中空纤维膜的膜污染过程及数学模型研究进展

中空 纤维 膜 由于具 有较 高 的装填 密度 和较低 的 膜 污染 模型 新 的研究 方 向和发 展趋 势．
市场 价格 ，在 污水 资源 化 、饮 用水 处理 和海 水淡 化等 １ 中空 纤维 膜
环保 领 域 获 得 广 泛 的 应 用 ，更 在 膜 生 物 反 应 器
（ＭＢＲ）技术 中获 得广 阔 的市 场 空 间ｌ１］．然 而膜 过 滤
收稿 日期 ：２ｏ１７—０７—１４；修 改 稿 收 到 日期 ：２ｏ１７一ｌＯ一２８ 基 金项 目：国家 自然科学基金 （２１４０７１４７）；中国科学院大学校部教师与研究所科研合作专项基金 （Ｙ５５２０２２Ｙ００） 第 一作 者 简 介 ：穆 思 图 （１９９３一），女 ，河 北 石 家 庄 人 ，硕 士 研 究 生 ，研 究方 向 为 膜 污 染 ．＊通 讯 作 者 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｋｘｉａｏ＠ ｕｃａｓ．ａｃ．
顾 了文献 中描 述 中空 纤 维 膜 污 染 过程 的数 学 模 型 ， 在分析中空纤维膜污染特征 的基础上 ，沿膜污染 的
２ 膜 污 染 物
发展 阶段 ，梳 理 了现有 模 型及其 建模 思路 ，为 中空纤
膜 污染类 型包 括 有 机 污 染 、无 机 污 染 和生 物 污
维膜 污染 的定 量 描述 和预 测 提 供 参 考．最 后 展 望 了 染 ，在 ＭＢＲ中通 常 以 有 机 污染 为 主 ，无 机 污 染 和生
义 ，可 为膜 污染 的针 对性 防控 提供 理论支 持 ．
式 和柱 式构 型 ；根 据其 与混 合液 的关 系 ，膜 组件 又分
中空纤 维膜 污染 的数 学模 型应 充分 考虑 其污 染 为 浸没 式和 分置 式构 型．过 滤方 式包 括恒 流／恒 压 和
沿膜 丝分 布不 均匀 的特 点 ，紧 密 结合 中空 纤 维 膜 的 死 端 ／错 流过 滤 ，出水方 式包 括 内压 式 ／外压 式 和 单
和 膜寿命 缩 短等 一系 列 问题¨４ ］．为 此 ，膜污 染 数 学 处 理 领 域 ，中 空纤 维 膜 的分 离 孔 径 通 常 为 ０．０１～
模 型对 膜 污 染 行 为 的定 量 描 述 与 预 测 具 有 重 要 意 ０．４５ ｆｍ．根据 膜 丝 的排 布 方式 ，膜 组 件 主 要 分为 帘
第 １期
穆思图等 ：中空纤 维膜的膜污染过程及数学模型研究进展
物 污染 次之 ［８］．膜 污 染 物按 照粒 径 大 小 还 可分 为颗 粒 物 、胶体 和溶解 性物 质 ，通 常胶 体 和溶解 性物 质对 膜 污染 的发展起 主 要作 用 ．膜 污染 物 的有 机 成分 包 括 多糖 、蛋 白质 和腐殖 质 等ｌ９］，通 常来 源于 微生 物代 谢 产 物和进 水 中未 降解 的有 机物 ＿１。。．有 机 污 染 物参 与到膜 污染 的各 个 阶段 ，可堵塞 膜孔 、形成 凝胶 层或 形 成 泥饼层 Ｉ】 ．无 机元 素 可 通 过 与 有 机 物 络 合 ，促 进 膜 一有 机 物 的吸 附架 桥 以及 有 机 物 一有 机 物 的凝 胶 结合 ｌ＿ｌ引，从 而 加 剧 有 机 污 染．生 物 污 染 除 了直 接 体 现 为膜 表面生 物 膜 （通 常 在 泥饼 层 阶段 ）之 外 ，还 可通过 分 泌 溶 解 性 微 生 物 产 物 （ＳＭＰ）和胞 外 聚合 物 （ＥＰＳ）等途 径 ，为有机 污染 提供 污染 源．
几 何 特征 ，系 统析 并 定 量 预 测 中空纤 维 膜 的膜 污 端 ／双 端 出水 ．在 ＭＢＲ污 水 处 理 与 回用 领 域 ，外 压
染 过 程 ，识 别各 污染 阶段 的关 键影 响 因素 ，以对 中空 式 恒 流过滤 的 聚偏二 氟 乙烯 （ＰＶＤＦ）浸 没式 膜 组 件
纤 维 膜污 染 的针对 性 防 控 提 出 指导 和建 议 ．本 文 回 获得 较大规 模应 用Ｅ１，７￣．
（１．中 国科 学 院大 学 资源 与环境 学 院 ，北 京 １０００４９； ２．河 北科 技 大学 环境 科学 与工 程学 院 ，石 家庄 ０５００１８； ３．清 华 大学 环境 学 院 环境 模 拟与 污染 控制 国家 重点联 合 实验 室 ，北 京 １０００８４）
摘 要 ：中空 纤维膜 在膜 法 污水 处理领 域 应 用广泛 ，然 而膜 污 染是 制 约 其过 滤运 行稳 定性 的 重 要 因素．结合 中空纤维 膜几何 特征 和局 部过 滤通 量 沿膜 丝分布 不均 匀的特 性 ，综述 了适 用 于 中 空纤 维膜 不 同污 染阶段 的数 学模 型 ，包括 初 期吸 附污 染模 型 、凝 胶 层 发展 模 型 、泥饼 层 压缩模 型等 ．进 一步探 讨 了不 同操作 条件 （包括 临界通 量 、水力条件 和 曝 气条件 ）对膜 丝局 部 污染 分布 的影 响及 其数 学模 型 ，为 中空 纤维膜 污染 的定量认 识 和 防控 提供 理论 支持 ．最后 总结 了现 有模 型 的特 点与 建模 思路 ，并对 该领 域模 型研 究的发 展 方 向进 行 了展 望． 关键 词 ：中空 纤维膜 ；膜 污 染 ；数 学模 型 中图分 类号 ：Ｘ７０３ 文献标 志码 ：Ａ 文章 编号 ：１００７—８９２４（２０１８）０１—０１１４—０８ ｄｏｉ：１０．１６１５９／）．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ００７—８９２４．２０１８．０１．０１７
第 ３８卷 第 １期 ２０１８年 ２月
膜 科 学 与 技 术
Ｍ ＥＭ ＢＲＡＮＥ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ０Ｌ（）ＧＹ
ＶＯ１．３８ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ． ２０１８
中空纤维膜 的膜 污染过程及数学模型研究进展
穆 思 图 。，樊 慧 菊。，韩 秉 均 ，肖 康 ，刘 春 ，黄 霞。
中空纤 维 膜是 一 种 中 空纤 维 状 、具 有 自支 撑 作
过程 中的膜 污染成 为 中空纤 维膜 实 际应用 中面临 的 用 的滤膜 ．膜材 质 包括 含氟 高 分 子 类 、聚 烯 烃类 、聚
重 大挑 战［２ ］，引发 膜过滤 性 能下 降 、运行 能 耗增 加 砜类 、芳 香 杂 环类 、纤维 素 类 和 聚醚 砜 酮 等［６Ｊ．在 水