超濾膜在高藻水處理中的應用

王萌萌，鄭洪領，韓雯雯，李滿屯

（中國城市建設研究院有限公司山東分院，濟南 250101）

隨著生產技術的發展，人們的生活水平不斷提高，水體富營養化卻日趨嚴重。水體富營養化不僅破壞生態環境，還會影響水質，特別是嗅味、色度等生態指標。富營養化水體多為高藻水，藻類會大量分泌藻毒素、產生致病原生動物，影響水域環境，甚至引發用水人、畜等中毒，影響水處理過程。高藻水會影響混凝-沉淀工藝的處理效能，藻類可能會造成濾池堵塞，甚至穿透濾池；藻類還會釋放大量藻毒素，待處理水中藻毒素含量上升，難以通過常規處理工藝去除；藻類的新陳代謝會產生惡臭物質，死亡腐爛更會導致水體感官指標下降[1]。

目前，我國給水廠通常采用“混凝-沉淀-過濾-消毒”的常規處理工藝，難以去除藻細胞，對藻類釋放的可溶性有毒物質去除效果也十分有限。高藻水處理的工藝以藻類數量的減少、防止藻類對常規工藝的運行影響為主，相應地，高藻水去除研究也集中在藻類數量降低，如增加化學預氧化、改善混凝條件、投加粉末活性炭等方法[2]。超濾膜能有效去除包括隱飽子蟲、賈第鞭毛蟲、細菌和病毒在內的各種微生物，可有效去除顆粒狀物質，同時對藻類的去除效果良好。超濾膜孔徑小于0.1 μm，藻類的大小在一到幾百微米，理論上說，超濾膜可以截留全部藻類[3]。因此，本文分析了超濾技術在高藻水處理中的可行性，認為在常規水處理工藝的基礎上增加超濾工藝處理高藻水是水廠的重要發展方向。

1 超濾膜的優勢

1.1 對藻細胞的去除效果

藻類是所有植物中最古老的，其大多生活在水中。它們的結構非常簡單，我國學者一般將藻類分為11門：藍藻、隱藻、黃藻、紅藻、硅藻、褐藻、裸藻、甲藻、金藻、綠藻、輪藻，不同的藻類體型差異很大。

在我國，富營養化湖泊和水庫的藻類中，藍藻占優勢的。藍藻門中的銅綠微囊藻是最常見的一種，細胞以球形、近球形為主，直徑3～7 μm。

超濾介于微濾和納濾之間，平均孔徑在3～100 nm。國內外研究學者已經證實，銅綠微囊藻的細胞直徑遠大于超濾孔徑，理論上講，超濾膜可以截留全部藻細胞。梁恒等人通過試驗證明，PVC超濾膜對原水中的銅綠微囊藻細胞去除率為100%[4]；Campinas發現，醋酸纖維超濾膜可以完全截留原水中的銅綠微囊藻細胞[5]。

1.2 對藻類產生的胞外分泌物的去除效果

胞外分泌物是指藻類在生長過程中釋放的有機物質，在不同的生長階段，胞外分泌物的種類也不同。以銅綠微囊藻為例，其產生的主要分泌物有碳水化合物、核酸、蛋白質和一些小分子物質（如藻毒素）[6]。藻類的胞外分泌物主要由多聚糖類物質組成，碳水化合物和羰基化合物占比為60%～80%[7]。藻毒素的含量很小，其危害卻很大。微囊藻毒素中微囊藻毒素-LR（MC-LR）是藍藻中某些藻屬細胞代謝和分泌的主要毒素之一，截留分子量僅為900～1 000，卻是富營養化水中最常出現、危害最嚴重、數量最大的藻毒素[8]。我國《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）規定，微囊藻毒素-LR最高濃度為0.001 mg/L。

超濾膜具有一定的去除這些溶解性有機物的能力，但其作用機理不同。截流作用可以去除分子較大的碳水化合物；吸附作用可以去除部分蛋白質等小分子，藻毒素的濃度、親水性和疏水性以及超濾膜材料等條件決定了吸附作用對其去除效果。研究發現，在超濾膜過濾初期，MC-LR去除的主要原因是由于疏水性和氫鍵吸附。當吸附逐漸趨于平衡時，由于污染，膜孔徑逐漸減小。超濾膜可以通過截留作用去除一些藻毒素[9]。

一般來說，超濾膜對可溶性有機物去除效果一般。因此，當超濾膜用于處理富營養化水體時，需要與其他預處理工藝相結合，如混凝、預氧化等，加強其對有機物的去除能力。唐凱峰等通過試驗證明，“高錳酸鉀預氧化+粉末活性炭吸附+混凝氣浮+超濾”的組合工藝處理微污染水庫水，出水水質能穩定地達到《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）的基本要求，可作為現有水廠升級改造方案[10]。高錳酸鹽和聚氯化鋁（PAC）聯合使用，投加量分別是0.5 mg/L和1 mg/L時，可以使藻細胞失去活性，而且細胞壁不破裂，從而防止胞內物質外泄。同時，二氧化錳可以吸附在藻細胞表面，增加沉降速度，從而大大降低了超濾膜的跨膜壓差，有效緩解膜污染，提高對可溶性有機物的去除能力[11]。

