超声波清洗膜污染机理及发展现状
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另外，由于空 化 泡 破 裂 的 瞬 间 会 释 放 出 巨 大 的 能量，使氢氧键断裂产生氧化能力极强的·OH 自由 基。同时，空化泡内爆时产生的冲击波亦可破坏溶 剂结构，并通过改变活性元素的溶剂化作用而影响 其反应活性。所以超声空化在一定程度上可降解反 应器中的污染物质，有助于膜分离的进行。
2 国内超声控制膜污染研究现状
超声波在液体中传播时，超声波与液体的作用 会产生非热效应，表现为液体激烈而快速的机械运 动与空化现象。超声空化指液体中的微小泡核在超 声波的作用下被激活，表现为气泡的振荡、生长、收 缩及崩溃等一系列的动力学过程。空化现象和它的 各种效应的基本特点都和液体中空穴和空化泡的形 成、猛烈闭 合 有 关。 当 气 泡 崩 溃 时，在 极 短 时 间 内， 在泡内产生 5 000 K 以上的高温和大约 50 MPa 的高 压，并伴生强烈的冲击波和速度达 110 m / s 左右的 极小“微射流喷嘴”，把水射到膜的表面上。产生的 高能冲击液对污垢层直接、反复冲击，破坏污物与清 洗件表面的吸附； 引起污物层的疲劳破坏而脱离。
·36·
清洗世界
第 11 期
能在常规化学清洗基础上有所提高。 （ 3） 超声控制膜污染的防治作用机理还需要更
膜分离设备在使用过程中的最大问题是膜污 染。根据采用的膜类型及分离物的不同，膜面污染 层可分为凝胶层和极化层两类。当采用超滤膜分离 有机溶液时，在压力差的推动下，水、离子和小分子 物质通过膜微孔到达膜的另一侧，而在膜面上截留 住大分子，造成膜面上有机物质的富集。大分子的 反向浓差扩散较慢，并且透过膜液体的流动方向与 浓差扩散方向相反，减慢了扩散，因而导致了膜面生 成凝胶层，且凝胶层会不断增厚，严重阻碍了分离的 进一步进行［1］。
利用超声控制膜污染的发展，是基于超声在水中 的一系 列 物 理、化 学 效 应。对 于 膜 错 流 过 滤 过 程 来 说，膜的透过流量而引起的浓差极化是膜污染发展的 前提。膜污染发生之后，颗粒物的沉积，会在膜表面 形成致密的凝胶层和滤饼层。把超声引入膜过滤系 统，其产生的物理效应和化学效应首先是，超声波可 以在水中产生机械振动，引起膜丝的快速抖动，从而 有利于污染物质从膜表面的脱离； 其次，超声可以在 膜表面的固 － 液边界层产生微湍流现象，可以起到很 好的混合搅拌作用，控制浓差极化的发展，从而有效 控制膜污染的发展； 最后，通过超声空化效应产生超 声冲流，可以有效冲击膜表面污染层； 超声空化过程 中，空化核的脉动可以松动滤饼层； 强烈空化作用产 生的羟基自由基可以氧化、去除致密的凝胶层［4］。
摘 要： 介绍了超声波清洗膜污染机理﹑研究现状以及存在的问题和趋势。
关键词： 超声清洗； 膜污染； 废水处理； 发展趋势
中图分类号： TG559； TB490
文献标识码： A
Principle and development status of ultrasonic cleaning membrane fouling
宫存鹏等［5］研究了在线超声控制流化床膜生物 反应器膜污染的方法与装置。该发明提供的在线超 声控制流化床膜生物反应器膜污染装置，含有进水 泵、流化床生物反应器、设置在流化床生物反应器内 的膜组件、与膜组件相连接的压差计及出水泵、填料 颗粒及循环挡板，其特征是在流化床膜生物反应器 内设有超声波发生器，并与一个设置在外部的控制 装置相连 接。 该 方 法 可 以 使 膜 污 染 得 到 较 好 的 控 制，从而提 高 了 运 行 的 稳 定 性，提 高 了 膜 的 使 用 寿 命，且装置结构简单，操作程序简便，便于自动化操 作与控制。另外，在超声空化的同时可以实现生物 反应器内的污泥减量，有助于流化床膜生物反应器 的长期稳定运行。
