陶瓷膜在飲用水處理中的應(yīng)用與膜污染控制

楊文建 郭 慶 段 冬 王天予 劉景霞*

(1同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 上海 200092 2雅安沃克林環(huán)?？萍加邢薰?四川 雅安 625199 3上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 上海 200092 4蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 蘭州 730000)

隨著技術(shù)的發(fā)展與制備成本的降低,陶瓷膜在飲用水處理中的應(yīng)用已受到越來(lái)越多的關(guān)注。相比起有機(jī)高分子膜,陶瓷膜耐壓,耐化學(xué)清洗,抗老化能力優(yōu)秀,且具有更高的通量和更長(zhǎng)的生命周期。國(guó)際上從20世紀(jì)60年代開(kāi)始研究陶瓷膜在水處理中的應(yīng)用,國(guó)內(nèi)在這方面的廣泛研究則始于本世紀(jì)初,本文主要介紹陶瓷膜在飲用水處理中的應(yīng)用與膜污染控制技術(shù)。

1 陶瓷膜在水處理中的應(yīng)用與發(fā)展

由于陶瓷膜的耐壓、耐熱與耐化學(xué)性,其在高溫、含油廢水等極端環(huán)境下的穩(wěn)定性與分離性能,要優(yōu)于高分子聚合物膜,故陶瓷膜在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用[1]。但目前用于飲用水和市政污水處理的微濾/超濾膜仍以有機(jī)高分子膜為主,限制陶瓷膜在水處理中廣泛應(yīng)用的因素主要有:①投資成本高;②裝填密度低;③膜污染。

近年來(lái),隨著國(guó)內(nèi)的陶瓷膜工業(yè)化水平逐步提高,已有超過(guò)100家本土公司進(jìn)入微濾/超濾陶瓷膜組件市場(chǎng),陶瓷膜工藝投資成本在此背景下逐年下降,將其應(yīng)用于飲用水處理領(lǐng)域的關(guān)注度也越來(lái)越高,預(yù)計(jì)未來(lái)陶瓷膜在水處理中的市場(chǎng)會(huì)逐漸增長(zhǎng)[2]。由于飲用水生產(chǎn)成本通常較高、處理流程較多,陶瓷膜在其中的主要應(yīng)用方向可能是取代傳統(tǒng)飲用水處理工藝中的某些環(huán)節(jié),例如取代沉淀池或者砂濾池。與此同時(shí),陶瓷膜對(duì)微生物有很好的篩分效果,能夠有效去除病原菌和病毒,因此可以減少消毒劑使用量[3-4]。在陶瓷膜與混凝聯(lián)用工藝中,只需形成較小的礬花即可被陶瓷膜截留,所以可以減少混凝劑投加量和混凝時(shí)間[5]。另有研究表明,若陶瓷膜通量能維持在150L/(m2·h)以上,其投資總成本將低于有機(jī)高分子膜[6]。綜上所述,使用陶瓷膜的投資成本可通過(guò)減少其他方面的運(yùn)營(yíng)成本、提高通量以及延長(zhǎng)使用壽命來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。

膜污染仍是當(dāng)前陶瓷膜應(yīng)用于水處理的重要瓶頸,有大量的研究工作致力于減緩膜污染速率、延長(zhǎng)陶瓷膜的運(yùn)行時(shí)間,從而減少化學(xué)清洗的頻次,目前主要有三種途徑控制膜污染:①陶瓷膜組合工藝,利用混凝、光催化、臭氧化和活性炭吸附等多種物理化學(xué)過(guò)程分別與陶瓷膜進(jìn)行組合,不僅可以減緩膜污染速率,還能提高對(duì)污染物的去除效果;②膜表面改性;③膜池運(yùn)行條件優(yōu)化。

2 陶瓷膜污染機(jī)理

陶瓷膜污染機(jī)理根據(jù)污染物粒徑與膜孔徑的關(guān)系、污染物位置、污染物顆粒是否堆疊可分為以下四種:①中間堵塞;②完全堵塞;③標(biāo)準(zhǔn)堵塞;④濾餅層污染。污染物類型則分為有機(jī)污染、無(wú)機(jī)污染和生物污染。有機(jī)污染是由水中大量有機(jī)物造成的,是陶瓷膜的主要污染物,水處理過(guò)程中的無(wú)機(jī)污染并不顯著,但無(wú)機(jī)物與大量有機(jī)物的相互作用可能會(huì)加劇膜污染[7]。生物污染是最難緩解的污染類型,對(duì)膜的潛在危害也最大,膜表面生物污染層的積聚,與生物污染特性及可溶性微生物產(chǎn)物/胞外聚合物的濃度密切相關(guān)。

