解，可以为膜研究和开发提供思路，延缓膜污染、膜的实时监控、膜为核心的组合工艺等是膜研究的前沿方向。

参考文献：

[1]彭婷.PVC超滤膜处理生活污水及膜污染控制研究[D].海口：海南师范大学，2015.

[2]刘红.臭氧预处理对污水二级出水超滤过程中的膜污染层形成控制研究[D].北京：北京工业大学，2014.

[3]范茜，陈爱因，田青.超滤技术在饮用水处理行业的应用及发展展望[J].天津科技，2014（02）：11-14.