KANG Yong1，XU Jiao2，JIA YanqБайду номын сангаасu2
（ 1. The Technical Ministry of Shaanxi Jintai Chlor － alkali Chemical Co. ，Ltd. ，Yulin， Shaanxi 718100，China； 2. Bluestar Environmental Engineering Co. ，Ltd. ，Beijing 101318，China） Abstract： It was introduced the ultrasonic cleaning membrane fouling principle，development status and development trend in this article. Key words： ultrasonic cleaning； membrane fouling； wastewater disposal ； development trend
加上超声音频振动的协同作用，气泡还能“钻入”裂 缝作振动，使污垢脱落。同时，超声波在清洗液中传 播时产生正 － 负交变的声压。由于非线性效应在固 体和液体界面上会产生高速的声流和微声流，一方 面微声流和声流会把新鲜溶液带到膜表面。溶解膜 表面的颗粒，同时空蚀去除不溶解的污染物，减少膜 表面结垢。另一方面，产生声流和微声流能够直接破 坏污物、除去或削弱边界污层，增加搅拌、扩散作用。
第 28 卷
康 永等 . 超声波清洗膜污染机理及发展现状
·35·
镜 － 能谱分析仪分析表明，超声通过减少有机物附 着，而延长膜运行时间。
陈 福 泰 等［7］ 将 超 声 波 用 于 膜 生 物 反 应 器 （ MBR） 的在线清洗，考察了对膜污染的控制效果以 及在线超声清洗对混合液性质的影响。结果表明， 在线超声清洗对膜污染具有良好的控制效果，但会 引起污泥总活性降低、平均污泥粒径减小、过滤性能 变差； 超声空化作用对硝化活性的影响要比对有机 物分解活性的影响大； 超声功率和超声时间对混合 液的性质影响较大，超声功率越大或超声时间越长 则对混合液性质的影响越显著。为避免混合液的性 质过度恶化，在线超声清洗的功率不宜过大，每次清 洗的时间以 5 min 左右为宜。
超声波具有十分特殊的性质，即“超声空化”作
用。当超声波在液体中传递碰到固体界面时，声波 在碰撞点受到压缩之后立即产生反弹。声波的反弹 造成该碰 撞 点 形 成 一 个 微 小 的“真 空 泡”。“真 空 泡”瞬间崩溃，局部产生数百千帕及上千摄氏度的高 温。这是超声波所携带能量的一种瞬间释放方式， 称之为超 声 的“空 化 ”现 象。 由 于 超 声“空 化 ”现 象 集中在固 － 液界面上，因而对作用点及其周围产生 极强的冲击作用，对附着在膜表面上的凝胶层及沉 淀物产生强烈的剥离效应。同时，被剥离下的附着 物在超声波的推动下，快速扩散，使膜面浓度与主体 溶液浓度趋于一致。故超声技术应用于大分子的膜
收稿日期： 2012 － 02 － 08 作者简介： 康 永（ 1983 － ） ，陕西富平人，助工，现从事化工工艺技术研发。
·34·
清洗世界
第 11 期
错流过滤过程，可以有效提高渗透通量，控制膜污染 的发展。对于膜清洗过程，超声可以有效提高清洗 效果［2 － 3］。
1 超声控制膜污染机理
超声波应用于膜分离技术中主要是用超声波来 强化膜分离与清洗，提高膜通量。研究表明，超声技 术应用于大分子的膜错流过滤过程，可以有效提高 渗透通量，控制膜污染的发展。对于膜清洗过程，超 声可以有效提高清洗效果。
