超滤膜在水处理中的污染及其控制措施

超滤膜在水处理中的污染及其控制措施
关键词：超滤膜膜污染污染机理
一、前言
膜滤技术在水处理工艺中应用得到飞速发展，它能有效地分离去除水中的微生物、细菌、无机颗粒和有机物质等，并且具有处理水质稳定高效、占地面积小、节省药剂投加量、易于实现自动化操作等优点。

但由于膜表面极易污染堵塞，造成膜通量减少，只有通过增加反冲洗频繁，保证制水能力，导致膜的使用寿命大大缩短，从而增加了运行和经营成本。

膜过滤工艺的最终目标是要实现最低能耗下的高膜通量，现以陕西陕焦化工有限公司（下称陕焦）脱盐水站程控超滤的运行状况为基础分析如何控制膜污染速度。

二、膜污染过程机理
掌握膜污染的机理是膜滤技术的关键，影响膜污染的最主要的因素是处理溶液中粒子与膜材料的互相作用，广义的膜污染不仅包括由于堵塞引起的污染，不可逆的吸附污染，而且包括由于浓差极化形成的凝胶层的可逆污染。

在水处理中比超滤膜孔径大的溶解性有机物是构成膜污染的主要成分，产生的膜阻力超过总膜阻力的50%，整个膜污染过程分为三个阶段：第一阶段是随着生物聚合物浓度的不断提高，可供使用的活性孔数量越来越少；第二阶段是迁移性生物聚合物沉积在孔内吸附的生物聚合物上，从而形成膜污染。

第三阶段，越来越多的迁移性生物聚合物聚集在膜表面，形成凝胶层和泥饼层。

随着生物聚合物浓度的变化，膜污染阶段可以合并变成两
个阶段或阶段之间可相互转换。

三、膜污染的影响因素
影响膜污染的因素主要有：膜结构及特性、膜使用条件、原水水质。

1.膜结构及特性
膜结构及特性对控制膜污染十分重要。

在超滤过程中，膜、溶质和溶剂之间的相互作用受到膜材质、膜孔结构、膜的憎水性、膜表面电荷、膜的表面粗糙度等因素的影响，同时膜表面特性对于细菌的生存也起着重要作用。

当膜孔与粒子或溶质的尺寸相近时，极易产生堵塞作用，而当膜孔小于粒子或溶质的尺寸时，由于横切流作用，它们在膜表面很难停留聚集，不易堵孔。

膜孔径分布或分割分子量敏锐性，也对膜污染产生重大影响。

对于微滤膜，对称结构较不对称结构更易堵塞；对于中空纤维膜，单内皮层中空纤维比双皮层膜抗污染能力强。

膜表面粗糙度的增加会使膜表面吸附污染物的可能性增加，增加了膜表面孔的吸附，导致的膜孔堵塞，但同时也增加了膜表面的扰动程度，阻碍了污染物在膜表面的形成，减少了膜孔对污染物质的机械截留所导致的膜孔堵塞，因此膜表面粗糙度对膜孔堵塞的影响是两方面效果的综合体现。

2.使用条件的影响
运行条件如温度、压力、膜面速度、水中杂质含量等对控制膜污染非常重要。

温度越高产水能力越大，产生浓差极化污染的几率下降，但是温度过高将引起膜不可恢复性吸附污染。

对于压力而言，
随着压力的增长膜的通量不增加，但存在最高值，当压力再升高膜的通量开始下降，压力增大的同时膜上浓差极化程度加剧，跨膜压差随着增长，逐渐形成致密的凝胶层，产水能力就开始快速下降，因此应该满足生产的条件下尽量保证在较低压力下运行。

膜面流速是影响产水量和运行周期的一个主要因素，膜面流速越高，膜面淤积大分子胶体和细菌藻类形成滤饼层厚度越小，与此同时由于膜两侧浓差缩小，浓差极化形成凝胶层的阻力也会大幅下降，从而使膜的使用周期得以延长。

超滤水中的悬浮物、菌藻类含量长期偏高，不但会增加滤饼层阻力，而且由于细菌藻类分泌物与杂质的协同作用使膜孔受到不可恢复性的堵塞和局部腐蚀。

3.原水水质
ph值和离子强度对膜污染的影响跟进水水质有很大关系，即使溶液中胶体等大分子物质的浓度较低（ 0.001～0.01g/ l），膜面也可形成足够的吸附，使通量有明显下降，是孔吸附和堵塞的主要原因，ph 值的改变不仅会改变胶体的带电状态，也改变膜的性质，从而影响吸附，故是膜污染的控制因素之一。

溶液中离子强度的变化会改变胶体的构型和分散性，影响吸附。

膜面会强烈吸附盐，从而影响膜的通量。

在低ph值下，膜表面电位为正值，这时膜表面和腐殖酸之间存在静电引力，使得表面附着现象明显，从而产生膜污染，降低膜通量。

随着值升高，引力减小，斥力增大，减轻膜污染。

四膜污染的防制措施
控制浓差极化和膜污染面的研究主要集中在改良膜的性质、改变原水的特性、优化分离操作条件及对膜进行预处理、定期反冲洗等方面。

现以陕焦脱盐水两年来的运行情况为主，对膜过滤工艺改进进行阐述。

陕焦脱盐水原水来自桃渠坡水库，途经新区水厂处理出水浊度小于1ntu，经管道泵一路输送入厂内2000m3×2的蓄水池，经新鲜水泵送至脱盐水工序，在加入杀菌剂后进入叠片过滤器，然后经过蒸汽加热器、程控超滤、超滤水箱、活性炭过滤器、保安过滤器、反渗透等设备。

桃渠坡水属地表水，在春夏换季时，水中菌藻突增，虽经水厂处理，但出水余氯很小，至陕焦水池管线漫长，菌藻类得到遏制，致使杂质穿透叠片，污堵超滤，影响生产系统，造成超滤化学清洗周期仅75天；在秋冬换季时，水库受梅雨影响，水中溶解固形物和钙镁离子浓度大幅增长，水厂和水池的处理能力很有限，杂质负荷仍然集中叠盘过滤器和超滤上，导致叠片和超滤膜结垢严重，通量迅速下降，只能加大化学清洗频次。

3.1预处理
预处理是降低膜污染的研究方法之一，其包括混凝、杀菌、机械过滤等方法。

预处理影响膜的过滤性主要表现为三个方面：改变污染物粒径分布，改变污染物之间相互作用或它们在膜表面的沉积性，抑制微生物生长或是去除可生物降解的微生物。

混凝是目前为止用得最为广泛和有效的预处理方法，投加混凝剂后能大大降低膜污染程度，增加膜通量，而且比投加活性炭更为有效。

采用强氧化剂如氯、过氧化氢、臭氧等[3]来氧化和改变有机物组成部分，从
而改善出水水质减轻膜污染。

针对陕焦预处理产水量低、叠片过滤器穿透严重、超滤不能进入正常负荷的情况，因新鲜水泵供全厂生产生活用水，工艺改造只要集中在进工序支管上。

即在进入叠片过滤器前增加一套投加混凝剂的装置；在秋雨季节可有效的控制水中的离子胶体含量，减轻极化层对超滤膜的影响。

叠片后超滤前增加一套双介质过滤器做粗处理；在春夏菌藻类繁殖请，可抑制超滤进水中的菌藻类、大分子、胶体在对超滤膜的直接影响，以控制超滤进水水质。