碟管式納濾膜在生活用水處理中的作用

劉偉麗

（蘇州寶典環?？萍加邢薰?，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

碟管式納濾膜是由基膜層、基膜層上的改性分離層組成，制作改性分離層，需要用到納米氧化物、兩性雙子表面活性劑、聚哌嗪酰胺，其中兩性雙子表面活性劑的作用是處理納米氧化物，加強分布的均勻性，也可以優化改性處理成效。界面聚合也可以在兩性雙子表面活性劑作用下，經過遷移之后提高納米氧化物分散的均勻性，也可以避免大量使用納米氧化物導致的成本浪費。當納米氧化物分散性得到改善之后，兩性雙子表面活性劑膜性能、納濾膜過濾性也有所優化，加強碟管式納濾膜的過濾效果，加上制作流程相對簡單，所以適合應用于生活用水處理中。

1 生活用水處理中碟管式納濾膜的應用要求

1.1 應用原理

處理生活用水采用碟管式納濾膜，在不同的處理條件下要了解元件分離屬性、產水水質，總結最為有效的運行條件，一般設置的重點為運行壓力、進水溫度最小濃水流量，分別以1 MPa、大于25 ℃、300 E/h為準[1]。分析生活用水的原水水質，也能夠對污染物成分、膜污染程度進行準確預測，確定設計預處理系統方案，制定污染處理方案。碟管式納濾膜結構如圖1所示。

圖1 碟管式納濾膜內部結構

1.2 碟管式納濾膜必要性

在應用碟管式納濾膜時，應該對掃描電鏡、紅外光譜、EDS能譜等進行分析，觀察進水端到出水端的膜污染情況與程度，總結了污染物的成分，一般包括有機污染、生物污染等。總結生活用水處理中碟管式納濾膜的膜污染特性，分析了導致污染的根本原因，污染物成分中包括難溶鹽，如果難溶鹽濃度提升，隨即會在膜表面析出了大量的無機結垢，而且有機物經過吸附之后也會產生有機污泥層，在多種細菌作用下產生生物污染，降低生活用水的水質。

1.3 應用優勢

隨著我國工業水平的不斷提升，污染問題逐漸增多，自然水體受到污染會使自來水廠生產面臨更大的壓力，威脅到生活用水安全。采用納濾技術是以反滲透技術、超濾技術為載體的全新高效分離手段，將飲用水含有的硬度成分、可溶性有機物等全部去除，憑借離子選擇透過性的優勢，保留水體中的礦物質元素[2]。

將該技術與傳統納濾技術進行對比，碟管式納濾膜需要同時使用納濾膜材料、新型碟管式組件，構成碟管式納濾膜元件，這與傳統元件對比的優勢體現在流道、流程等方面，回收率也比較高，可以獲得理想的預處理效果[3]。現階段碟管式反滲透技術在生活用水處理中運用，運行壓力與成本都得到了改善，因為技術本身具有納濾膜分離的屬性，經過處理的水質也能夠保證安全。

盡管碟管式納濾膜的耐污染性較強，但是不適宜長時間使用，如果使用時間過長沒有及時替換，會導致膜受到污染，降低通量，增加能源耗損。所以，要想徹底解決生活用水處理面臨的膜污染問題，也應該關注新型膜元件[4]。鑒于此，針對碟管式納濾膜在生活用水處理中呈現的膜污染特性，需要結合實際水處理操作展開介紹。

2 生活用水處理中碟管式納濾膜的應用

2.1 碟管式納濾膜的處理方法

制作碟管式納濾膜，選擇相關材料，建議采用雙聚酞胺功能層納濾膜復合材料，經過組裝與安裝之后就可以獲得碟管式納濾膜元件，產品參數如下：1） MgSO4的產水量為355 L·h-1，透過率不超過3%。2） CaCl2的產水量為376 L·h-1，透過率不超過10%。3） NaCl的產水量為450 L·h-1，透過率不超過大于60%。因為生活用水處理經過絮凝、沉淀、V型濾池、消毒這一系列流程，所以總結了以往的水體處理經驗，發現普遍存在原水硬度高、水質差等現象，而且含有大量無機鹽[5]。

