膜法水處理中膜污染的化學(xué)控制研究進(jìn)展

鄭智華 宗天宇

摘 要：膜生物反應(yīng)器（MBR）結(jié)合了生物反應(yīng)器有效去除有機(jī)物及膜組件優(yōu)質(zhì)出水的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于城市污水和工業(yè)廢水處理領(lǐng)域。膜污染問題是阻礙MBR技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸。因此，對膜污染的分析研究尤為重要。為此，首先，簡介了膜污染的定義、作用機(jī)理、特點(diǎn)、類型和表征。然后，對膜污染的影響因素，尤其是EPS、SMP、水力條件和膜材料進(jìn)行了分析。接著，從水力、化學(xué)和生物三方面闡述了膜污染的控制措施。最后，展望了膜污染控制的研究方向與前景。

關(guān)鍵詞：膜過濾;化學(xué)法;膜污染控制

引言

膜過濾是一種高效的水處理技術(shù)，然而膜污染限制了其推廣應(yīng)用。膜污染可降低膜的使用性能，并使處理成本增加，因此減輕和控制膜污染至關(guān)重要。目前，控制膜污染的方法一般分為物理法、生物法和化學(xué)法。物理法是利用膜同目標(biāo)污染物的相對運(yùn)動(dòng)使污染物質(zhì)從膜上去除，包括正沖洗、曝氣和反沖洗等;生物法主要是借助殺菌劑去除膜表面或膜內(nèi)附著的微生物。化學(xué)法包括化學(xué)改性、電化學(xué)輔助和化學(xué)清洗等，其對膜的不可逆污染具有良好的反饋表現(xiàn)。膜法水處理中，當(dāng)膜內(nèi)污染物逐漸累積后，可以使用化學(xué)方法對其進(jìn)行有效控制。化學(xué)法可使膜通量恢復(fù)良好，使膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)保持完整，即不會(huì)因較高強(qiáng)度的機(jī)械運(yùn)動(dòng)造成膜結(jié)構(gòu)的損壞。化學(xué)法控制膜污染是當(dāng)前膜污染控制研究的熱點(diǎn)。筆者介紹和概括了化學(xué)法控制膜污染的最新研究進(jìn)展，總結(jié)了化學(xué)控制膜污染的主要技術(shù)手段，闡述了其主要技術(shù)原理及應(yīng)用領(lǐng)域，并對該方法的研究重點(diǎn)和方向進(jìn)行了展望。

1膜污染概念及污染機(jī)理

膜污染是指在MBR工藝運(yùn)行過程中，廢水中的微粒、微生物新陳代謝過程中產(chǎn)生的胞外聚合物（EPS）和溶解性產(chǎn)物（SMP）等在各操作條件下，通過相互作用在膜表面或膜內(nèi)部沉積，改變膜孔徑及膜面結(jié)構(gòu)，通常利用單位時(shí)間單位面積產(chǎn)水量和膜兩側(cè)壓力的差值（TMP）表征膜的污染狀態(tài)。膜的污染機(jī)理比較復(fù)雜，依據(jù)目前對于MBR工藝在實(shí)際應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)過程中的研究，造成膜污染的主要原因有：（1）濃度極差：進(jìn)行泥水分離過程中，靠近膜表面的截留物濃度遠(yuǎn)大于反應(yīng)池中各物質(zhì)的濃度，使兩者之間形成濃度梯度，進(jìn)而膜表面截留物質(zhì)向原水中進(jìn)行擴(kuò)散，形成邊界層，增加流體阻力，降低膜通量;（2）有機(jī)物污染：由于膜內(nèi)部氧含量較低，膜表面吸附的有機(jī)物不能得到快速分解，長期在缺氧條件下，形成黑色物質(zhì);水中金屬離子與水中大分子物質(zhì)相互作用，黏附在膜表面，形成膜污染;微生物分泌的EPS具有一定的黏附性，在水力條件作用下，吸附在膜表面或內(nèi)部，增強(qiáng)膜污染;（3）無機(jī)物污染：水中金屬離子除了與大分子有機(jī)物的相互作用，其本身由于膜自身的高效截留作用，會(huì)在膜表面和內(nèi)部吸附結(jié)垢，使膜孔徑變窄，形成膜污染;（4）微生物污染：膜分離與污泥法的結(jié)合，不可避免的使微生物接觸膜表面，進(jìn)而吸附形成生物膜，產(chǎn)生膜污染，同時(shí)由于微生物的老化，分解出大分子物質(zhì)，加劇了污染膜的程度。

2膜污染化學(xué)控制技術(shù)

