凈水處理中膜技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展

張春英

摘 要：根據(jù)近年來在凈水處理中的膜技術(shù)的應(yīng)用研究成果，從膜污染機(jī)理情況、處理工藝不夠和抗污染膜材料等方面對(duì)于膜技術(shù)應(yīng)用情況進(jìn)行研究。這篇文章總結(jié)了預(yù)處理工序和洗凈技術(shù)的限制因素，介紹了新改良的膜材料開發(fā)課題。希望可以提供進(jìn)一步的研究參考，提高凈水處理膜技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。最后展望了膜技術(shù)的開發(fā)動(dòng)向。

關(guān)鍵詞：凈水處理；膜技術(shù)；研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.012

1 膜污染機(jī)理尚不明確

膜污染不僅影響一定程度的產(chǎn)水量和排水質(zhì)量，還對(duì)于膜成分的耐用年數(shù)有一定的影響，在一定程度上還會(huì)提高成本，引起了研究人員的關(guān)注。從過程分析，原水的污染物質(zhì)，使膜的流動(dòng)減少，增大壓力差。根據(jù)不同原因進(jìn)行分析，膜污染是由濃度分極、膜孔吸附、閉塞及表面濾餅層的形成所致。但是，膜污染的機(jī)制還不明確。從不同類型的污染物類型對(duì)膜污染的差異進(jìn)行比較分析，提供調(diào)查膜防范機(jī)制的參考。

1.1 顆粒物/膠體污染的可調(diào)控性

一些研究表明，當(dāng)粒子、膠體尺寸接近膜孔尺寸時(shí)，污染物質(zhì)結(jié)晶化、沉淀、吸附到膜孔內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)膜孔閉塞度不同的結(jié)果，這個(gè)階段是初期污染階段。更大的粒子、膠質(zhì)附著在膜表面的話，濾餅層被污染。松散濾餅層可以通過油壓去除，一般認(rèn)為是可逆污染。發(fā)展到一定程度后，濾餅層會(huì)凝固、壓縮，不能通過水壓清洗去除，這種污染可以早期控制，有機(jī)物與之形成協(xié)同污染，其不可逆性就會(huì)大大加深。從污染物引起的膜污染控制的觀點(diǎn)出發(fā)，我們注意膜防護(hù)的在線監(jiān)視，判定膜污染度，使用在可逆階段盡可能控制的模型。

1.2 有機(jī)污染的復(fù)雜性

表面水的溶解有機(jī)物被分成很多種，原水中的 NOM、人類排入的合成有機(jī)物和消毒副產(chǎn)物根據(jù)生物學(xué)的處理中的有機(jī)物的分解形成的可溶性微生物產(chǎn)物、生物處理過程中有機(jī)物降解形成的溶解性生物物質(zhì)。NOM是水處理膜污染的全部主要原因，其中約85 %～95 %是腐植。親水性、疏水性雖然不是評(píng)價(jià)膜污染的一般基準(zhǔn)，但是對(duì)于整個(gè)膜表面的化學(xué)物質(zhì)量和強(qiáng)度是決定性的。因此，在研究膜污染的過程中，必須注意腐植的開發(fā)源、影響機(jī)構(gòu)、控制方法這幾方面。研究了有機(jī)化合物的疏水性、分子量及相互作用。小尺寸的有機(jī)分子污染對(duì)于膜的影響比較小。另外，對(duì)膜污染的有機(jī)物的影響也在變化。應(yīng)用三維熒光光譜進(jìn)行掃描，蛋白質(zhì)較高的熒光點(diǎn)使膜受到更深的污染，并且具有蛋白質(zhì)有機(jī)物更高的水體污染更深。近年來，NOM 和無機(jī)顆粒引起的協(xié)同污染也引起了研究者的關(guān)注。兩種粒子狀物質(zhì)的質(zhì)量濃度和膜污染速率正相關(guān)。所以，加強(qiáng)溶媒污染物質(zhì)膜相互作用的研究是非常必要的。