為此，采取碟管式納濾膜作為處理方法，需要運用到納濾系統，該系統由碟管式納濾膜元件組成，通過并聯連接的方式實現運行。原水箱內部直接儲存原水，在原水泵作用下轉入系統當中[6]。原水含有一定量的余氯，聚酞胺結構膜材料與氯反復接觸會出現破損，所以搭建的納濾系統還應該安裝預處理設備，例如可以安裝沙炭過濾器、保安過濾器等，經過預處理之后，離心泵增壓之后原水便會進入納濾系統中，發揮保安過濾器的作用，納濾系統前端、濃水2個位置安裝壓力表、流量計，即可實時監測。離心泵變頻器、調節閥開度，對設備運行參數進行實時調控，設置運行條件采集運行數據，作為監測水質、膜表面污染物分析的條件，拿下各個位置安裝膜片之后再分析膜污染特性。

碟管式納濾膜需要運用到電導率儀作為檢測設備，如果離子濃度不同，還可以運用離子色譜儀，針對原水、產水專門展開常規水質檢測[7]。采用掃描電子顯微鏡可以觀察膜表面的污染層表征，運用X射線能譜儀得出污染物結構，三維熒光光譜儀與傅里葉變換紅外光譜儀這2個專業設備，分析污染物有機成分、生物污染。

2.2 生活用水處理分離性能

2.2.1 壓力

因為納濾膜是在壓力作用下逐漸形成了有孔液體分離膜，所以壓力是膜分離性能非常重要的因素。如果進水閥、離心泵變頻器改變，會使系統操作壓力發生變化，觀察膜通量、脫鹽率參數，發現壓力升高之后，通量會隨之增加，如果壓力提升到1 MPa，此時就會逐漸穩定，記錄此時的單支膜元件產水通量。當脫鹽率數據升高至1 MPa，后續呈現降低變化的趨勢。因為壓力升高之后回收率增加，透過液量增加，使濃縮液減少，納濾膜具有截留功能，會持續性地增加濃縮液濃度，膜兩側的濃度差越來越顯著，甚至會在后期進水壓力反向滲透壓，導致濃差極化[8]。由此可見，運行壓力如果不達標，會影響到生活用水處理效果，但是壓力超出標準，會使膜片污染速度加快，建議設定壓力值為1 MPa。

2.2.2 溫度

應用碟管式納濾膜處理期間出現了溫度升高的現象，在該過程中回收率會隨之增加，但是脫鹽率與之相反，后續逐漸下降，原因在于溫度升高之后獲得了更多的內能，原水豁度下降，布朗運動也會提高溫度，使水自由擴散系數持續增加，一旦離子出現劇烈運動現象，鹽分會透過膜片快速擴散，透過比例增加，導致溫度與回收率提升、脫鹽率降低[9]。

2.2.3 最小濃水量

規避生活用水處理膜污染，需要從最小濃水量這一點著手，由于濃水量降低之后，會直接影響濃水流速，膜表面產生的湍流效應削弱，導致膜表面污染物大量集聚。濃水流量較小，使濃水濃度增加，濃差極化問題更為明顯，長時間運行膜表面就會出現嚴重的污堵問題，需要反復清洗，運行環節能源大量耗損，產水通量、回收率隨之降低。如果污堵清洗不及時，還會導致不可逆膜污染。采用碟管式納濾膜元件，設置應用條件條件如下：1） 進水溫度為25 ℃。2） 進水壓力為1 MPa。完成參數設置后，調整濃水流量閥可以設置濃水流量，所有濃水流量條件下持續運行，觀察通量是否會降低。