2.1電化學(xué)抑制

電化學(xué)抑制法主要針對具有一定電導(dǎo)率的處理水。在進(jìn)行膜過濾時(shí)，按一定時(shí)間間隔施加電場，膜表面及其附近的帶電粒子或分子就會(huì)在電場輔助作用下沿電場方向發(fā)生遷移，由此可以去除在膜表面沉積的帶電污染物，控制膜污染，提高膜過濾效果。利用2個(gè)浸沒在膜模塊周圍的圓柱形穿孔電極可以將電化學(xué)過程整合到膜生物反應(yīng)器（membranebioreactor，MBR）中，穿孔電極形成的電場在MBR系統(tǒng)中可起到一定輔助作用，使出水水質(zhì)得到提高，膜污染受到抑制。相比于其他化學(xué)控制法，該方法的能耗相對較高，因此如何降低能耗是一個(gè)關(guān)鍵性問題。可以采用周期性施加電場及合理組合資源的方法降低能耗。以污水為基質(zhì)制備了微生物燃料電池，該電池能夠產(chǎn)生生物弱電場，而利用產(chǎn)生的電場可以控制松散胞外聚合物中多糖類的小分子污染物，從而在能耗較低的條件下有效地抑制了不可逆的膜污染。目前，關(guān)于利用電化學(xué)來控制膜污染的相關(guān)研究還較少，但是電化學(xué)抑制仍不失為控制膜污染的一種手段及研究方向，該方法的應(yīng)用具有很大前景。

2.2組合處理

化學(xué)控制技術(shù)中的組合處理是利用多種工藝的有效組合來提升對膜污染的控制效果。單一的化學(xué)工藝常因方法的局限性造成膜污染去除得不徹底，導(dǎo)致出水水質(zhì)不及預(yù)期和處理成本增加等問題。多種工藝組合能夠強(qiáng)化對膜污染的控制，因此該方法具有非常廣泛的應(yīng)用前景。目前，化學(xué)控制膜污染中的組合處理主要采用氧化、混凝或超聲分解之間的復(fù)合應(yīng)用。采用高錳酸鉀預(yù)氧化強(qiáng)化混凝的方法來控制膜除藻工藝的膜污染，結(jié)果表明，高錳酸鉀可有效地與有機(jī)物反應(yīng)，破壞了膠體表面的有機(jī)物涂層，起到了壓縮雙電層的作用，并且中間產(chǎn)物可以吸附藻細(xì)胞和有機(jī)物，使混凝效果得到大幅提升，該組合工藝有效控制了膜污染。采用高錳酸鹽預(yù)氧化和鋁鹽混凝的組合工藝，也可有效控制由藻類細(xì)胞外有機(jī)物（EOM）引起的超濾膜污染。將臭氧氧化和超聲分解進(jìn)行組合作為膜生物反應(yīng)器前的預(yù)處理工藝，可以有效去除雙氯芬酸、磺胺甲惡唑和卡馬西平等藥物（去除效率68%～80%），并對MBR中的微生物代謝產(chǎn)物產(chǎn)生影響，從而可有效減少膜污染。在一定的條件下，使用紫外光輻射和混凝組合也可以有效抑制膜污染。

結(jié)語：

在膜污染的控制中，化學(xué)法操控良好，處理高效，在該領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。膜材料化學(xué)改性和電化學(xué)輔助可有效抑制膜污染，但需要考慮膜材料成本和運(yùn)行能耗等問題。選擇合適的藥劑進(jìn)行化學(xué)清洗，可使受污染膜再生。針對具體膜污染的特性，選用多種工藝組合往往較單一工藝具有更好的效果。在考慮化學(xué)控制膜污染的效果和實(shí)用性之外，今后在該領(lǐng)域還可以在以下幾方面進(jìn)行拓展和深入研究：（1）探究水處理過程中的膜污染機(jī)制及膜污染特征，為化學(xué)控制膜污染方法的合理選擇提供依據(jù);（2）加強(qiáng)對化學(xué)控制法中組合處理工藝的研究，合理有效地利用組合處理工藝提高膜污染控制效率;（3）建立化學(xué)控制膜污染中處理水的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)對不同處理水風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的預(yù)測及分析，避免二次污染。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

第一作者：鄭智華（1998.7-）男，漢族，學(xué)生，浙江省舟山市，單位：鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，專業(yè)：給排水科學(xué)與工程

第二作者：宗天宇（1998.4-）男，漢族，學(xué)生，河南省杞縣，單位：鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，專業(yè)：給排水科學(xué)與工程