晋卫等［9］研究了 40 kHz 超声波处理器在特定 声强（ 1 700 W / m2 和 2 700 W / m2 ） 下对聚偏氟乙烯 （ PVDF） 中空纤维膜组件的破坏情况、浸泡时间对清
洗效果的影响、超声协同化学浸泡对膜的清洗效果 和超声抑垢过程。得出普通清洗方法清洗时间以 6 h 最佳，通量提高率为 19. 2% ； 利用超声辅助清洗， 通量提 高 率 为 71% 。在 抑 垢 试 验 中，膜 初 始 通 量 （ 纯水通量） 为 48. 6 L / （ m2 ·h） ，在无超声及无曝气 条件下，使用 180 min 后，通量降至 37. 26 L / （ m2 · h） ，为初始通量的 67. 4% ； 当开启声强为 270 W / m2 及曝气和 600 W / m2 超声及曝气后，超滤 180 min，膜 通量为 43. 16 和 45. 36 L / （ m2 ·h） ，为初始通量的 89. 7% 和 94% ，均好于未开超声时的效果。较高的 声强，抑垢效果好。
范正虹［8］构建了超声膜 － 生物反应器，并通过 短期连续超声试验，确定了合适的工艺参数。短期 超声试验中发现，由于超声波的空化作用，在线超声 清洗会造成反应器内混合液特性的恶化，不利于膜 污染的控制。影响混合液特性恶化的主要因素是超 声功率和超声时间，污泥浓度所起的作用非常有限。 为避免混合液的特性过度恶化，降低能耗，在线超声 清洗的 功 率 不 宜 过 大，超 声 时 间 不 宜 过 长。超 声 膜 － 生物反应器适宜的运行参数为： 超声功率 300 W，超声时间 3 ～ 5 min 长期运行试验发现，长期运行 中，短时间在线超声清洗对膜 － 生物反应器中混合 液特性的 影 响 很 小，不 会 导 致 混 合 液 特 性 的 恶 化。 超声膜 － 生物反应器系统出水水质和普通膜 － 生物 反应器相似。线超声清洗对膜污染有良好的清洗效 果。在超声功率为 300 W，超声时间为 5 min，超声 间隔为 12 h 的条件下，连续运行 25d 后，和进出水完 全相同的普通膜 － 生物反应器相比，超声膜 － 生物 反应器的压差低约 10 kPa。系统运行一段时间后， 由于浓差极化减弱，膜孔堵塞等其他因素引起的膜 污染增强，在线超声清洗的效果下降。
文湘华等［10］ 发 明 用 于 污 泥 消 化 的 在 线 超 声 厌 氧膜生物反应系统及运行方法。该在线超声厌氧膜 生物反应系统包括厌氧消化罐和膜组件，膜组件外 配有超声清洗槽。运行过程中厌氧消化罐中的污泥 混合液送至配有超声清洗槽的外置式膜组件中。采 用本发明的系统，挥发性有机物负荷高达 2. 7 kg / （ m3 · d） ，高 出 传 统 工 艺 的 运 行 负 荷。在 2. 7 kg / （ m3 ·d） 的负荷下，在线超声厌氧膜生物反应系统 对剩余污泥的消化效果理想，VS 平均降解率达到 66. 8% ，在 1. 0 m / s 的低错流速度下，由于在线超声 的引入，与无超声的膜组件相比，在线超声厌氧膜生 物反应系统的膜污染程度得到控制。
专论与综述
清洗世界
Cleaning World
第29 卷 第1 期 2 013 年1 月
文章编号： 1671 － 8909（ 2012） 1 － 0033 － 04
超声波清洗膜污染机理
及发展现状
康 永1 ，徐 娇2 ，贾艳秋2
（ 1. 陕西金泰氯碱化工有限公司技术部，陕西榆林 718100； 2. 蓝星环境工程有限公司，北京 101318）
