淺析反滲透膜技術中防治膜污染的主要方法

鐘鑫蓮，曹楚琦，王俊東，秦桐，阮洪圖，徐水洋

（北京科技大學天津學院，天津301830）

1 膜污染的概念及危害

1.1 膜污染的概念

膜污染是指壓力驅動膜過程運行時，膜與處理物料中的微粒、膠粒或溶質分子發(fā)生物理、化學相互作用，或因濃度極化使得某些溶質在膜表面的濃度超過其溶解度及機械作用，從而在膜孔或膜表面內吸附、沉積，造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過流量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象[1]。

1.2 膜污染的危害

在反滲透分離過程中，膜污染是一個不容忽視的難題，其出現(xiàn)不僅造成了反滲透裝置的去除率降低，還導致產(chǎn)水量的大幅度下降，嚴重影響著膜的使用壽命，大大增加了操作成本[2]。

2 膜污染的分類

從污染種類考慮，膜污染通常包括有機污染、無機污染、生物污染和膠體污染。

2.1 有機污染

有機污染是目前反滲透行業(yè)最難解決的問題。前處理系統(tǒng)投加有機藥劑不當或原水中含有有機物都將造成膜的污染。反滲透膜是有機材料，藻類、細菌、病毒等容易在上面滋生和繁殖。而反滲透進水中存在的較多有機物質（BOD5）和給水中被添加過量的有機阻垢劑，再加上反滲透給水溫度適宜，同樣會促使微生物的迅速生長。當膜表面滋生出大量生命力旺盛的微生物時，覆蓋在膜表面的微生物及其代謝產(chǎn)物不僅會堵塞膜孔，導致膜在運行過程中壓差上升，其脫鹽能力和產(chǎn)水量下降，而且還會破壞反滲透膜的脫鹽層，且這種破壞是不可恢復的[3]。

2.2 無機污染

無機污染一般發(fā)生于反滲透膜系統(tǒng)最后一級的末端膜元件，少數(shù)特例（如鐵、錳等污染）存在于反滲透膜系統(tǒng)第一級的最前方膜元件[4]。當溶液中的一種或多種陽離子超過其溶解極限后會沉積在膜表面，這將造成膜表面嚴重結垢，甚至破壞膜的物理性質，導致反滲透運行壓力升高，產(chǎn)水量減少。由于污垢難以去除且孔堵塞不可逆，無機污染后的膜性能基本無法恢復。

2.3 生物污染

反滲透組件內的環(huán)境濕潤弱光，恰好有利于微生物的滋長，為防止其以反滲透膜為依存載體，借助濃水段的營養(yǎng)鹽而不斷擴散增長，必須在微生物進入反滲透系統(tǒng)前采取強有力的手段將其去除。此外，預處理階段也是微生物污染產(chǎn)生的源頭之一。如遇適宜溫度，微生物能在短時間內快速生長，從而在組件表面形成生物膜層，堵塞反滲透系統(tǒng)的進出水通道，使進出水間的壓力差不斷加大，導致產(chǎn)水量與脫鹽率快速下降，同時也使產(chǎn)品水的水質被污染。在日常操作中，一旦前期投加的絮凝劑過多，將導致懸浮物質大量聚集，微生物找到適宜的溫床進而在上面不斷滋生。

2.4 膠體污染

反滲透進水中的淤泥和膠體，澄清池或多介質過濾器中用于預處理的藥劑，如果無法正常地被去除或截留住，也會污堵組件[1]。此外，帶正電性的聚合物與帶負電性的阻垢劑也會因反應而沉淀，從而污染膜元件。

3 膜污染防治技術的研究進展及發(fā)展趨勢

3.1 膜污染防治技術的研究進展

常用的膜污染防治方法有物理方法和化學方法兩種。物理方法有物理清洗、操作條件的優(yōu)化等。化學方法包括原料液預處理、膜改良和化學清洗等。其中化學方法是提高反滲透膜元件各項性能的有效方式，國內外的研究也大多圍繞此類方法開展。

