水中膠體和顆粒物對超濾膜污染的影響研究

周勤岸

摘要：由于超濾技術(shù)對顆粒物和微生物去除效果的優(yōu)越性和持續(xù)性，已經(jīng)在飲用水凈化廣泛應(yīng)用。然而，膜污染問題影響了超濾膜的應(yīng)用，本文以聚合氯化鋁和A1粉作為加標(biāo)物，模擬水中膠體和顆粒物對超濾膜污染的影響。

關(guān)鍵詞：膠體;顆粒物;超濾膜污染;影響

近年來，由于環(huán)境污染日益嚴(yán)重，越來越多的人開始關(guān)注飲用水的安全，飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)也日益嚴(yán)格。由于超濾技術(shù)對顆粒物和微生物去除效果的優(yōu)越性和持續(xù)性，已經(jīng)被越來越多的應(yīng)用于給水處理【1】。然而，膜污染是膜過濾技術(shù)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。在膜操作期間，膠體、微生物和天然有機(jī)物質(zhì)（NOM）的積累是結(jié)垢的主要原因。當(dāng)膜污染累積時(shí)，流量下降并且操作壓力也會(huì)增加【2】。由于各地水質(zhì)不一致，導(dǎo)致同款超濾膜在不同地區(qū)的使用壽命有很大差別。通過分析客戶退貨，我們猜測主要是不同地區(qū)水質(zhì)的膠體和顆粒物含量不同，導(dǎo)致膜污染的程度不一樣。為了驗(yàn)證這一猜測，試驗(yàn)中用聚合氯化鋁模擬膠體、用A1粉模擬顆粒物，對超濾膜濾芯進(jìn)行了全程加標(biāo)，分析造成超濾膜流速衰減的主要因素。

1 ?試驗(yàn)裝置與方法

1.1 ?試驗(yàn)材料

加標(biāo)原水：采用“自來水+管道超濾”的出水作為加標(biāo)原水，注意超濾前的水壓應(yīng)低于0.4MPa，防止超濾膜損傷。加標(biāo)原水的渾濁度≤0.2NTU。

A1粉：亞利桑那試驗(yàn)超細(xì)粉塵ISO 12013-A1，顆粒尺寸在0～100μm之間，其中0～1μm粉塵占比≤1%，1～5μm粉塵占比>50%。以下簡稱A1粉。作為模擬顆粒物的加標(biāo)物。

聚合氯化鋁：天津鼎盛鑫，500g瓶裝。水解產(chǎn)物對水中懸浮物有優(yōu)良架橋吸附作用，絮凝體形成快、沉降速度快，能快速形成類似膠體的物質(zhì)，作為模擬膠體的加標(biāo)物。

超濾膜濾芯：S廠家超濾膜濾芯（膜元件長189mm，膜面積0.6m2），標(biāo)稱壽命值5400L，作為待測濾芯。

1.2 ?試驗(yàn)工具

加標(biāo)桶、變頻泵、減壓閥、壓力表、快速接頭、PE管型號(hào)及長度（3/8、1/4，長度<1.5m）、水表、臺(tái)式濁度儀、電子稱

1.3 ?試驗(yàn)過程

分別用①A1粉5NTU、②聚合氯化鋁10mg/L、③A1粉1NTU+聚合氯化鋁10mg/L、④A1粉1NTU+聚合氯化鋁3mg/L、⑤A1粉1NTU+聚合氯化鋁1mg/L，這5種加標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行了超濾膜的壽命試驗(yàn)。超濾膜在加標(biāo)測試前先用加標(biāo)原水沖洗15min進(jìn)行前處理。

試驗(yàn)步驟：按“加標(biāo)桶→變頻泵→壓力表→球閥→待測超濾膜濾芯→水表”的方式連接好系統(tǒng)（具體連接方式參照圖1），通過調(diào)節(jié)變頻泵使超濾膜前的壓力表讀數(shù)顯示為0.25MPa;打開加標(biāo)桶球閥，先通加標(biāo)水沖洗超濾膜濾芯5min，之后開始測試待測超濾濾芯初始出水流速、進(jìn)水流速、出水濁度，并記錄泵顯示的實(shí)際壓力。注意超濾濾芯進(jìn)水流速范圍為3～5L/min;每過水約1350L，測試待測超濾濾芯出水流速、進(jìn)水流速、出水濁度。直至超濾濾芯出水流速低于2L/min，且泵實(shí)際顯示的壓力接近設(shè)定壓力時(shí)，視為待測超濾壽命終止。

