水處理工藝中超濾膜污染分析及預測\t

摘要：超濾膜技術因其高效、環(huán)保、能耗低等優(yōu)勢逐漸成為工業(yè)廢水處理領域的熱門技術，在工藝水深度處理及資源回收領域具有廣闊的應用前景。隨著超濾膜技術的使用，較多問題逐漸顯現(xiàn)，膜污染會導致超濾的產水性能下降，影響超濾膜的運行壽命，增加運營成本，從而制約了超濾技術的推廣應用。基于此，重點總結了超濾膜在廢水處理領域的應用現(xiàn)狀，分析了超濾膜污染現(xiàn)象，探討了膜污染類型和影響因素，并介紹膜污染模型預測的進展情況，以期為超濾膜技術的研究及工程應用提供借鑒。

關鍵詞：超濾膜；膜污染；預測；水處理

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）02-0-04

Analysis and Prediction of Ultrafiltration Membrane Contamination in Water Treatment Process

ZHANG Dufeng

（Lianyungang Hongyang Thermal Power Co.， Ltd.， Lianyungang 222000， China）

Abstract： Membrane technology has gradually become a popular technology in the field of industrial wastewater treatment due to its advantages of high efficiency， environmental protection， and low energy consumption. It has broad application prospects in the deep treatment of process water and resource recovery. With the use of ultrafiltration membrane technology， many problems have gradually emerged. Membrane fouling can lead to a decrease in the water production performance of ultrafiltration， affect the operating life of ultrafiltration membranes， increase operating costs， and thus restrict the promotion and application of ultrafiltration technology. Based on this， the current application status of ultrafiltration membranes in wastewater treatment was summarized， the phenomenon of ultrafiltration membrane fouling was analyzed， the types and influencing factors of membrane fouling were discussed， and the progress of membrane fouling model prediction was introduced， in order to provide guidance for the research and engineering application of ultrafiltration"membrane technology.

Keywords： ultrafiltration membrane; membrane contamination; prediction; water treatment

隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，以及低碳經(jīng)濟的全球化，工業(yè)廢水排放以及工藝水深度處理問題日益凸顯?；?、冶金以及制藥等行業(yè)對廢水處理和高品位、高純凈工藝水的需求日益增長。近年來，超濾膜技術得到快速發(fā)展并廣泛應用于水處理領域。超濾膜的膜孔徑在2～50 nm，以膜兩端的壓差為驅動力，可以除去水中大部分高分子量和粒徑較大的顆粒物，并允許水分子和溶解性物質通過，能確保較好的出水水質。超濾膜技術具有占地面積小、產水穩(wěn)定、能耗較低以及沒有二次污染等優(yōu)點，被認為是第三代水處理工藝。作為一種可靠、高效的分離技術，超濾膜技術廣泛應用于眾多領域，如污水處理、電廠、造紙廠以及自來水廠[1]。

在運行過程中超濾膜不可避免地會受到污染[2]，如濃差極化、濾餅層污染以及膜孔吸附和堵塞等，導致膜孔徑變小，不僅會增加運行能耗和藥劑的消耗，還會縮短超濾膜的壽命，限制了超濾膜技術的發(fā)展。

對于不同原水水質、處理工藝以及選用的膜材料，造成跨膜壓差升高和膜通量衰減的主要污染物也不盡相同。因此，針對不同水質和超濾膜特性，分析膜污染特性，明晰膜污染機理，預測膜污染方向，并由此探索出高效的污染控制方法，減緩膜污染，提升超濾膜系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性，為高純工藝水制備和廢水處理提供參考。

1 膜污染分析

通過綜合分析、歸納與提煉，從吸附原理、操作參數(shù)、影響因素、應用效果、優(yōu)勢及不足等維度，全面而深入地論述膜污染現(xiàn)象。

膜污染的吸附原理復雜多樣，主要包括物理吸附、化學吸附及生物吸附。物理吸附通過分子間弱相互作用力（如范德華力）將污染物固定在膜表面；化學吸附則涉及化學鍵的形成，使污染物與膜材料緊密結合；生物吸附特指微生物及其代謝產物在膜上的附著與生長。王旭亮等[3]特別指出，超濾膜的親疏水性對腐殖酸等有機污染物的吸附性能影響顯著，這與其表面性質及污染物特性間的相互作用密切相關。