3.1.1 物理方法

①物理清洗。物理清洗指采用機械處理手段將污染物從膜表面清除，包括低壓高流速清洗、反壓清洗等。然而，這些清洗方對應的設備設計和操作控制較為復雜，且清洗效果不佳，所以一般情況下不予考慮。現(xiàn)在也有人采用超聲波清洗膜面，如董慧茹等人探討，利用超聲空化產(chǎn)生的微射流除去或削弱膜的邊界污層，增加攪拌作用，降低污染物微粒在膜表面的附著量，使其更易隨濃水移去。該法雖然尚未廣泛應用，但將來很可能成為一種有效的清洗方法。②操作條件的優(yōu)化。操作壓差、時間及溫度和膜面流速等操作條件是膜法水處理技術中影響膜污染的主要因素。一般在膜過濾過程中采用低壓操作、亞臨界通量操作、恒通量操作等方式來控制操作壓差，防治膜污染。其運行周期長短則需根據(jù)水質情況、膜清洗狀況等因素來確定。適當提高原料液的溫度，可以增大反向擴散系數(shù)，加快分子的擴散速度，提高膜通量。膜面流速在一定范圍內的提高則會減少膜面溶質的濃度，減弱凝膠層的影響，且有利于減輕膜的微生物污染，提高膜通量。

3.1.2 化學方法

①原料液預處理。原料液預處理是指在原料液過濾前進行預絮凝、預過濾或改變溶液pH 值等，使原料液的性質或溶質的特性發(fā)生變化，以去除一些與膜發(fā)生反應的物質，從而提高過濾通量。HUANG 等人為研究如何有效抑制膜污染，采用了混凝與磁性離子交換樹脂（MIEX）相結合的手段。研究發(fā)現(xiàn)，在抗污能力上，當混凝劑投加量較低時，此法與單獨使用混凝劑的效果一致，證實混凝劑和MIEX 相結合的方法能有效降低膜污染，同時也降低了單獨使用MIEX 時的費用，提高其再生性。②膜改良。目前，防污膜改性材料以聚合物為主，典型代表為聚醚砜(PES)和聚砜。因其機械性能優(yōu)異，化學穩(wěn)定性好，在膜材料領域被廣泛應用。但材料疏水性強的缺點，仍是制約其快速發(fā)展的主要原因。為大幅度提高其防污性能，可將親水性單體或極性基團引入膜材料進行改性。常用的改性材料主要為金屬氧化物納米粒子、兩性離子聚合物、丙烯酸酯等。通過引入金屬氧化物納米粒子制備納米復合膜，可在增加水通量的同時有效實現(xiàn)抗污。兩性離子聚合物生物因其相容性優(yōu)異，可在材料表面形成一層強水合層，加之位阻的影響，即可有效阻止蛋白質在材料表面的粘附。另外，丙烯酸酯聚合物也常常被用作涂覆材料。③化學清洗。化學清洗，指利用化學試劑改變污染層表面化學性質或污染物結構形態(tài)，以此消除膜污染。化學清洗既可用于原位清洗，又可用于膜組件分離后的清洗，是目前已知去除膜污染的相對最有效的方法。常用的化學清洗劑包括酶、氧化劑、酸、堿、表面活性劑和金屬螯合劑等。

3.2 膜污染防治技術的發(fā)展趨勢

膜污染的成分中主要是生物膜和微生物胞外聚合物，利用微生物產(chǎn)生的酶降解污染物，是目前比較新穎的研究方向。現(xiàn)階段，國內外對膜技術中膜污染問題的研究，大多圍繞化學方法展開，膜材料化學改性和電化學輔助均可有效抑制膜污染，但膜材料成本和運行能耗等因素依舊不可忽視。選擇合適的膜材料和組件、優(yōu)化操作條件、改進膜前預處理工藝、提高膜的進水水質等手段均可有效延緩膜污染，降低膜污染的程度。針對不同膜的特點及污染情況，采用不同的物理和化學技術相結合的方式，是目前最行之有效的方法，未來的研究也將就此展開。

4 結語

膜污染依舊是反滲透膜分離技術應用中不可避免的問題。雖然現(xiàn)在國內外延緩膜污染的方法有很多，但都無法徹底解決膜污染問題。我們仍需利用各種手段不斷探討其確切的污染機理，用以尋找適合不同情況的治理方法，以此來優(yōu)化膜的性能，延長膜的壽命。