1.3 生物污染的嚴(yán)重性

原水中的微生物會(huì)慢慢累積到膜的表面，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的代謝、生長(zhǎng)很難去除，就出現(xiàn)了生物膜，使得膜污染的風(fēng)險(xiǎn)加大。膜表面開始是單細(xì)胞或者細(xì)胞團(tuán)，不斷地繁殖成為生物膜餅。生物膜的厚度和覆蓋率達(dá)到一定之后，會(huì)對(duì)于膜通量造成影響。生物膜的代謝會(huì)產(chǎn)生無機(jī)污染，難以徹底地進(jìn)行清洗，最終對(duì)于膜會(huì)造成腐蝕，減少膜的壽命。重視對(duì)生物膜上微生物種類、特性的了解是必不可少的，有利于更好地進(jìn)行微生物及其代謝產(chǎn)物引起的膜污染機(jī)理的研究。

2 處理工藝不成熟

為了控制膜污染問題，除了要掌握各種膜污染機(jī)理外，還需要研究多種組合工藝和膜清洗技術(shù)。一方面，凝集、活性炭吸附、臭氧預(yù)備氧化、生物過濾及其組合工藝一般作為預(yù)處理使用，另一方面，采用物理或化學(xué)方式對(duì)進(jìn)行清洗兩種方法都可以減輕膜的污損。

2.1 注重預(yù)處理工藝的適配性

凝膠過濾過程中2.1的低濃度凝集劑中的ha與有機(jī)膠體的共存對(duì)Al（OH）3（am）-HS膠體顆粒的形成有益，ha的去除速度增加了7%～15%。但是，oc的去除率卻減少了3%～20%，使得膜污染惡化了。在吸附-超濾工藝中，活性炭的種類、用量、有機(jī)物的特性、原水的水質(zhì)、競(jìng)爭(zhēng)吸附等因素對(duì)污染物質(zhì)的消除效率產(chǎn)生影響，但也存在膜污染的危險(xiǎn)性。一些學(xué)者還使用活性炭在水中去除有機(jī)物質(zhì)和脫氯。同時(shí)，為細(xì)菌增殖提供良好的基質(zhì)，產(chǎn)生副產(chǎn)品污染，臭氧（O3）過濾過程中，有效地減少可逆膜污染。從以上的結(jié)果來看，為了確保膜結(jié)合過程的高效操作，投加物的特性和對(duì)膜污染的影響機(jī)制應(yīng)受到關(guān)注。分析了“預(yù)臭氧+平流沉淀池、炭砂濾池+浸沒式超濾膜”的組合，發(fā)現(xiàn)膜更換成本高。因此，充分考慮原水中的污染物質(zhì)對(duì)膜污染的貢獻(xiàn)率，通過組合過程的比較和選擇，決定可執(zhí)行的水質(zhì)凈化過程。

2.2 提升清洗技術(shù)的適應(yīng)性

膜清洗技術(shù)是處理膜污染的重要手段。在機(jī)理中看，使用洗滌過程有雙重作用?；灸で逑垂に嚺c常規(guī)膜清洗工藝相同。在清洗過程中，清洗溫度、時(shí)間、酸堿度和化學(xué)清洗速度都是相同的。采用與膜材料和膜組件不同的情況下，同種清洗方式下也得到不同的效果。如今，選擇清洗方式，控制運(yùn)行參數(shù)都具有很多的選擇，但是，既能夠?qū)τ谀の廴经h(huán)節(jié)有幫助，也可以使得膜的特性得到回復(fù)，成為了制膜技術(shù)發(fā)展的重要因素。實(shí)際工程中，應(yīng)該不斷地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使得對(duì)于膜優(yōu)化的清洗條件能夠得到更加接近的模擬效果，使得清洗效果能夠達(dá)到更大的提高。

3 抗污染膜材料有待開發(fā)

多數(shù)研究表明，膜材料的性質(zhì)影響膜隔離的生成和發(fā)展，并促進(jìn)或限制膜技術(shù)的使用。因此，選擇適合于凈水處理的膜材料是非常重要的。但是，現(xiàn)有膜材料的防污性能一般較差，促進(jìn)新防污膜材料的開發(fā)。目前，防污膜材料的研究主要集中在以下兩個(gè)方面。

