超濾膜技術在飲用水處理中的有效應用

佟思年(大慶油田水務公司，黑龍江 大慶 163311)

1 超濾膜技術的基本概念

1.1 超濾技術

用于分離液體中的溶質與溶液的過濾技術主要是通過轉化壓力為推動力，推動液體穿過濾膜，將溶質分隔在膜的一側、溶液分隔在膜的另一側，膜技術包括微濾、超濾、納濾和反滲透，這四種膜分離技術可以將不同體積的溶質分離開來。如圖1所示，四種濾膜有著各自的分離范圍，從上到下，濾膜孔徑越來越小，其中超濾膜的孔徑大致在微濾和納濾之間，且有一定的范圍重疊。

圖1 四種膜分離技術的分離特征

超濾技術可以分離大分子有機物、多糖、病毒和細菌等污染物，比微濾分離精度高，處理水濁度平均低于0.1NTU，除污率高達99.9%，在凈化水處理方面有著極大的效用。另一方面，由于超濾技術對小分子有機物的篩除效果一般，在做凈化水處理時可以與其他工藝相結合，比如活性炭、臭氧、混凝等工藝，增強其對飲用水的凈化作用，并且可以消除凈化水過程中不可避免產生的副產物。

1.2 超濾膜技術分離原理

超濾膜對水溶液的處理主要包括兩方面，一方面是物理篩分，另一方面是化學篩分。物理篩分是超濾膜的主要分離方式，在物理篩分中，對水溶液施加一定的壓力作為推動水溶液向超濾膜另一側流動的力量，在壓力差的作用下，水溶液會經過超濾膜，并且將溶液中體積大于超濾膜孔徑的物質分離在原側，其他體積較小的物質會經過超濾膜的化學性質進一步篩選，如果沒有被吸附，則可以順利通過超濾膜；在化學篩分中，超濾膜因為其膜聚合物的化學性質，會將溶液中的親水性小分子有機物吸附在膜表面，達到一定程度的截留作用。

1.3 超濾膜材料

現代技術的發展使得超濾膜的膜材料選擇變得非常豐富，一般來說超濾膜制膜材料會選用有機高分子材料，包括纖維素酯類、聚砜類、聚烯烴類、氟材料、聚氯乙烯幾大類，這些材料都有著柔韌性和親水性，使用穩定，成本適中；而近幾年來開發的新型制膜材料利用了無機材料，包括陶瓷、玻璃、氧化鋁(A12O3)、氧化鋯(ZrO2)和金屬等，這些材料耐高溫、不易老化、可再生性強，不過因為還在實驗室研究階段，暫未投入商品化生產。

2 超濾膜技術在飲用水處理方面的作用和優點

2.1 水污染問題

隨著社會生產水平的提高，各種化學物質應用在生產過程中，并隨著廢水流入環境，造成了社會水環境污染的加劇，使得各種飲用水有著新的水質問題，比如：賈第蟲和隱孢子蟲問題、藻類污染問題、水臭和毒素問題。為此，我國經歷了兩次飲用水處理技術變革，第一代技術是飲用水常規處理，第二代技術是加臭氧-活性炭深度處理，但是都無法滿足居民對飲用水品質的要求，因此第三代技術即超濾膜技術正在被引用中。

2.2 超濾膜技術可以有效去除飲用水中的有害物質

首先，超濾膜可以去除飲用水中的懸浮物和微生物。懸浮物指的是造成水溶液渾濁的物質，經過超濾膜技術處理后，可以使產水濁度平均達到0.2NTU以下，微生物指的是大腸桿菌等細菌或病毒，其直徑大概在0.5 μm左右，超濾膜對其擁有99.9%以上的去除能力；其次，超濾膜可以去除飲用水中的鐵、猛、鋁等膠體。在常規處理中，超濾膜可以將懸浮物性質的鐵、猛等金屬物質去除，而面對呈溶解性質的鐵錳離子時，也可以配合氧化反應改變其離子屬性，將其變成膠體并去除；最后，超濾膜可以去除飲用水中的氟。目前城市飲用水或農村飲用水中都含有一定程度的氟離子，超濾膜可以搭配其他如活性氧化鋁吸附、鋁鹽混凝沉淀或電滲析等工藝將氟離子形成膠體并去除。

2.3 超濾膜技術的其他優點

在實際應用過程中，超濾膜工藝可以和其他工藝有著很高的適配性，可以按實際要求做隨意搭配。另外，由于超濾膜使用方便，其實際占用場地面積也大大減少，對飲用水處理過程中的周邊環境要求也不高，值得大力推廣。

3 超濾膜技術在飲用水處理中的有效應用

近年來超濾膜技術的研究和應用都較為迅速，市場上在應用此技術后，能夠實現對細菌、病毒和其他大分子物質的有效去除，但是也發現了一些不足，由于超濾膜本身的孔徑特性，使其在分離小分子有機物時效果較差，所以市場上在使用超濾膜技術時往往會搭配其他工藝一同作用于飲用水處理中。接下來介紹兩種目前應用非常多，并且取得了一定效果的聯合工藝。

