超滤直接过滤微污染水的膜污染清洗研究

第33卷第4期东北电力大学学报Vol．33，No．4 2013年8月Journal Of Northeast Dianli University Aug．，2013文章编号：1005－2992（2013）04－0006－04超滤直接过滤微污染水的膜污染清洗研究张瑛洁1，岳显1，朱云峰2，林茹1，袁明园1（1．东北电力大学化学工程学院，吉林吉林132012；2．华电能源哈尔滨第三发电厂化学分厂，哈尔滨150024）摘要：针对微污染珠江水会对超滤膜产生的无机物、有机物、微生物等污染，利用超滤直接过滤珠江水，采用多种化学清洗剂对超滤膜进行了清洗试验，考察了几种化学清洗剂对污染膜的清洗效果。

试验结果表明：酸、碱、NaC1O溶液对膜通量的恢复都有一定的效果，但是都不能使膜通量恢复到初始水平，NaC1O对超滤膜膜通量的恢复效果优于单一NaOH碱溶液、HCl清洗、柠檬酸清洗效果；NaOH和NaClO、NaClO和表面活性剂复合清洗剂对膜通量的恢复均有较好的效果，3．0g/L NaClO和2．0%NaOH复合溶液、2%NaOH、3．0g/L NaClO和0．25%SDS复合溶液清洗后膜通量恢复率高达98%以上。

关键词：超滤；清洗；膜污染中图分类号：X703．3文献标识码：A膜分离特别是超滤技术作为一种高效水处理工艺在水质净化领域中显示了常规技术难以达到的良好效果和广阔的应用前景［1］。

但是，由膜污染引起的膜通量下降、膜使用寿命降低以及膜更换导致制水成本较高等一系列问题，严重制约了超滤技术的工业化推广，成为其工程应用的瓶颈问题［2］。

从污染物种类来分，膜污染可分为沉淀污染、吸附污染和生物污染［3］。

膜清洗目的是采用合理的清洗方法对已经被污染过的膜进行清洗和再生，一般采用的方法是首先要破坏膜表面的溶质所形成的吸附层，然后再清除膜孔道内的一些杂质，使膜尽可能恢复到原始的通量［4］。

在正常运行过程中超滤膜不可避免地会被无机盐、胶体、微生物、有机物等污染造成膜孔堵塞导致出水流量显著下降并影响出水水质降低使用寿命，因此在超滤实验中必须要对膜和膜组件进行定期的清洗和维护，以保持膜的透过通量维持在一个很好状态，这样就延长膜的使用寿命，减少经济成本［5］。

清洗方法一般是根据膜的化学性质和处理料液的性质来确定。

常用的清洗方法有机械清洗、化学清洗以及机械、超声波和化学清洗的综合技术。

目前解决此问题最有效的方法就是对超滤膜定期进行化学清洗以保证处理水量和出水水质［6］。

本文以超滤直接处理处理微污染地表水的膜组件为研究对象，比较几种常规化学清洗剂对污染膜的清洗效果，以提出一种能迅速、高效地恢复膜通量的化学清洗技术。

1试验材料与方法1．1原水水质试验原水取自广州珠江水。

随着广州经济的发展，珠江水源受污染程度日益加剧，现已呈现微污染收稿日期：2013－01－14基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2009AA06Z310）；国家自然基金项目（50978067）；十一五水专项（2008ZX07421－002，2009ZX07424－005，2009ZX07424－006）；吉林省科技发展计划资助项目（20116022）作者简介：张瑛洁（1969－），女，吉林省吉林市人，东北电力大学化学工程学院教授，博士，主要研究方向：水的高级氧化、膜分离与膜催化．的现状，水体中NH 3－N 、COD Mn 含量较高。

珠江水质常年变化较大，试验期间，珠江原水水质如下：表1试验期间原水水质检查项目水温（ħ）pH NH 3－N （mg /L ）COD Mn （mg /L ）浊度（NTU ）范围18 326．7 7．57 153．5 1020 200平均值257105．5451．2试验装置采用超滤直接过滤原水研究超滤膜膜清洗试验，超滤膜膜清洗试验装置安装于广州鹤洞水厂试验现场，以鹤洞水厂水源水珠江水作为膜系统待滤水，通过离心泵送入试验系统。

试验系统包括浸入式中空纤维超滤膜组件、透过水箱、主机、反洗系统、配电与自动控制装置等。

试验装置见图1。

试验用膜采用天津膜天膜浸没式中空纤维超滤膜，膜材质为合金PVDF ，内径为0．65mm ，外径为1．0mm ，孔径为0．02μm ，有效过滤面积为18m 2。

试验工艺流程如图1所示：图1工艺流程图膜过滤系统以顶端进水、顶端出水的方式进行超滤，采用连续不间断运行，出水进入产水箱。

（1）过滤：采用浸没式的过滤方式，关闭阀1、阀3、阀5，开启阀2、阀4，阀6，打开吸水泵进行抽吸，经过转子流量计进行计量。

（2）反冲洗：过滤结束后进行反洗，关闭阀2、阀4，开启阀1、阀4、阀5，打开空气压缩机和反洗泵，气水同时反洗5min ，抖动膜丝的同时从膜内向膜外水力反洗，恢复膜通量。

反洗结束不排掉膜池内的水，继续过滤。

（3）化学清洗：当跨膜压差达到临界值时，停机进行化学清洗，以便于膜通量的恢复。

1．3清洗效果测试膜通量恢复系数r 来表示，其定义［7］为：r （100%）=J Q /J O ˑ100%，式中：J Q 为清洗后膜的纯水透过通量；J O 为膜的初始纯水透过通量。