結合實踐處理經驗，發現設置初始濃水流量不超過240 L/h，當持續運行了6 h，此時回收率就會明顯下降，滲透通量也會降低。當持續運行了12 h后，回收率下降與滲透通量下降更加明顯。將初始濃水流量設定為300 L/h，雖然回收率也有所降低，但是并不明顯，其原因與夜晚溫度下降有關。展開時間為10 min的水力清洗，隨后膜通量就會恢復到最初狀態。濃水流量設置為360 L/h，經過長期運行之后回收率依然十分穩定?；诖?，如果濃水流量超過300 L/h，即便長時間運行，后膜污染也不會滲透到膜孔內部，采用物理清洗就可以將通量恢復，但是在小于300 L/h情況下，低濃水量長時間運行，不僅通量快速下降，還會產生嚴重的膜孔污堵現象，建議將碟管式納濾膜元件的最小濃水流量控制在300 L/h。

2.3 水質處理

在生活用水處理中應用碟管式納濾膜的膜元件，需要預測水體污染成分，檢測進出水水質、各個價態離子截留率?？偨Y現有的處理案例，如果耗氧量檢測結果為2.2 mg/L，代表水內包括機物，再檢測硬度、電導率，原水內含鹽量較大，且整體硬度高，檢測離子含量之后，得出結果顯示鈉鹽是水體的核心成分，此外還包括其他類型的無機鹽。總結原水檢測實際情況，一旦產生膜污染現象，最為常見的形式是有機污染、無機污染同時存在。碟管式納濾膜在去除水中含有的有害物質這一方面有非常顯著的效果，降低水體有機物含量、硬度、電導率，同時將低價無機鹽予以保留，加強產水水質。

原水、產水內部的各個價態離子經過離子色譜分析之后，如果混合溶液中包括不同鹽類，二價鹽截留率始終超過90%，此時一價鹽截留率不大于30%，對比納濾膜材料性能，離子選擇性能良好，這也是決定膜元件處理效力的關鍵條件。

2.4 水體中污染物成分與處理

碟管式納濾膜專業設備正式啟動之前，需要進行持續10 min的水力清洗，隨后再使用化學藥劑進行深度清洗，同時設置進水壓力參數。經過設備運行狀態的監測，如果溫度處于25 ℃，那么回收率會有所降低，代表膜片存在污染，需要及時分析污染膜片表征與對應膜元件污染特性。分析污染成分，觀察被污染的膜表面，會有滑膩黃色污泥層覆蓋在上方，而且有黑色顆粒分布，從頂部進水端膜片開始，直至底部位置的出水端膜片，這一段黑色顆粒物呈逐漸增多、密集的分布規律，而且污泥顏色也越來越深。膜表面展開SEM分析，觀察納濾膜表面有凹凸感，且形成了泥狀污染物，即為有機污泥層，污泥還有品狀顆粒污染物存在，可能是無機污染導致的沉淀現象。

處理人員輕輕刮下膜表面污染物，待完全干燥之后進行EDS能譜分析，總結污染層的成分，包括碳、氧，由此可知膜污染更多情況下是以有機污染的形式存在，發現還包括一定量的無機元素，這就代表無機污染同時存在。在膜組件各個位置的納濾膜表面刮取污染物，經過紅外光譜分析之后發現吸收峰的存在。由此可以判斷，在已經形成的污染物中，包括烴類、嗅化物等有機復合體。再對膜表面上形成的有機物污染、生物污染的程度進行分析，獲取表面污染物之后進行洗脫處理處理，然后采用三維熒光光譜分析方法，污染物洗脫選擇超聲與搖床振動結合的方法。當膜表面污染物已經完全洗凈后，采用中速濾紙對洗脫液進行抽濾，就可以獲得污染物洗脫液，采用三維熒光光譜分析的方發現熒光峰，代表污染物內包括微生物代謝產物與生物污染。