3.1 粉末活性炭與超濾膜聯合工藝

活性炭是一種對小分子有機物吸附效果很好的過濾物質，它可以幫助超濾膜分離其自身無法去除的雜質。粉末活性炭與超濾膜聯合工藝的工作流程如下：首先將一定量的粉末活性炭加入到待過濾的進水流中，粉末活性炭可以吸附水流中的小分子有機物，并形成大分子雜質；然后將水流壓向超濾膜的進水束，超濾膜可以將水溶液中原有的大分子有機物和經過粉末活性炭吸附后的大分子雜質一并截留下來；最后將凈水從膜外向內沖洗一部分，這一步叫做反沖洗，可以將超濾膜上存留的雜質沖洗下來，減少膜污染。

研究表明，粉末活性炭的濃度增加，可以幫助增強超濾膜的過濾能力，將水流中的高錳酸鉀、酚等物質去除；另外，粉末活性炭易沖洗，可以減輕超濾膜受到污染物質的附著率，當整個流程進入到反沖洗階段時，可以有效去除超濾膜上的雜質，并且維持超濾膜的高比流量。粉末活性炭和超濾膜互補，作為一種聯合工藝，能夠有效的去除飲用水中的污染物，并且減少因消毒而產生的副產物[1]。

3.2 混凝與超濾膜聯合工藝

混凝指的是將溶液中的雜質形成絮體，這部分雜質是超濾膜自身無法去除的雜質，混凝和活性炭的效用相同，但用法不同，混凝利用了吸附-電中和的特性，將溶液中的小分子有機物捕獲，并形成大分子的微絮體。具體的混凝與超濾膜聯合工藝的工作流程如下：首先，利用混凝作用，將待處理水溶液中的小分子有機物捕獲，并形成微絮體；其次，微絮體因其自身體積增加的緣故，擁有了能夠分離的特性，可以被超濾膜截留；最后，依然使用反沖洗手段，減少超濾膜附著污染，并增加超濾膜的水流通量，提高出水水質。

研究表明，混凝技術對天然小分子有機物有著很高的去除率，達到了99.9%，并且能夠保證超濾膜在使用過程中經過開始階段性能的快速下降后可以維持在一個穩定狀態，能夠長時間穩定工作。

3.3 其他聯合工藝

除了上兩點介紹的超濾膜聯合工藝以外，研究機構和市場上也應用著一些其他組合的飲用水處理工藝：第一個是生物陶粒柱-粉末活性炭-超濾膜工藝，作為粉末活性炭和超濾膜聯合工藝的進階版，可以對含氮污染物質的飲用水有著良好的過濾作用；第二個是臭氧-生物活性炭-超濾膜工藝，臭氧可以降解一些有機物，并把非溶解性的有機物氧化成易溶解的有機物，有利于活性炭的吸附，增強整個裝置的過濾作用；第三個是壓縮活性炭-超濾膜工藝，壓縮活性炭的作用是優先吸附對超濾膜有污染的水雜質，可以保證膜污染的有效降低，用于制備優質水[2]。

4 超濾膜的污染控制與應用前景

4.1 污染控制

超濾膜在使用過程中容易受到水質的影響，一般來說水質較差的待過濾飲用水溶液會造成超濾膜的堵塞和吸附污染，尤其是水中含有藻類等污染物質時，會使得被過濾的雜質沉淀在膜表面和孔徑內部，使得整個超濾膜的過濾效果變差。或是當超濾膜過濾的天然有機物質量較大時，其較高的腐殖酸會造成超濾膜孔吸附的不可逆污染。

因此在控制膜污染方面，我們可以采取以下策略：首先在生產過程中改良超濾膜的性質，選擇容易分離雜質的耐污染材料，或是使用預涂技術增強膜的反沖洗性能，以此保證膜可以較少受到污染，并且能夠輕松清洗恢復；其次在過濾前改善水質，在原溶液通過超濾膜之前使用一些化學藥劑或物理活性炭對其做預處理，盡量去除一些可以去除的雜質，以此減緩超濾膜的污染；最后在過濾后做好超濾膜的清洗工作，利用類似于超聲波、臭氧等措施對超濾膜做清洗，去除其表面污垢，或者利用其他物理化學手段沖洗超濾膜，將孔徑內的雜質去除，恢復其膜通量[3]。

4.2 應用前景

首先，尋找更加優質的材料作為超濾膜的制作材料，比如前文提到的無機物材料，增加其本身的耐污染性、耐高溫性、穩定性等，這一階段需要投入大量投資，并多次重復試驗；其次，在飲用水處理工藝上細化每一個實施步驟，充分使用有效的雜質去除手段，保證溶液在經過超濾膜前維持在污染較輕的范圍內，以此減輕超濾膜的工作壓力；最后，積極尋找膜清洗方法、膜污染防治方法和膜性能恢復方法，促進超濾膜的多次利用。

我國飲用水處理工程擁有巨大的應用前景。應該研究出包括超濾膜技術在內的完善的引用水處理裝置，控制一定的使用成本，最大限度發揮出超濾膜的作用價值，最終豐富各種處理飲用水的手段[4]。

5 結語

在當前我國環保工程飲用水處理的眾多技術當中，超濾膜技術無論對飲用水資源的處理質量方面，還是處理效率方面都具有極大的優勢和發展前景，超濾膜技術這種深度改善飲用水資源的水處理技術在我國環境保護工程的未來發展建設過程中將具有十分廣闊的應用前景，隨著現代科學技術的不斷發展和創新，超濾膜技術在未來城市飲用水處理中將能夠得到更優的改善，為人們的日常生活提供更加優質的水凈化服務。