刘昕［6］构建了在线超声 － 膜生物反应器（ US － MBR） ，利用间歇超声辐照控制膜污染，结合跨膜压 差的上升和污染膜表面微观形态的变化，在不同超 声间隔时间条件下对 US － MBR 中膜污染过程进行 了分析。实验证明，在线超声有效地抑制了由上清 液有机物导致的凝胶层污染。膜表面污染层阻力分 布显示，超 声 可 降 低 凝 胶 层 阻 力。场 发 射 扫 描 电
3 超声控制膜污染存在的问题与展望
（ 1） 空化和空蚀现象对物体的破坏作用是十分 强大的，空泡溃灭过程中还同时产生强烈的振动和 噪声，对水力机械的工作效率和寿命也有很大的危 害作用。因此，在采用超声波来清洗超滤膜或用超 声波作为强化渗透的一种手段时，超声波对膜的损 伤作用是一个不可忽视的问题。
（ 2） 单纯采用低功率超声波对污染严重的超滤 膜进行直接物理清洗，通量恢复并不完全。超声波 清洗对膜处理工艺中污染的膜进行清洗可与化学清 洗进行协 同 处 理。 清 洗 时 间 有 可 能 缩 短。 另 外，将 化学清洗与超声波相结合进行清洗，膜过滤性能可
2 国内超声控制膜污染研究现状
超声波在液体中传播时，超声波与液体的作用 会产生非热效应，表现为液体激烈而快速的机械运 动与空化现象。超声空化指液体中的微小泡核在超 声波的作用下被激活，表现为气泡的振荡、生长、收 缩及崩溃等一系列的动力学过程。空化现象和它的 各种效应的基本特点都和液体中空穴和空化泡的形 成、猛烈闭 合 有 关。 当 气 泡 崩 溃 时，在 极 短 时 间 内， 在泡内产生 5 000 K 以上的高温和大约 50 MPa 的高 压，并伴生强烈的冲击波和速度达 110 m / s 左右的 极小“微射流喷嘴”，把水射到膜的表面上。产生的 高能冲击液对污垢层直接、反复冲击，破坏污物与清 洗件表面的吸附； 引起污物层的疲劳破坏而脱离。
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清洗世界
第 11 期
能在常规化学清洗基础上有所提高。 （ 3） 超声控制膜污染的防治作用机理还需要更
膜分离设备在使用过程中的最大问题是膜污 染。根据采用的膜类型及分离物的不同，膜面污染 层可分为凝胶层和极化层两类。当采用超滤膜分离 有机溶液时，在压力差的推动下，水、离子和小分子 物质通过膜微孔到达膜的另一侧，而在膜面上截留 住大分子，造成膜面上有机物质的富集。大分子的 反向浓差扩散较慢，并且透过膜液体的流动方向与 浓差扩散方向相反，减慢了扩散，因而导致了膜面生 成凝胶层，且凝胶层会不断增厚，严重阻碍了分离的 进一步进行［1］。
利用超声控制膜污染的发展，是基于超声在水中 的一系 列 物 理、化 学 效 应。对 于 膜 错 流 过 滤 过 程 来 说，膜的透过流量而引起的浓差极化是膜污染发展的 前提。膜污染发生之后，颗粒物的沉积，会在膜表面 形成致密的凝胶层和滤饼层。把超声引入膜过滤系 统，其产生的物理效应和化学效应首先是，超声波可 以在水中产生机械振动，引起膜丝的快速抖动，从而 有利于污染物质从膜表面的脱离； 其次，超声可以在 膜表面的固 － 液边界层产生微湍流现象，可以起到很 好的混合搅拌作用，控制浓差极化的发展，从而有效 控制膜污染的发展； 最后，通过超声空化效应产生超 声冲流，可以有效冲击膜表面污染层； 超声空化过程 中，空化核的脉动可以松动滤饼层； 强烈空化作用产 生的羟基自由基可以氧化、去除致密的凝胶层［4］。
摘 要： 介绍了超声波清洗膜污染机理﹑研究现状以及存在的问题和趋势。
关键词： 超声清洗； 膜污染； 废水处理； 发展趋势
中图分类号： TG559； TB490
文献标识码： A
Principle and development status of ultrasonic cleaning membrane fouling
