環保工程水處理過程中超濾膜技術運用分析

文_李鈺佳 晉能控股煤業集團有限公司環保部

超濾技術可以很好的處理大自然水體中的顆粒狀物體，且對病毒及細菌具有較好的祛除效果，而這種技術的運行成本比其他膜技術低，因此超濾技術自然成為給排水處理中重要的部分。雖然隨著時代的發展，國內許多水處理部門開始采用這種技術，但該技術卻存在膜易于被污染且較難恢復其功能的致命缺點。減少該膜技術帶來的污染需要復雜的清洗方式，同時可能降低膜的壽命，從而導致成本不斷的提高，這是在發展中國家推廣超濾膜技術大規模應用的主要瓶頸。本文使用較為領先的污染表征方法辨別特征有機膜污染物，為良好減少膜層的污染開發新方法和新技術。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

pall聚醚砜平板超濾膜（PES膜）的直徑為76mm，其中截留分子量為100kDa，其中有效過濾面積41.8cm2，PES超濾膜不具有對稱性，通過接觸角測量，其接觸角在55～60°范圍內，是疏水性膜。

sepro聚醚砜平板超濾膜直徑76mm，其中截留分子量為100kDa，其中有效過濾面積41.8cm2。接觸角為60～70°之間，具有一定的疏水性。Sepro超濾膜主要用來進行模型物的超濾試驗。

1.2 試驗用原水

試驗中用到的河水采自某鐵路水源地（A）、湖水采自周圍湖泊（B）和（C）、污水取自污水處理廠二級出水（D），河流水還用于有機物分級試驗，其他水源水用于膜污染物識別試驗，試驗原水水質見表1。原水在進行超濾前，用0.45μm有機濾膜進行預過濾，以去除大比較大的顆粒和膠凝狀態物質。經過抽濾器預過濾后，裝入試劑瓶中放入4℃的冰箱中保存待用，72h內可過濾結束。儀器設備需提前采用鉻酸洗液處理。

表1 水源水質情況表

1.3 實驗用試劑（見表2）

表2 試驗試劑表

1.4 水質分析方法

水中濁度使用WGZ-200型濁度儀測定， UV254采用紫外可見光光度計測定。不同水源中有機物濃度采用TOC分析儀測定。pH值采用pHS-25CW型pH計測定。

2 水處理過程中超濾膜技術研究

2.1 不同水源污染物特性分析

處理廠的二級出水、湖泊和河流內的水，這三類由于源頭區別必然導致其中污染源的類型及程度不同，因此也會影響膜污染作用。必須對熒光性質、親疏水程度以及分子量分布情況等逐一研究，同時分析其在相同濃度下的膜通量下降、污染可逆性和TOC平衡。為了明確污染源中可或不可逆的物質，對每種原水進行三種維度的熒光檢測，識別每類水中的有機污染物。從表3可以看出，3種天然水源中的溶解性有機物在小分子區間（＜5kDa）占比更大，達到40%以上。而針對二級出水，其中大分子有機物（100kDa-0.45μm）占比最大，接近42%，其他3個區間所占比例較小。對于湖水，大分子有機物所占比例沒有二級出水中大分子有機物占比更高，但是其占比也較高，實際接近20%，在所有區間占比中排第二位。對于河水，其主要區間為小分子污染，＜5kDa和5～10kDa所占比例共達到70%。

表3 不同水源污染物的分子量分布DOC（%）

由于水源中污染物類型不一樣，各有機物的占比也無法得知，所以不能只以每種水源中有機物的含量來說明通量下降和可逆性的聯系。但分析表明，大分子量物質對膜通量下降具有一定的影響，而沉積物主要就是大分子量的有機物，而濃縮液中有機物含量升高則對濃差極化的影響增強，會導致一定的膜通量下降。

最后，對各處理后水樣的親疏水性能進行試驗研究，二級出水和河水存在大量的疏水性物質，親水性物質次之。而湖庫水源則不同，湖水中親水性物質更多。在超濾出水中有機物的親疏水性分析中發現水源經過超濾膜過濾后，親水污染物都有不同比例的下降，而區域性污染物改變不大，疏水物質不降反升。這恰恰說明濾膜對親水物質截留能力優良。實際情況中，親水物質易溶于水，而反觀疏水物在溶液中更容易轉移到水樣的面層，這就導致其易被膜表面吸附，而這次試驗中結果顯示截然相反，考慮分子量分布因素則看出大自然水中有機物主要分布在小分子及大分子區間，小分子有機物對膜的影響小之又小，而大分子由于一些設備作用等因素而更加容易被截留，所以自然水域親水性有機物大部分是大分子量物質。

2.2 不同pH和Na+條件對超濾膜污染控制作用研究

研究顯示，超濾過程中的膜通量會因pH變為堿性而逐步提高，試劑溶液的pH降低則會引起下降，pH值為酸性（4）的通量比堿性（9）下降了約10%。結果分析原因，pH值對腐殖酸溶液的影響主要是對超濾膜表面電荷和溶液中分子顆粒表面的電荷產生作用，溶液的pH值的降低會帶來超濾膜和腐殖酸分子的質子化，因此膜表面負電荷減少，溶液中腐殖酸分子表面負電荷也會隨之降低，物質之間的斥力因此也會改變，腐殖酸分子更加容易沉積膜的表面和內部，隨之導致膜通量下降，相反偏堿性的樣品更有利于提高膜通量。

研究鈉離子濃度分別為0mmol、10mmol、50mmol、100 mmol，同時觀察在不同離子濃度下對主要污染有機物引起的超濾膜比通量影響。當溶液中加入鈉離子后，超濾膜比通量會降低，當繼續添加鈉離子后，隨著溶液中離子濃度的增加，腐殖酸和蛋白質引起的超濾膜比通量下降速度減小，說明在溶液中離子的存在可以減緩腐殖酸和蛋白質對超濾膜的污染，離子濃度越大，效果越明顯。離子強度的增加會壓縮膜表面的雙電層結構，進而降低污染物與膜表面之間的靜電斥力，所以當溶液中存在鈉離子時，膜通量的下降程度會加重，但是當離子濃度繼續上升后，超濾膜污染不僅沒有加重，反而通量得到了改善，這說明在離子強度增加的過程中，有其他的作用力超過了靜電斥力的增加，最近有研究表明，在鈉離子濃度增加以后水合斥力的增強掩蓋了靜電斥力的減弱，這會導致污染物分子與超濾膜之間的吸附作用減弱，因而通量得以改善。

3 結語

對河流水中的天然有機物進行分級，結果表明，天然水源中大部分的小分子物質（＜5kDa，5～10kDa）導致較低的通量下降，小分子物質主要是腐殖酸和蛋白質類物質。相對分子質量較大的物質（50～100kDa，100kDa-0.45μm）主要是蛋白質類物質，導致較大的通量下降，天然水源中該部分大分子物質濃度較低。相關分析的研究結果表明，所有的組分中蛋白質類物質都是主要的污染物。膜表面沉積的DOC在形成不可逆超濾膜污染方面起到決定性作用。

當pH值弱堿性時，能夠更好的控制膜污染，改善膜通量，同時提高對污染物的截留率。同時，結果顯示，不同Na+條件下污染物的去除主要是通過控制溶液中大分子有機物的聚合作用實現的，Na+是通過降低完全孔堵、中間孔堵和濾餅層機理實現污染的減輕。