膜污染的發(fā)生與多種操作參數(shù)緊密相關。例如，進水水質（污染物種類、濃度、pH值等）、操作壓力、跨膜壓差、膜通量、溫度以及反沖洗頻率等，均會顯著影響膜污染的程度。在實際應用中，需根據(jù)具體水質條件選擇合適的膜材料及操作參數(shù)，以減輕膜污染。

膜污染的影響因素眾多，包括水質因素（污染物種類、濃度、粒徑分布）、操作因素（操作壓力、溫度、流速）以及膜材料因素（親水性、孔隙率、表面粗糙度）。王小波等[4]的研究強調了天然顆粒污染物在膜表面積累過程中，顆粒間的相互作用及濾餅層結構對膜污染的重要影響。無機鹽與有機污染物之間的相互作用也是加劇膜污染的關鍵因素之一，如王磊等[5]的研究顯示，Mg2+濃度及離子強度的變化會顯著影響腐殖酸對膜的污染程度。

膜技術在水處理領域的應用廣泛，但膜污染問題限制了其長期穩(wěn)定運行和性能優(yōu)化。通過優(yōu)化操作條件、改進膜材料以及開發(fā)高效的膜清洗與再生技術，可以緩解膜污染，提高膜通量和截留效率。然而，不同類型的膜污染需要針對性的解決方案，這增加了實際應用的復雜性和挑戰(zhàn)性。

膜技術的優(yōu)勢在于其具有高效、節(jié)能、環(huán)保的特點，能夠有效去除水中的多種污染物。然而，膜污染問題是其推廣應用的主要瓶頸?，F(xiàn)有技術在緩解膜污染方面雖已取得一定進展，但仍存在清洗效果不佳、再生困難、膜材料成本高等不足。未來，研究應聚焦于開發(fā)新型抗污染膜材料、優(yōu)化膜組件設計以及探索更加高效的膜清洗與再生策略，以全面提升膜技術的性能與經(jīng)濟性。

膜污染是一個涉及多方面因素的復雜問題。通過上述分析可以更全面地理解膜污染現(xiàn)象，并為解決這一問題提供有力的理論支持與實踐指導。同時，應正視超濾膜技術的不足之處，不斷探索創(chuàng)新，推動超濾膜技術的持續(xù)進步與發(fā)展。

根據(jù)污染物出現(xiàn)的位置，可將膜污染分為濃差極化、膜表面污染層以及膜孔內部吸附或堵塞。濃差極化是膜過濾過程的固有現(xiàn)象，指水溶液和離子在靠近膜表面的薄層液體中的聚集。趙麗麗等[6]在研究發(fā)現(xiàn)濃差極化會引起污染物質會在膜表面結垢，促使污染雜質不斷向膜表面沉積，從而造成嚴重的膜污染。膜孔內污染由微小粒子的沉積、膠體顆粒和溶質在超濾膜孔內壁吸附或者孔內堵塞而引起。

根據(jù)污染膜的可清洗恢復性，分為可逆污染和不可逆污染?？赡嫖廴臼侵改軌蛲ㄟ^物理或者化學清洗方法去除的污染。膜表面沉積的濾餅層污染物，又稱為水力可逆污染，能夠通過反沖洗或者強化曝氣去除。膜表面凝膠層和膜孔堵塞污染，又稱為化學可逆污染，物理清洗不能有效去除，需要添加化學藥劑才能去除；不可恢復污染，又稱為永久性污染，是指用任何清洗手段都無法去除的污染，該類污染物會一直附著在超濾膜上，增大膜過濾阻力，減小膜通量，增加膜過濾過程的長期運行壓降，影響膜的使用壽命，對膜的傷害最大。