3.1 關(guān)注全新膜材料的制備及應(yīng)用價(jià)值

人們對(duì)全新的膜材料的調(diào)制和應(yīng)用價(jià)值的關(guān)注越來越高，全新的膜材料主要是納米纖維膜擔(dān)持高分子復(fù)合膜、無機(jī)膜、有機(jī)-無機(jī)混合膜等。殼聚糖納米纖維、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯復(fù)合材料能夠解決自身機(jī)械強(qiáng)度低的問題，以及電紡納米纖維密集積累的問題。還研究了鉻含水處理中的殼聚糖的應(yīng)用。殼聚糖的沉積密度超過2g/m2，殼聚糖纖維層和基板便于層狀化，殼聚糖纖維層容易發(fā)生皸裂?；诖?，發(fā)現(xiàn)了基板的選擇限制膜材料的性能，而且該新型膜材料對(duì)重金屬離子具有良好的吸附效果，應(yīng)關(guān)注其應(yīng)用于飲用水處理。通過開發(fā)低成本高性能膜材料、制造有機(jī)-無機(jī)混合膜、膜的多樣性和應(yīng)用適應(yīng)性、克服膜污染、改進(jìn)膜調(diào)制技術(shù)，提高無機(jī)膜的性能，使其在實(shí)用的水處理項(xiàng)目中廣泛使用。對(duì)于有機(jī)無機(jī)雜化膜的實(shí)際應(yīng)用需要更緊密地結(jié)合有機(jī)及無機(jī)成分的方法、有機(jī)矩陣中的無機(jī)成分凝集的降低方法、以及復(fù)合膜的耐用年數(shù)的改善等都要進(jìn)行考慮。同時(shí)，為了解決雜化粒子與聚合物之間的兼容性，改善雜化膜的分離性能和穩(wěn)定性，將金屬有機(jī)骨骼材料導(dǎo)入了這個(gè)領(lǐng)域。但是，目前關(guān)于mofs混合復(fù)合膜的研究限定于改善單一特性，如膨潤(rùn)電阻、甲醇電阻以及較少的應(yīng)用研究。因此，今后的研究需要加強(qiáng)多功能有機(jī)無機(jī)混合復(fù)合膜的作用

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機(jī)理以及應(yīng)用方面的研究。

3.2 完善改性膜材料的方法和性能

通過改性使得膜材料的污染得到一定的改善，是一種新的可行性的方法。相關(guān)人員對(duì)膜材料可改性的研究也在進(jìn)行，有以下幾個(gè)需要解決的問題。涂抹吸附的不穩(wěn)定性，以及只能夠?qū)τ谶M(jìn)表面孔通道進(jìn)行改變，而且化學(xué)改性使得自身的穩(wěn)定性、熱特性等受到影響。一些研究人員認(rèn)為，膜材料改性研究在滿足自身的物化性質(zhì)的穩(wěn)定的情況下還應(yīng)該綜合的考慮操作條件、介質(zhì)類型等。研究表明，適量的GO對(duì)于膜的透水性能有很大的幫助，但是過量會(huì)使得膜的性能降低?？梢钥闯?，石墨烯的團(tuán)聚使得共混法的發(fā)展受到影響。 在表面改性方面，一些人認(rèn)為少數(shù)單層改性的效果是優(yōu)于基于物理吸附等分子間相互作用力的，但是還缺少進(jìn)一步的確認(rèn)。該膜的抗污染機(jī)理沒有得到進(jìn)一步的確定，清洗方法不夠明確對(duì)于膜的進(jìn)一步應(yīng)用有很大的影響。

4 結(jié)語

作為“21世紀(jì)的水處理技術(shù)”而廣為人知的膜技術(shù)在凈水方面有著廣泛的應(yīng)用前景。但是，大規(guī)模的應(yīng)用程序還有一些時(shí)間。目前，膜處理工藝適用于小型凈水廠。根據(jù)調(diào)查，當(dāng)處理水的量小于20000m 3/d時(shí)，膜處理的成本比以往的處理過程低。在水處理中，膜技術(shù)的普及和應(yīng)用不僅依賴于水處理產(chǎn)業(yè)的努力，也依賴于膜制造業(yè)的積極參與。這些膜是耐污染的，可以很容易的清洗。新膜的連續(xù)開發(fā)促進(jìn)凈水處理中的膜處理的更廣泛的應(yīng)用。

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