已經被污染的膜片需要及時清洗，放置在去離子水內，將頻率設定為40 kHz，超聲處理15 min左右。超聲處理期間膜表面附著的污染物會逐漸脫落，洗脫液隨著超聲時間的延續也會越發污濁，直至膜片表面附著污泥完全消失。與未清洗之前對比，膜表面污泥層、無機顆粒污染物清除，不會對膜表面結構造成影響，而且通量在超聲處理期間也會迅速恢復?？梢姵暻逑丛谌コて砻嫖廴疚镞@一方面有明顯的效果，同時杜絕通量大量損失與環境污染等問題。經過實踐處理，導致納濾膜污染的原因，未處理原水的分子量過大，且難溶鹽超過膜孔。由于濃度過大、濃差極化，從而在碟管式納濾膜的表面發生結垢現象，原水內的有機物、微生物也會隨之形成。另外，在碟管式納濾膜系統設計環節中，參數設置失誤，或者是生活用水處理操作錯誤，導致嚴重的膜污染。需要提前做好膜污染的預防、控制工作，例如碟管式納濾膜系統的設計階段，原水水質分析這一流程完成之后，安裝合適的預處理設備，維持系統穩定運行。生活用水處理應該時刻觀察產水狀態，定期組織膜元件的物理清洗、化學清洗，如果污染程度較為嚴重，還應該在清洗時摻加阻垢劑，以達到優化清洗效果的目的。

3 碟管式納濾膜應用效果

在生活用水處理中應用碟管式納濾膜，在實踐中發現實際產水通量、處理壓力、回收率之間為正比例關系，脫鹽率之間為反比，如果回收率比較高，但是濃水流量過低，可能會使膜元件污染更加嚴重。所以，設置碟管式納濾膜的最佳應用條件，建議運行壓力為1 MPa，進水溫度為25 ℃，最小濃水流量為300 L/h。了解進出水的水質，得出最終的水質情況，對實際污染成分、膜污染程度進行預估，可以在預處理系統中設置優化處理參數，選擇最為理想的污染清理方法。對應膜元件去除了生活用水中的有害物質、高價無機鹽等，只保留以個別地價鹽類，優化最終的處理成效。

利用掃描電鏡，可以對膜表面形貌進行分析，得到膜表面的既有有機污泥層中同樣存在無機晶體結垢，進水端到出水端的膜污染也越來越嚴重。根據EDS能譜，觀察與分析可以發現污染物的主要成分，即有機污染物、碳酸鈣和硫酸鋇等。觀察紅外光譜、三維熒光光譜，可以直接了解到污染物的有機物成分、生物污染嚴重性，最終分析有機污染物的組成，即類富里酸物質與微生物代謝產物等，代表其中依然有生物污染現象存在。如果已經被污染的膜片采用超聲清洗的方法，可以將膜表面附著的污染物及時清除，使產水通量快速恢復。

4 結語

綜上所述，根據以往積累的生活用水處理經驗進行分析，因為生活用水處理過程比較煩瑣，所以關于呈現出的膜污染特性，在應用碟管式納濾膜過程中，也可以對比其他納濾膜的處理效果。根據實踐發現碟管式納濾膜對于生活用水處理的效果十分理想，而且通過詳細記錄并對比，確定其在分離性能、產水水質、耐污染性能和運行成本等方面的應用成效，最終結果顯示碟管式納濾膜回收率、通量等都具有顯著優勢。如果元件數相同，碟管式納濾膜處理量比較低、運行壓力高。碟管式納濾膜主要應用自制膜材料裝配的方式，二價鹽平均去除率超過了90%，而一價鹽的平均去除率則不滿30%，處理生活用水時選擇性、污染物截留效果優于其他類型的納濾膜。根據膜表征結果，可以了解到納濾膜耐污染性能良好，應用并聯方式實現連接，綜合分析納濾膜的噸水能耗、維護和運行期限等也是生活污水處理的優先選擇對象，不僅運行成本低，具有良好的經濟性，運行期限還比較長，噸水能耗小，是現階段生活污水處理效果非常理想的材料之一。除此之外，在生活用水處理過程中，采用碟管式納濾膜，一旦發生膜污染會帶來嚴重的后果。需要及時分析膜污染特性，采取有效的污染處理對策，在總結污染原因之后，憑借碟管式納濾膜特性與優勢，提高生活用水處理效率與質量，保證人們的用水安全。