水中膠體和顆粒物對超濾膜污染的影響研究

周勤岸

摘要：由于超濾技術對顆粒物和微生物去除效果的優越性和持續性，已經在飲用水凈化廣泛應用。然而，膜污染問題影響了超濾膜的應用，本文以聚合氯化鋁和A1粉作為加標物，模擬水中膠體和顆粒物對超濾膜污染的影響。

關鍵詞：膠體;顆粒物;超濾膜污染;影響

近年來，由于環境污染日益嚴重，越來越多的人開始關注飲用水的安全，飲用水水質標準也日益嚴格。由于超濾技術對顆粒物和微生物去除效果的優越性和持續性，已經被越來越多的應用于給水處理【1】。然而，膜污染是膜過濾技術的一個主要挑戰。在膜操作期間，膠體、微生物和天然有機物質（NOM）的積累是結垢的主要原因。當膜污染累積時，流量下降并且操作壓力也會增加【2】。由于各地水質不一致，導致同款超濾膜在不同地區的使用壽命有很大差別。通過分析客戶退貨，我們猜測主要是不同地區水質的膠體和顆粒物含量不同，導致膜污染的程度不一樣。為了驗證這一猜測，試驗中用聚合氯化鋁模擬膠體、用A1粉模擬顆粒物，對超濾膜濾芯進行了全程加標，分析造成超濾膜流速衰減的主要因素。

1 ?試驗裝置與方法

1.1 ?試驗材料

加標原水：采用“自來水+管道超濾”的出水作為加標原水，注意超濾前的水壓應低于0.4MPa，防止超濾膜損傷。加標原水的渾濁度≤0.2NTU。

A1粉：亞利桑那試驗超細粉塵ISO 12013-A1，顆粒尺寸在0～100μm之間，其中0～1μm粉塵占比≤1%，1～5μm粉塵占比>50%。以下簡稱A1粉。作為模擬顆粒物的加標物。

聚合氯化鋁：天津鼎盛鑫，500g瓶裝。水解產物對水中懸浮物有優良架橋吸附作用，絮凝體形成快、沉降速度快，能快速形成類似膠體的物質，作為模擬膠體的加標物。

超濾膜濾芯：S廠家超濾膜濾芯（膜元件長189mm，膜面積0.6m2），標稱壽命值5400L，作為待測濾芯。

1.2 ?試驗工具

加標桶、變頻泵、減壓閥、壓力表、快速接頭、PE管型號及長度（3/8、1/4，長度<1.5m）、水表、臺式濁度儀、電子稱

1.3 ?試驗過程

分別用①A1粉5NTU、②聚合氯化鋁10mg/L、③A1粉1NTU+聚合氯化鋁10mg/L、④A1粉1NTU+聚合氯化鋁3mg/L、⑤A1粉1NTU+聚合氯化鋁1mg/L，這5種加標狀態進行了超濾膜的壽命試驗。超濾膜在加標測試前先用加標原水沖洗15min進行前處理。

試驗步驟：按“加標桶→變頻泵→壓力表→球閥→待測超濾膜濾芯→水表”的方式連接好系統（具體連接方式參照圖1），通過調節變頻泵使超濾膜前的壓力表讀數顯示為0.25MPa;打開加標桶球閥，先通加標水沖洗超濾膜濾芯5min，之后開始測試待測超濾濾芯初始出水流速、進水流速、出水濁度，并記錄泵顯示的實際壓力。注意超濾濾芯進水流速范圍為3～5L/min;每過水約1350L，測試待測超濾濾芯出水流速、進水流速、出水濁度。直至超濾濾芯出水流速低于2L/min，且泵實際顯示的壓力接近設定壓力時，視為待測超濾壽命終止。

注意事項：管道超濾壽命為20T，到壽命后需反沖洗或更換濾芯;變頻泵要求水位高離泵進水管至少2m;需等加標水進入泵后再開泵;每次開泵后，加標水通入濾芯前，先拔出待測超濾濾芯前的管子排掉管道內的空氣;整個壽命測試過程中，攪拌桶均需處于攪拌狀態。

2 ?試驗結果

3 ?試驗結果分析

3.1 顆粒物對超濾膜通量的影響

從圖2可以看出，單純的A1粉加標對超濾膜通量影響不大。劉永旺等研究發現，粒徑范圍在0.0 1～1.2 0μm 的膠體和顆粒物是造成膜通量下降的主要因素.，該粒徑范圍顆粒物會在超濾膜表面形成泥餅層，尤其是粒徑范圍較小的部分會進入膜孔內部或堵塞膜孔，從而使膜污染阻力增加，膜通量下降[3] 。因A1粉中0～1μm粉塵占比≤1%，而超濾膜孔徑在0.01～0.2μm之間，所以A1粉中大部分的顆粒是進入不了超濾膜孔的，只能在表面形成濾餅層。由于超濾膜納污能力較強，因此5NTU的A1粉加標對超濾膜的污染程度有限。一般市政自來水的渾濁度限值是1NTU，在S廠家超濾膜5400L壽命范圍內，不會是造成超濾膜流速衰減的主要原因。除非是進水水質中≤1.2μm的顆粒特別多。

3.2 膠體對超濾膜通量的影響

從圖2可以看出，單純加標聚合氯化鋁10mg/L，超濾膜流速急劇衰減，過水500L流速降到2L/min以下。而將A1粉與聚合氯化鋁混合后加標，超濾膜流速衰減有所減緩，推測是聚合氯化鋁水解形成大量孔徑在0.01～0.2μm的沉淀物，進入膜孔內部或堵塞膜孔，而A1粉加入后，聚合氯化鋁能捕捉A1粉形成較大孔徑沉淀物，而減少對超濾膜孔的堵塞。當A1粉量不變，聚合氯化鋁由10mg/L減量到3mg/L，超濾膜的壽命逐漸延長，減量到1mg/L時，壽命達到5400L。可見聚合氯化鋁所形成的膠體物質是導致超濾膜流速衰減的主要原因。

4 結論

（1）膜污染指數與膠體相關性較好，與濁度相關性較差，水中膠體物質是試驗條件下膜污染的主要物質。

（2）膜孔堵塞是最初始的污染階段，也是顆粒物/膠體帶來的最嚴重污染。當更多的顆粒物/膠體持續沉積在初始污染層上，膜污染就發展為濾餅層污染。

（3）水中一定濃度的顆粒物，可以減緩膠體物質對超濾膜的污染。

（4）通過在超濾膜前面增加有效的預處理裝置，控制原水中顆粒物和膠體物質的量，可以減緩超濾膜的污染。

參考文獻：

[1] 敖 漉，劉文君，方振東，王小毛.超濾膜污染的主要成因與控制膜污染的預處理技術[J].后勤工程學院學報，2017，33（4）：41-47.

[2] 朱軒慧，唐玉蘭.超濾膜污染的主要成因分析[J].科技風，2017年6月下：140.

[3] 劉永旺，李星，楊艷玲，任家煒，王偉強，周志偉.混凝/吸附預處理對超濾膜過濾特性的影響[J].北京理工大學學報，2014，34（6）：638-643

[4] 張晨.超濾膜污染及其預防方案比較[J].石油化工設計，2011，28（2）：62-64

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