2 膜污染影響因素

膜污染是超濾技術中不可避免的挑戰(zhàn)，其根源在于原水溶質與膜材料間的復雜相互作用。該過程受多重因素交織影響，可歸結為原水特性、膜材料本質、界面相互作用及操作環(huán)境4個維度。

原水性質的pH值、黏度、離子種類及濃度、顆粒粒徑分布、污染物成分比例等均直接塑造了溶質與膜接觸時的初始狀態(tài)，進而影響污染物的吸附、沉積行為。膜材料的固有屬性，如材質選擇、孔徑結構、親疏水特性、電荷性質及表面微觀形貌，不僅決定了膜對溶質的篩分效率，還深刻影響著溶質與膜表面的相互作用模式，是膜污染發(fā)生與否及程度輕重的關鍵因素。溶質與溶質間、溶質與膜間的相互作用力網(wǎng)絡錯綜復雜，包括靜電力、疏水效應、空間位阻等物理化學機制，共同驅動著膜污染的動態(tài)進程。這些相互作用力的微妙變化，能顯著改變膜污染的發(fā)展軌跡。操作條件的調控為膜污染的預防與控制提供了方法。通過調整溫度、壓力、膜面流速及運行策略等參數(shù)，可以改善溶質在膜表面的傳輸與沉積行為，從而減輕膜污染程度，提升超濾系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行能力。

2.1 原水性質

膜污染受原水化學特性深刻影響，其中溶液pH值尤為關鍵。它不僅能夠調節(jié)污染物的電荷狀態(tài)，還直接作用于膜材料的性質，間接影響污染物在膜面的附著行為。因此溶液化學性質的變化，成為調控膜污染的重要杠桿[7-8]。離子強度的變動也能夠調控蛋白質的分子形態(tài)與分散程度，進而影響污染物與膜界面的相互作用。離子強度的增加可能促進蛋白質的聚集，加劇膜污染；反之，則可能抑制這一過程，減緩污染速率。因此，在膜技術應用中，精確控制溶液的離子強度，成為優(yōu)化膜性能、延長膜壽命的有效策略之一[9]。

2.2 膜材料

膜材料的親疏水性對膜的防污性能有很大的影響，與疏水膜相比，親水性膜表面與水分子間形成氫鍵，具有較大的膜通量，且不易被污染[10]。然而，一些研究人員研究發(fā)現(xiàn)，最初的污染形成后，污染物質的化學性質成為主要的影響因素。膜表面荷電性主要是基于異性相吸和同性相斥的原理，當帶同種電荷時，膜和污染物之間的靜電排斥力可以防止污染物沉積在膜表面，從而降低膜污染[11]。對于膜孔徑而言，基于污染物粒徑大小及分布，選擇合適的膜孔徑至關重要。膜表面粗糙度對膜污染的影響，不同的研究者有不同的觀念，有研究者認為增加膜表面粗糙度，則會增加膜表面吸附污染物的可能性，有利于污染物在膜表面的吸附；而有研究者則認為表面光滑的膜易形成致密的污染層。

2.3 相互作用

膜污染的核心在于膜面與污染物及污染物間復雜的作用力。除經(jīng)典的范德華吸引力驅動膜面與污染物的緊密結合外，靜電雙電層排斥力亦在微妙地調節(jié)著這一動態(tài)平衡。膜面的物理化學性質，特別是其親疏水性、荷電狀態(tài)及表面官能團，是調控這些相互作用的關鍵。污染物之間的相互作用也不容忽視，它們通過膠體吸附、顆粒團聚等機制，在膜表面構建起復雜的污染層，進一步阻礙了膜分離過程。這種污染物間的相互作用不僅增強了污染層的穩(wěn)定性，還可能導致膜孔堵塞，降低膜通量，加速膜的老化。因此，深入理解并調控這些相互作用，對于控制膜污染、優(yōu)化膜性能具有重要意義。