2 膜污染

超濾膜作為生物膜的一種，在其運行使用過程中同樣會出現膜污染。

2.1 膜污染的原因

采用超濾技術過濾時，高藻水中的顆粒、膠體離子和溶質分子會由于物理化學和吸附作用被吸附或沉積在膜表面或膜孔中，從而導致膜孔徑減小甚至堵塞，造成膜污染[12]。膜污染后，超濾膜通量減少，膜分離特性改變，膜的使用壽命縮短，運行成本增加。因此，膜污染是制約超濾膜技術在高藻水處理中應用的主要因素，膜污染問題亟待解決。

2.2 膜污染的防治

防治膜污染技術大致可分為兩類：一是膜自身特性的改進；二是膜表面流動的改善，膜組件中的流體流動，可以減少膜污染和濃差極化[13]。

對超濾膜自身特性進行改進的方法有：用表面活性劑在膜表面的吸附改性，等離子體改性，用紫外輻照方法改性，輻照接枝聚合改性，高分子合金改性以及表面化學反應改性等[14]。

膜表面流動的改善方法主要有兩類；一類是在膜過程中采取一定的操作策略，主要有兩相流超濾、電超濾與電納濾、脈沖流操作、振動膜組件、超聲波照射等；另一類是優化和改進膜組件及膜系統結構設計，提高膜面處剪切流速及流體的紊動，降低膜污染與濃差極化，主要包括沖壓構形、扭轉彈簧式設計、正交流設計等方面[15]。

2.3 超濾膜的清洗

為保障膜的使用性能，要定時對超濾膜進行清洗，清除膜孔道內的雜質，提高膜通透量。超濾膜的清洗方式主要是物理清洗和化學清洗兩種，清洗方式的選擇取決于膜的性質和處理液的性質。物理清洗包括氣體脈沖清洗、水力清洗、超聲波清洗等。其中，水力清洗方式最常用，通常采用反沖洗、低壓高速清洗、反壓沖洗、等壓清洗、負壓清洗等[16]。清洗時，水流速越大，產生的剪切力越大，便能更好地去除膜表面的雜質。若物理清洗不能很好地去除雜質時，用化學清洗能達到更好的效果。化學清洗劑的選擇應遵循以下原則：使膜表面雜質松動，溶解雜質或使其分散在水中；對膜起到消毒作用；對膜處理系統起到消毒作用；無毒、安全；具有化學穩定性；對環境影響小，殘留在系統中不影響物料的特點[17]。化學清洗包括螯合劑、酸洗、堿洗、氧化還原法、表面活性劑及酶洗滌劑等復配方法。為使膜組件的通量得到更好的恢復，可將物理清洗和化學清洗結合使用[18]。

2.4 超濾膜的再生

清洗也無法使超濾膜的性能恢復時，需對超濾膜進行再生，消除膜表面形成的凝膠層。首先就要破壞附著在膜表面及積蓄在膜孔內相互結合的物質；然后是降解堵塞在膜孔里的大分子物質；最后利用大量的水進行沖洗。這樣可以有效去除阻塞物，使超濾膜再生。超濾膜再生的常用方法主要有：離子水再生法、酶再生法、洗滌劑清洗再生法、稀酸再生法、稀堿再生法、過氧化氫再生法及酸性臭氧溶液再生法等[19]。錢俊青等發現，利用酸性高錳酸鉀液對超濾膜進行再生，效果明顯，尤其是對被生物大分子物質污染的超濾膜，基本能使膜的分離性能復原，操作簡便，成本低，對膜結構影響甚小，應用前景良好[20]。

3 結論

超濾膜不僅可以去除水中的藻類，還可以去除水中的原生動物、細菌、病毒等微生物。超濾膜過濾具有操作簡單、見效快等優勢，可以與現有水廠的常規水處理工藝結合，充分發揮各工藝的優勢，增強水質凈化力度，對水中的有機物、濁度、致病微生物、胞外分泌物等均有較好的處理效果。此外，超濾膜過濾與預氧化等工藝結合使用，可以滿足人們對水質日益增高的要求，大大提高出廠水的化學安全性和生物安全性。但是，超濾膜在使用過程中會出現膜污染等問題，人們需要分析膜污染原因，通過化學、物理方法進行膜清洗和再生，從而恢復膜性能，節約膜使用量。隨著生產成本的降低和品種的增多，超濾膜的應用范圍將會逐漸擴大，由此可以看出，超濾膜技術是水廠高藻水處理的重要發展方向。

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