3 陶瓷膜污染控制策略

3.1 陶瓷膜組合工藝

通過(guò)預(yù)處理或者原位處理工藝與陶瓷膜進(jìn)行結(jié)合可以有效減緩膜污染速率。主要有以下幾類:

3.1.1高級(jí)氧化工藝與陶瓷膜聯(lián)用

原理是通過(guò)改變有機(jī)物性質(zhì)(電荷和分子量分布)控制膜污染,例如預(yù)臭氧化和原位臭氧化,通過(guò)臭氧化去除大量有機(jī)物和可溶性微生物/胞外聚合物,減少濾餅層的形成,不同的是,預(yù)臭氧化有利于維持膜通量,而原位臭氧化更有利于提升反沖洗恢復(fù)效果[8]。另外還包括過(guò)氧化氫、高錳酸鉀和光催化預(yù)氧化法等。需要注意的是,過(guò)量氧化有可能導(dǎo)致膜污染加劇,這是因?yàn)橛袡C(jī)物被氧化成為小分子量有機(jī)物后,進(jìn)入膜孔造成堵塞。

3.1.2混凝與陶瓷膜聯(lián)用

原理是混凝可以促使電荷中和以及絮體形成,形成一層多孔濾餅,可減少膜孔堵塞并延長(zhǎng)化學(xué)清洗周期和使用壽命。根據(jù)是否設(shè)置預(yù)沉淀環(huán)節(jié)可將混凝-陶瓷膜組合工藝分為混凝沉淀-陶瓷膜工藝和在線混凝-陶瓷膜聯(lián)用工藝兩類,大量研究表明,混凝預(yù)處理可以改善有機(jī)物和消毒副產(chǎn)物的去除率并維持膜的通量[9-12]。

3.1.3吸附與陶瓷膜聯(lián)用

工藝形式包括吸附預(yù)處理和原位吸附,原理是借助高比表面積的吸附劑去除水中小分子、溶解性污染物,再將吸附劑截留在膜表面,阻止污染物進(jìn)入膜孔,從而緩解膜污染。常用的吸附劑有活性炭、沸石、氫氧化鎂、中孔吸附樹脂等。

3.2 膜表面改性

陶瓷膜表面改性是指通過(guò)電泳沉積法、層層涂覆法等物理化學(xué)方法將各種納米材料均勻涂覆在基底陶瓷膜表面,制成兼具陶瓷膜過(guò)濾和納米材料功能特性的改性陶瓷膜[6]。陶瓷膜改性后能夠提升其有機(jī)物去除率和凈水效能,但如何在不犧牲過(guò)濾通量的情況下開(kāi)發(fā)出防污、穩(wěn)定的表面改性陶瓷膜,仍是需要攻克的技術(shù)難關(guān)。

3.3 陶瓷膜運(yùn)行條件優(yōu)化

通常陶瓷膜采用周期性的“過(guò)濾-反沖洗”模式來(lái)運(yùn)行,運(yùn)行總時(shí)間主要取決于每個(gè)周期的不可逆污染(反沖洗無(wú)法恢復(fù)的膜污染)。因此,可以考慮從運(yùn)行條件方面進(jìn)行優(yōu)化和控制,盡量延長(zhǎng)化學(xué)清洗周期,例如選擇合適的運(yùn)行通量、每周期過(guò)濾時(shí)長(zhǎng)和反沖洗模式(氣洗與水洗的組合模式),適當(dāng)提升反沖洗強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著需求的增加和技術(shù)的發(fā)展,陶瓷膜市場(chǎng)份額正在快速增長(zhǎng),預(yù)計(jì)2021～2025年,陶瓷膜市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到30.9億美元,復(fù)合年增長(zhǎng)率為11.31%[13]。陶瓷膜在使用壽命、通量、抗污性、反沖洗效率和環(huán)境影響方面均優(yōu)于有機(jī)膜,并且陶瓷膜成本在不斷下降,綜合考慮投資成本、運(yùn)營(yíng)成本和使用壽命,陶瓷膜與有機(jī)膜在成本上已經(jīng)具有競(jìng)爭(zhēng)力。

膜污染盡管不可避免,但可以通過(guò)工藝組合、膜改性和運(yùn)行條件優(yōu)化等措施來(lái)進(jìn)行控制,盡量延長(zhǎng)陶瓷膜的運(yùn)行時(shí)間,最后再使用化學(xué)清洗方式進(jìn)行恢復(fù)。目前陶瓷膜污染的研究主要集中在有機(jī)污染上,但對(duì)生物污染的演變以及生物量和膜的相互作用知之甚少。因此,未來(lái)的研究應(yīng)側(cè)重于了解陶瓷膜的生物污染和長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的有效預(yù)防策略。