2试验结果讨论2．1酸洗洗后膜通量恢复情况试验先采用清水清洗超滤膜，清洗完后分别用0．5%－2．5%的HCl 、柠檬酸浸泡超滤膜4h 、8h 。

清洗后的效果如图所示。

无机酸主要用来清除无机垢，使污染物中一部分不溶性物质转变为可溶性物质［8］。

从图中可以看出，水中的无机物对超滤膜有一定的污染，采用HCl 清洗和柠檬酸清洗都对膜通量的恢复有一定效果，HCl 清洗比柠檬酸清洗效果较好且浸泡8h 效果较好；但是附着在膜组件上的有7第4期张瑛洁等:超滤直接过滤微污染水的膜污染清洗研究机物质不能被酸类物质有效的溶解，甚至酸类物质会使其附着更加紧密，所以对水通量的恢复所产生的作用不理想。

图2HCl清洗效果图图3柠檬酸清洗效果图2．2碱洗后膜渗透通量恢复情况试验先采用清水清洗超滤膜，清洗完后分别用0．5%－2．5%的NaOH 浸泡超滤膜4h 、8h 。

清洗后的效果如图所示。

强碱主要是清除油脂、蛋白、藻类等的生物污染、胶体污染及大多数的有机污染物［9］。

氢氧化钠主要是清洗膜表面吸附的污染物以及和膜面结合较为紧密的污染物。

试验结果表明，有机物和细菌由于长期积累粘附在膜的内部和吸附在膜表面，NaOH 碱溶液清洗不能一下清除大量污垢，因此，清洗时间越长清洗效果越好。

但是较高浓度与较长浸泡时间条件下，NaOH 碱溶液清洗后膜通量恢复较好，清洗后超滤膜的运行周期延长较高。

图4NaOH清洗效果图图5NaClO 清洗效果图图6表面活性剂清洗效果图2．3氧化剂清洗后膜渗透通量恢复情况试验先采用清水清洗超滤膜，清洗完后分别用1．0g /L －3．0g /L NaClO 浸泡超滤膜4h 、8h 。

清洗后的效果如图所示。

超滤膜膜能够截留细菌、病毒，当超滤膜以死端过滤方式运行时，细菌、病毒会完全沉积于膜表面或膜孔中使出水通量下降，NaClO 不仅可以氧化膜表面的有机物，还可以清除微生物的污染，从而实现膜通量提高［10］。

NaC1O 清洗试验表明，NaC1O 对超滤膜膜通量的恢复有明显的效果，效果优于NaOH 碱溶液、HCl 清洗比柠檬酸清洗效果，且随着浸泡时间的增加，NaC1O 浓度的提高，超滤膜的膜通量恢复有一定的提高。

但是NaC1O 浓度需控制在适当的范围以内，因为较高的NaC1O 浓度条件下会破坏膜组件，从而增加膜组件的清洗成本。

8东北电力大学学报第33卷2．4表面活性剂清洗后膜渗透通量恢复情况表面活性剂能够降低和它接触的物质的表面张力，同时它能提高PVDF 膜的亲水性［11］。

单独使用的效果不佳，不能完全发挥表面活性剂的功效。

考虑到氢氧化钠溶液能够溶解蛋白质和脂类，表面活性剂的润湿、渗透、乳化、分散、增溶作用会使碱溶液的皂化更加完全，将二者配合使用。

试验先采用清水清洗超滤膜，清洗完后分别用0．05%－0．25%十二烷基磺酸钠（SDS ）溶液与1%NaOH 浸泡超滤膜4h 、8h 。

清洗后的效果如图所示。

清洗试验对比研究表明，表面活性剂碱溶液对超滤膜膜通量的恢复有效果，但是增加表面活性剂的浓度与浸泡时间，清洗效果增加的特别的显著，这与文献报道的结果一样。

2．5复合药剂清洗后膜渗透通量恢复情况单一清洗剂对膜通量的恢复都有一定的效果，但是都不能使膜通量恢复到初始水平，故考虑使用清洗剂的复合使用。

考虑到膜表面的污染物是由有机物、微生物和无机物组成，因此选取单一清洗剂中效果相对较好的NaOH 和NaClO 作为复合清洗剂。

试验结果表明，NaOH 和NaClO 复合清洗剂、NaOH 、NaClO 和表面活性剂的复合清洗剂对膜通量的恢复均有较好的效果，且2%NaOH 加3．0g /L NaClO 复合清洗剂、2%NaOH 、3．0g /L NaClO 加表面活性剂的复合清洗剂的清洗效果较明显，膜通量能基本完全恢复。

主要是因为NaOH 和NaClO 联合使用能够破坏膜与污染物之间的联系，NaOH 能够增加溶质的溶解性，通过水解和增溶作用，改变污染物的形态，使污染层变成更加疏松，开放的结构；而表面活性剂的润湿、渗透、乳化、分散、增溶作用对NaOH 和NaClO 联合清洗效果有一定的提高。

图7NaOH 和NaClO复合试剂清洗效果图图8NaClO 与表面活性剂的碱溶液清洗效果图3结论通过采用超滤直接过滤原水研究超滤膜膜清洗试验，可知酸、碱、NaC1O 溶液对膜通量的恢复都有一定的效果，但是都不能使膜通量恢复到初始水平，NaC1O 对超滤膜膜通量的恢复效果优于单一NaOH 碱溶液、HCl 清洗、柠檬酸清洗效果，一定浓度下的表面活性剂碱溶液对超滤膜膜通量的恢复有较好效果，而2%NaOH 加3．0g /L NaClO 复合清洗剂、2%NaOH 、3．0g /L NaClO 加表面活性剂的复合清洗剂清洗后膜通量恢复率高达98%以上，复合试剂可以作为超滤直接过滤工艺的化学清洗试剂再生超滤膜。

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