超濾膜技術(shù)在飲用水處理中的有效應(yīng)用

佟思年(大慶油田水務(wù)公司，黑龍江 大慶 163311)

1 超濾膜技術(shù)的基本概念

1.1 超濾技術(shù)

用于分離液體中的溶質(zhì)與溶液的過濾技術(shù)主要是通過轉(zhuǎn)化壓力為推動力，推動液體穿過濾膜，將溶質(zhì)分隔在膜的一側(cè)、溶液分隔在膜的另一側(cè)，膜技術(shù)包括微濾、超濾、納濾和反滲透，這四種膜分離技術(shù)可以將不同體積的溶質(zhì)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(shù)的分離特征

超濾技術(shù)可以分離大分子有機物、多糖、病毒和細(xì)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(dá)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(shù)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(jié)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(chǎn)生的副產(chǎn)物。

1.2 超濾膜技術(shù)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(xué)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(cè)流動的力量，在壓力差的作用下，水溶液會經(jīng)過超濾膜，并且將溶液中體積大于超濾膜孔徑的物質(zhì)分離在原側(cè)，其他體積較小的物質(zhì)會經(jīng)過超濾膜的化學(xué)性質(zhì)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(xué)篩分中，超濾膜因為其膜聚合物的化學(xué)性質(zhì)，會將溶液中的親水性小分子有機物吸附在膜表面，達(dá)到一定程度的截留作用。

1.3 超濾膜材料

現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)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(wěn)定，成本適中；而近幾年來開發(fā)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(chǎn)。

2 超濾膜技術(shù)在飲用水處理方面的作用和優(yōu)點

2.1 水污染問題

隨著社會生產(chǎn)水平的提高，各種化學(xué)物質(zhì)應(yīng)用在生產(chǎn)過程中，并隨著廢水流入環(huán)境，造成了社會水環(huán)境污染的加劇，使得各種飲用水有著新的水質(zhì)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(jīng)歷了兩次飲用水處理技術(shù)變革，第一代技術(shù)是飲用水常規(guī)處理，第二代技術(shù)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(zhì)的要求，因此第三代技術(shù)即超濾膜技術(shù)正在被引用中。

2.2 超濾膜技術(shù)可以有效去除飲用水中的有害物質(zhì)

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(zhì)，經(jīng)過超濾膜技術(shù)處理后，可以使產(chǎn)水濁度平均達(dá)到0.2NTU以下，微生物指的是大腸桿菌等細(xì)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(guī)處理中，超濾膜可以將懸浮物性質(zhì)的鐵、猛等金屬物質(zhì)去除，而面對呈溶解性質(zhì)的鐵錳離子時，也可以配合氧化反應(yīng)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(nóng)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(shù)的其他優(yōu)點

在實際應(yīng)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(huán)境要求也不高，值得大力推廣。

3 超濾膜技術(shù)在飲用水處理中的有效應(yīng)用

近年來超濾膜技術(shù)的研究和應(yīng)用都較為迅速，市場上在應(yīng)用此技術(shù)后，能夠?qū)崿F(xiàn)對細(xì)菌、病毒和其他大分子物質(zhì)的有效去除，但是也發(fā)現(xiàn)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(shù)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(yīng)用非常多，并且取得了一定效果的聯(lián)合工藝。

3.1 粉末活性炭與超濾膜聯(lián)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(zhì)，它可以幫助超濾膜分離其自身無法去除的雜質(zhì)。粉末活性炭與超濾膜聯(lián)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(zhì)；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(jīng)過粉末活性炭吸附后的大分子雜質(zhì)一并截留下來；最后將凈水從膜外向內(nèi)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(zhì)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(zhì)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(zhì)的附著率，當(dāng)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(zhì)，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(lián)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(chǎn)生的副產(chǎn)物[1]。

3.2 混凝與超濾膜聯(lián)合工藝

混凝指的是將溶液中的雜質(zhì)形成絮體，這部分雜質(zhì)是超濾膜自身無法去除的雜質(zhì)，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(lián)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(zhì)。

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

3.3 其他聯(lián)合工藝

除了上兩點介紹的超濾膜聯(lián)合工藝以外，研究機構(gòu)和市場上也應(yīng)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(lián)合工藝的進階版，可以對含氮污染物質(zhì)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(yōu)先吸附對超濾膜有污染的水雜質(zhì)，可以保證膜污染的有效降低，用于制備優(yōu)質(zhì)水[2]。

4 超濾膜的污染控制與應(yīng)用前景

4.1 污染控制

超濾膜在使用過程中容易受到水質(zhì)的影響，一般來說水質(zhì)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(zhì)時，會使得被過濾的雜質(zhì)沉淀在膜表面和孔徑內(nèi)部，使得整個超濾膜的過濾效果變差。或是當(dāng)超濾膜過濾的天然有機物質(zhì)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(chǎn)過程中改良超濾膜的性質(zhì)，選擇容易分離雜質(zhì)的耐污染材料，或是使用預(yù)涂技術(shù)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(fù)；其次在過濾前改善水質(zhì)，在原溶液通過超濾膜之前使用一些化學(xué)藥劑或物理活性炭對其做預(yù)處理，盡量去除一些可以去除的雜質(zhì)，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(xué)手段沖洗超濾膜，將孔徑內(nèi)的雜質(zhì)去除，恢復(fù)其膜通量[3]。

4.2 應(yīng)用前景

首先，尋找更加優(yōu)質(zhì)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(wěn)定性等，這一階段需要投入大量投資，并多次重復(fù)試驗；其次，在飲用水處理工藝上細(xì)化每一個實施步驟，充分使用有效的雜質(zhì)去除手段，保證溶液在經(jīng)過超濾膜前維持在污染較輕的范圍內(nèi)，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(fù)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(yīng)用前景。應(yīng)該研究出包括超濾膜技術(shù)在內(nèi)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(fā)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(jié)語

在當(dāng)前我國環(huán)保工程飲用水處理的眾多技術(shù)當(dāng)中，超濾膜技術(shù)無論對飲用水資源的處理質(zhì)量方面，還是處理效率方面都具有極大的優(yōu)勢和發(fā)展前景，超濾膜技術(shù)這種深度改善飲用水資源的水處理技術(shù)在我國環(huán)境保護工程的未來發(fā)展建設(shè)過程中將具有十分廣闊的應(yīng)用前景，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，超濾膜技術(shù)在未來城市飲用水處理中將能夠得到更優(yōu)的改善，為人們的日常生活提供更加優(yōu)質(zhì)的水凈化服務(wù)。