注意事項(xiàng)：管道超濾壽命為20T，到壽命后需反沖洗或更換濾芯;變頻泵要求水位高離泵進(jìn)水管至少2m;需等加標(biāo)水進(jìn)入泵后再開泵;每次開泵后，加標(biāo)水通入濾芯前，先拔出待測超濾濾芯前的管子排掉管道內(nèi)的空氣;整個(gè)壽命測試過程中，攪拌桶均需處于攪拌狀態(tài)。

2 ?試驗(yàn)結(jié)果

3 ?試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 顆粒物對超濾膜通量的影響

從圖2可以看出，單純的A1粉加標(biāo)對超濾膜通量影響不大。劉永旺等研究發(fā)現(xiàn)，粒徑范圍在0.0 1～1.2 0μm 的膠體和顆粒物是造成膜通量下降的主要因素.，該粒徑范圍顆粒物會(huì)在超濾膜表面形成泥餅層，尤其是粒徑范圍較小的部分會(huì)進(jìn)入膜孔內(nèi)部或堵塞膜孔，從而使膜污染阻力增加，膜通量下降[3] 。因A1粉中0～1μm粉塵占比≤1%，而超濾膜孔徑在0.01～0.2μm之間，所以A1粉中大部分的顆粒是進(jìn)入不了超濾膜孔的，只能在表面形成濾餅層。由于超濾膜納污能力較強(qiáng)，因此5NTU的A1粉加標(biāo)對超濾膜的污染程度有限。一般市政自來水的渾濁度限值是1NTU，在S廠家超濾膜5400L壽命范圍內(nèi)，不會(huì)是造成超濾膜流速衰減的主要原因。除非是進(jìn)水水質(zhì)中≤1.2μm的顆粒特別多。

3.2 膠體對超濾膜通量的影響

從圖2可以看出，單純加標(biāo)聚合氯化鋁10mg/L，超濾膜流速急劇衰減，過水500L流速降到2L/min以下。而將A1粉與聚合氯化鋁混合后加標(biāo)，超濾膜流速衰減有所減緩，推測是聚合氯化鋁水解形成大量孔徑在0.01～0.2μm的沉淀物，進(jìn)入膜孔內(nèi)部或堵塞膜孔，而A1粉加入后，聚合氯化鋁能捕捉A1粉形成較大孔徑沉淀物，而減少對超濾膜孔的堵塞。當(dāng)A1粉量不變，聚合氯化鋁由10mg/L減量到3mg/L，超濾膜的壽命逐漸延長，減量到1mg/L時(shí)，壽命達(dá)到5400L。可見聚合氯化鋁所形成的膠體物質(zhì)是導(dǎo)致超濾膜流速衰減的主要原因。

4 結(jié)論

（1）膜污染指數(shù)與膠體相關(guān)性較好，與濁度相關(guān)性較差，水中膠體物質(zhì)是試驗(yàn)條件下膜污染的主要物質(zhì)。

（2）膜孔堵塞是最初始的污染階段，也是顆粒物/膠體帶來的最嚴(yán)重污染。當(dāng)更多的顆粒物/膠體持續(xù)沉積在初始污染層上，膜污染就發(fā)展為濾餅層污染。

（3）水中一定濃度的顆粒物，可以減緩膠體物質(zhì)對超濾膜的污染。

（4）通過在超濾膜前面增加有效的預(yù)處理裝置，控制原水中顆粒物和膠體物質(zhì)的量，可以減緩超濾膜的污染。

參考文獻(xiàn)：

[1] 敖 漉，劉文君，方振東，王小毛.超濾膜污染的主要成因與控制膜污染的預(yù)處理技術(shù)[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，33（4）：41-47.

[2] 朱軒慧，唐玉蘭.超濾膜污染的主要成因分析[J].科技風(fēng)，2017年6月下：140.

[3] 劉永旺，李星，楊艷玲，任家煒，王偉強(qiáng)，周志偉.混凝/吸附預(yù)處理對超濾膜過濾特性的影響[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（6）：638-643

[4] 張晨.超濾膜污染及其預(yù)防方案比較[J].石油化工設(shè)計(jì)，2011，28（2）：62-64

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