超濾膜在水處理中的污染及其控制措施

沈海軍

【摘要】超濾膜污染控制技術是超濾膜技術推廣的關鍵，超濾膜污染受到膜結構和特性，溫度、壓力、水中雜質、原生水質等因素的影響，造成超濾膜通水量減少、能耗增加、生產成本升高。超濾膜清洗時比較復雜，并且還要使用化學藥劑，會對周圍水質造成再次污染。超濾膜清洗難度大，在對超濾膜進行清洗過程中要對超濾膜污染問題進行區別對待，提前做好各項準備，當超濾膜污染超標時，及時地進行超濾膜清洗。通過超濾膜與粉末活性炭的組合工藝、混凝劑超濾膜組合工藝等工藝創新可以提高超濾膜污染工作效率。本文通過對超濾膜在水處理中污染的原理和特點的分析，根據對超濾膜污染影響因素的探究，提出超濾膜在水處理中的污染控制措施，以期促進超濾膜技術的發展。

【關鍵詞】超濾膜；水處理；污染；控制措施

引言

隨著科學技術的發展，膜過濾技術得到較快的發展，使用膜過濾技術可以有效去除水中的微生物、細菌、無機顆粒和有機物，超濾膜水處理技術具有良好的物化性能和分析性能，能夠滿足環境工程水質要求。超濾膜技術可以實現對水的凈化、濃縮、分析，有效實現水體凈化，并且成本低，有著較好的發展前景。可以通過促進科技創新，逐步轉變經濟發展方式對超濾膜進行技術創新，促進企業健康發展，企業在獲得經濟效益的同時可以獲得社會效益和生態效益。

1、超濾膜技術概念

1.1 超濾膜技術工作原理。超濾膜技術是在壓差推動力作用下進行的篩孔分離過程，即在一定的壓力作用下，當含有大、小分子物質兩類溶質的溶液流過被支撐的膜表面時，溶劑和小分子溶質（如無機鹽類）將透過膜，作為透過物被收集起來；大分子溶質（如有機膠體等）則被膜截留而作為濃縮液被回收，從而可以實現對水質凈化和濃縮，分離出相關溶液的技術。超濾膜技術在應用中介于微濾和納濾之間，膜孔徑范圍為0.005-0.1μm，截留分子量為1000-500，000道爾頓左右。

超濾膜工作原理主要體現在一定壓力下進行過濾的半透性的膜。受到壓力的作用，溶液中的溶劑和低分子量的溶質會通過超濾膜上的孔洞到達膜的另一側。在特定壓力下進行過濾時，溶液中的無機鹽和低能量分子就會通過。大分子物質和膠體會被超濾膜截留或吸附，從而實現對水的凈化。使用超濾膜技術可以對工業廢水進行有效處理。超濾膜技術能夠清除廢水中的污染物。過濾過的工業廢水可以再次在工業生產中使用，從而提高水資源利用效率。廢水中過濾出來的有機物、無機物可以進行回收利用，從而減少資源的浪費，節約了企業生產成本。在使用超濾膜技術時，要根據廢水的特點采取合理的措施，提高廢水處理效率。

1.2 超濾膜技術的特點。超濾膜具有多樣化的特點：第一，超濾膜技術僅以低壓為推動力，設備及工藝流程簡單，自動化程度較高，操作便捷，分離過程不發生相變，能耗低，運行費用較低，從而使系統的安全穩定性能較好。第二，超濾膜技術可以對溶液中的雜質進行徹底清除，從而提高產水質量。第三，超濾膜材質化學性質穩定，可以經受酸和堿的影響，使用壽命較長。第四，超濾膜技術能夠實現對工業廢水的有效處理，從而減少水資源的浪費，減少對環境的污染。第五，超濾膜技術工藝僅為物理篩分過程，不需要添加化學藥劑，不會出現水體二次污染，可在常溫下進行，特別適用于熱敏性物質（如果汁、生物制劑及某些藥品的濃縮和提純）。

2、超濾膜污染過程機理

超濾系統可能受到進水中存在各種雜質的污染，比如懸浮物、膠體、有機物、微生物和水合金屬氧化物等。膜污染就是指覆蓋在膜表面上和吸附在膜孔道里的各種沉積物，包括水中的結垢物。

溶液中粒子和膜材料的相互作用是膜污染的主要因素，使超濾膜受到堵塞，發生不可逆的吸附污染，以及濃度極化的凝膠層造成可逆污染。在進行水處理過程時，比超濾膜孔徑大的溶解性有機物是造成污染的重要成分，其膜阻力是超濾膜阻力的一半以上。超濾膜污染分為三個階段，第一個階段，生物聚合物濃度升高之后，可供使用的活性孔逐漸減少；第二階段，遷移性生物聚合物逐漸沉降在孔內，從而造成膜污染；第三階段，隨著遷移性生物聚合物在膜表面的聚集，形成凝膠層和泥餅層。生物聚合物濃度的不斷增加，膜的污染階段會發生轉換和合并。