2.4 操作條件

操作條件對膜污染的影響深遠。例如，跨膜壓差是影響膜通量的關鍵因素，但跨膜壓差過高時會加劇膜面污染物的沉積，導致通量快速下降；相反，適當提高膜面流速，能有效減少污染物在膜表面的積累，通過增強渦流作用促進污染物的沖刷，但需注意避免流速過高導致能耗激增，違背低碳運行原則。因此，合理調控跨膜壓差與膜面流速，平衡處理效率與能耗，是優(yōu)化操作條件、降低膜污染的重要途徑。

3 膜污染預測

在膜污染的研究領域，盡管現(xiàn)有的數(shù)學模型如達西定律、堵孔模型等，通過膜污染指數(shù)或傳質阻力模型在一定程度上評估了超濾過程中的膜污染行為，但這些模型通常簡化了復雜的膜污染機制，難以全面反映實際過程中膜與污染物之間的復雜相互作用。因此，深入探索并開發(fā)能夠精確描述膜面污染物形成過程的數(shù)學模型，成為膜污染預防與治理的關鍵。

XDLVO理論作為定量研究界面相互作用力的有力工具，通過量化范德華力、靜電力和極性力等界面力，為理解膜表面與污染物之間的黏附行為提供了重要視角[12]。張楠[13]的研究基于XDLVO理論，結合原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）探針修飾技術，深入剖析了腐殖酸和牛血清蛋白與不同界面特性超濾膜之間的微觀作用力，揭示了這些微觀作用力對膜污染程度和機制的影響。這一研究不僅驗證了理論預測與試驗結果的高度一致性，還進一步闡明了膜污染的主控因素及其作用機制，為抗污染膜材料的開發(fā)和操作條件的優(yōu)化奠定了理論基礎。然而，膜表面與污染物的實際形態(tài)并不是光滑平面，粗糙的表面形態(tài)會顯著影響膜與污染物之間的相互作用。針對這一問題，高級XDLVO法結合表面元素積分方法和三角化測量技術，試圖構建更為真實的粗糙表面模型，以實現(xiàn)更精確的相互作用能量化。盡管這一方法在處理復雜表面形態(tài)方面具有潛力，但其量化過程耗時較長，仍需進一步優(yōu)化[14]。

為克服高級XDLVO法的局限性，陳鎰鋒等[15]人提出了采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡量化膜污染相關的界面作用力，不僅能夠量化描述污染物在膜表面的黏附行為，還基于Flory-Huggins理論，深入探討了不同影響因子對膜污染的綜合影響。這一研究不僅拓展了膜污染研究的思路，也為發(fā)展更為高效、精準的膜污染控制策略提供了新的理論依據(jù)。

通過對現(xiàn)有研究成果的深入分析和歸納提煉，可以更加清晰地認識膜污染的復雜機制。

4 結論

深入探討超濾膜法水處理中膜污染的問題，系統(tǒng)介紹了膜污染現(xiàn)象、類型、影響因素以及模型預測方法。通過綜合分析，了解到膜污染的形成機理復雜多樣，涉及物理、化學及生物等作用機制，影響因素也廣泛而深刻，包括水質條件、操作參數(shù)及膜材料特性等。這些研究為膜技術在高品質工藝水制備及污水處理領域的應用提供了堅實的理論支撐。未來，隨著科學技術的不斷進步，膜污染問題的研究將更加深入和細化。一方面，需要繼續(xù)深化理解膜污染形成機理，揭示更多未知的微觀作用過程；另一方面，應積極探索和開發(fā)新型抗污染膜材料，優(yōu)化膜組件設計及操作條件，以實現(xiàn)膜技術的長期穩(wěn)定運行和高效能應用。同時，加強跨學科合作，將膜技術與其他水處理技術相結合，構建更加完善的水處理體系，為未來的研究方向和策略制定提供有力支持。

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收稿日期：2024-12-16

作者簡介：張杜峰（1985—），男，安徽滁州人，碩士，高級工程師。研究方向：電力生產及環(huán)境保護。