3、超濾膜在水處理中的污染問題

在使用超濾膜技術進行水處理時，會出現超濾膜的污染，造成超濾膜的產水量減少，能耗逐步增加，水廠生產成本升高。超濾膜污染成為了限制其在水處理中的一大技術障礙。凈化過程中超濾膜受到重度污染，需要使用化學藥劑進行清洗，但是我國自來水廠大約每5個月才進行一次超濾膜清洗。超濾膜清洗時比較復雜，并且還要使用化學藥劑，會對周圍水質造成再次污染。自來水廠的超濾膜應加大對超濾膜的維護，從而延長超濾膜的使用周期。

傳統超濾膜受到污染后，繼續使用會導致水質受到二次污染，對超濾膜進行清洗需要使用化學藥劑，操作難度大。可以通過對超濾膜進行研發，提高通水量，提高對污染物和氧化的抵御能力，延長超濾膜使用壽命，從而減少生產成本和使用成本。

由于超濾膜清洗難度大，在對超濾膜進行清洗過程中要對超濾膜污染問題進行區別對待，提前做好各項準備，當超濾膜污染超標時，及時地進行超濾膜清洗。自來水廠在對進行水源地選取時，要對原水水質進行合理分析，采取適宜的凈水處理技術，采取對超濾膜污染小的水處理方式。此外，有效的預處理可以減少導致膜污染的雜質物質，通過安裝合適的預處理設備，如前置過濾器、混凝/澄清或者過濾設備，選擇恰當的操作條件，就能達到這一目標。

4、膜污染的影響因素

4.1 膜結構及特性。超濾膜的污染受到膜的結構和特性的影響，超濾過程中，膜、溶質和溶劑之間發生相互作用，由于膜材料、膜孔結構、膜表面電荷和膜的表面粗糙程度影響，一些膜表面細菌生存量較大。膜孔和粒子的尺寸相差不大時，非常容易發生堵塞，膜孔小于粒子尺寸時，由于橫切流的影響，使膜表面難以聚集，不容易發生堵孔現象。膜表面越粗糙，對污染物的吸附作用就越強，也容易發生堵塞。所以，膜表面進行適當擾動，能夠減少污染物在膜表面的形成，減少膜孔堵塞。

4.2 使用條件的影響。膜的污染物受到溫度、壓力、水中雜質含量等因素的影響。當溫度過高時，就會造成膜不可恢復性吸附污染物。當壓力超過最大值時，膜上濃度差極化逐漸加劇，隨著跨膜壓差的增加，開始形成致密的凝膠，水過濾能力快速下降，因此超濾膜要在適當的壓力下運行。膜面流速對產水量和使用周期產生重要影響，膜面流速越快，膜面淤積的大分子膠體就越少，兩側濃度差縮小，受到濃度極化產生的凝膠層阻力也開始下降，膜的生命周期得到延長。過大的水中懸浮物、菌藻類含量偏高，會使濾餅層阻力增加，細菌藻類的分泌物可能造成膜孔不可恢復性堵塞。

4.3 原水水質。膜的污染受到原水的pH值和離子強度的影響，溶液中膠體等大分子濃度比較低時，會使膜面的吸附力增加，通透量降低，這是對孔吸附和堵塞的重要原因。pH值會對膠體的帶電狀態產生影響，影響膜的性質，從而對膜吸附能力產生影響，是膜污染控制的重要影響因素。溶液中離子強度發生改變會對膠體的構型產生影響，從而使膜表面會對鹽產生吸附，從而降低膜的通量。在pH值較低時，膜表面電位為正，膜表面和腐殖酸間會存在靜電引力，對其表面附著產生影響，造成膜污染，降低膜通量。隨著膜表面點位的增大，會使引力減小，斥力增加，從而使污染減少。

5、超濾膜在水處理中的污染控制措施

隨著對自來水處理研究的深入，傳統的自來水處理技術弊端越來越凸顯，超濾膜技術優勢明顯，并且可以適應水體波動的特點。超濾膜污染控制技術是超濾膜技術推廣的關鍵，超濾膜污染受到膜結構和特性，溫度、壓力、水中雜質、原生水質等因素的影響，造成超濾膜通水量減少、能耗增加、生產成本升高。超濾膜在進行水體處理時，對一些易溶解的有機物、鹽、小分子等有機物的處理效果不理想。科學家將超濾膜和其他工藝進行結合，結合后的工藝對水的處理效果大幅度提升，因此要加強超濾膜同其他工藝的結合。

5.1 加強超濾膜與粉末活性炭的組合工藝的應用。研究人員在對超濾膜和粉末活性炭組合工藝的研究中，發現投入粉末活性炭之后膜的穩定運行時間得到延長，但是通量會隨之而下降。活性炭的投放量對超濾膜的過濾阻力幾乎沒有影響，隨著活性炭投放量的增加，對水體中有機物的過濾效果得到提高，兩者存在互補關系。并且這種工藝可以對水濁度進行調節，抑制水的致突變活性。此工藝可以降低有機物的濃度，消毒過程中減少三鹵甲烷和四氯化鈦的生成量。超濾膜和粉末活性炭組合中，能夠明顯提高超濾膜的工作效率。

超濾膜和粉末活性炭的組合中，活性炭可以對超濾膜進行預處理，從而明顯提高超濾膜對有機物和消毒副產物的處理效果。大量實驗表明，此工藝能夠去除大部分有機物，但是水通量不能增加。因此，要對此工藝進行繼續研究，增加膜的水通量，提高對污染的抵御能力，才能提高超濾膜的水處理工藝水平。

可采用機械過濾、混凝、殺菌等方法對水進行預處理，從而降低膜污染。預處理能夠改變污染物的粒徑分布，對污染物間的相互作用產生影響，減少污染物在膜表面的沉積性，抑制微生物的生長。混凝是應用比較廣泛的預處理方法，通過投放混凝劑能夠降低膜污染，增加膜通量，并且效果顯著。

使用強氧化劑、過氧化氫等改變有機物的組成部分，從而改善水質。對于一些預處理產水量低、碟片過濾器穿透嚴重等現象，可以進行工藝改造，，比如在疊片過濾器前加裝投放混凝劑的裝置；在秋雨季節對水中的離子膠體含量進行控制，能夠減輕計劃層對超濾膜的影響。在疊片后防止雙介質過濾器進行粗處理；在春夏季節菌藻類繁殖季節，通過采取抑制超濾進水，來減少菌藻類、大分子、膠體對超濾膜的影響。

5.2 加強混凝劑超濾膜組合工藝的應用。使用混凝劑可以減少超濾膜中空纖維膜的污染，并且混凝劑效果顯著，可以明顯降低跨膜壓差的增加，提高對有機物的去除效果。混凝/超濾膜組合工藝可以對水中任一種有機物進行清除，對濁度去除率較高，對TOC的去除率也在50%左右。此工藝對水的利用效率在80%左右，并且能夠引入生物，將生物同工藝進行結合，水體凈化效果更顯著。

5.3 加強對工藝的創新研究。世界各國對以上兩種工藝的研究較多，并且效果明顯。也可以將兩種方法進行結合，超濾膜和粉末活性炭，同紫外線消毒工藝融合，能夠進一步提高超濾膜的過濾能力，并在過濾過程中對小分子物質進行吸附，減少紫外線消毒的副產物。這種工藝可以降低水體的濁度，吸附/超濾膜工藝能夠對水中的氟元素進行過濾，選擇適當的活性氧化鋁顆粒，減少膜區的曝氣現象，沉淀區和反應區的回流比控制在0.5左右，可以提高對氟元素的去除效率，并且超濾膜的污染量少，超濾膜工作時間長。通過對超濾膜的技術創新，可以促進科技創新，逐步轉變經濟發展方式，促進企業健康發展，企業在獲得經濟效益的同時可以或的社會效益、生態效益。

6、結語

超濾膜技術是有效的環保水處理技術，對廢水處理影響深遠。超濾膜水處理技術具有良好的物化性能和分析性能，能夠滿足環境工程水質要求。超濾膜水處理技術能夠減少水中的膠質、懸浮物，有效解決水資源污染和匱乏的問題，超濾膜技術的成本低，擁有較好的經濟效益。隨著水資源污染的日益嚴重，對污水進行處理需求量越來越大，超濾膜技術可以有效地實現污水過濾，膜技術已經成為當前國內外研究的熱點課題。膜污染的控制是膜技術能否得到大范圍推廣的關鍵。通過對膜污染原理的分析，尋找可以對膜污染進行控制的技術，對超濾膜進行實時監測，對膜處理過程進行優化，提高超濾膜性能是今后膜組合工藝的主要方向。對膜污染原理進行了解，可以為膜研究和開發提供思路，延緩膜污染、膜的實時監控、膜為核心的組合工藝等是膜研究的前沿方向。

參考文獻：

[1]彭婷.PVC超濾膜處理生活污水及膜污染控制研究[D].海口：海南師范大學，2015.

[2]劉紅.臭氧預處理對污水二級出水超濾過程中的膜污染層形成控制研究[D].北京：北京工業大學，2014.

[3]范茜，陳愛因，田青.超濾技術在飲用水處理行業的應用及發展展望[J].天津科技，2014（02）：11-14.