宫存鹏等［5］研究了在线超声控制流化床膜生物 反应器膜污染的方法与装置。该发明提供的在线超 声控制流化床膜生物反应器膜污染装置，含有进水 泵、流化床生物反应器、设置在流化床生物反应器内 的膜组件、与膜组件相连接的压差计及出水泵、填料 颗粒及循环挡板，其特征是在流化床膜生物反应器 内设有超声波发生器，并与一个设置在外部的控制 装置相连 接。 该 方 法 可 以 使 膜 污 染 得 到 较 好 的 控 制，从而提 高 了 运 行 的 稳 定 性，提 高 了 膜 的 使 用 寿 命，且装置结构简单，操作程序简便，便于自动化操 作与控制。另外，在超声空化的同时可以实现生物 反应器内的污泥减量，有助于流化床膜生物反应器 的长期稳定运行。
KANG Yong1，XU Jiao2，JIA YanqБайду номын сангаасu2
（ 1. The Technical Ministry of Shaanxi Jintai Chlor － alkali Chemical Co. ，Ltd. ，Yulin， Shaanxi 718100，China； 2. Bluestar Environmental Engineering Co. ，Ltd. ，Beijing 101318，China） Abstract： It was introduced the ultrasonic cleaning membrane fouling principle，development status and development trend in this article. Key words： ultrasonic cleaning； membrane fouling； wastewater disposal ； development trend
加上超声音频振动的协同作用，气泡还能“钻入”裂 缝作振动，使污垢脱落。同时，超声波在清洗液中传 播时产生正 － 负交变的声压。由于非线性效应在固 体和液体界面上会产生高速的声流和微声流，一方 面微声流和声流会把新鲜溶液带到膜表面。溶解膜 表面的颗粒，同时空蚀去除不溶解的污染物，减少膜 表面结垢。另一方面，产生声流和微声流能够直接破 坏污物、除去或削弱边界污层，增加搅拌、扩散作用。
第 28 卷
康 永等 . 超声波清洗膜污染机理及发展现状
·35·
镜 － 能谱分析仪分析表明，超声通过减少有机物附 着，而延长膜运行时间。
陈 福 泰 等［7］ 将 超 声 波 用 于 膜 生 物 反 应 器 （ MBR） 的在线清洗，考察了对膜污染的控制效果以 及在线超声清洗对混合液性质的影响。结果表明， 在线超声清洗对膜污染具有良好的控制效果，但会 引起污泥总活性降低、平均污泥粒径减小、过滤性能 变差； 超声空化作用对硝化活性的影响要比对有机 物分解活性的影响大； 超声功率和超声时间对混合 液的性质影响较大，超声功率越大或超声时间越长 则对混合液性质的影响越显著。为避免混合液的性 质过度恶化，在线超声清洗的功率不宜过大，每次清 洗的时间以 5 min 左右为宜。
超声波具有十分特殊的性质，即“超声空化”作
用。当超声波在液体中传递碰到固体界面时，声波 在碰撞点受到压缩之后立即产生反弹。声波的反弹 造成该碰 撞 点 形 成 一 个 微 小 的“真 空 泡”。“真 空 泡”瞬间崩溃，局部产生数百千帕及上千摄氏度的高 温。这是超声波所携带能量的一种瞬间释放方式， 称之为超 声 的“空 化 ”现 象。 由 于 超 声“空 化 ”现 象 集中在固 － 液界面上，因而对作用点及其周围产生 极强的冲击作用，对附着在膜表面上的凝胶层及沉 淀物产生强烈的剥离效应。同时，被剥离下的附着 物在超声波的推动下，快速扩散，使膜面浓度与主体 溶液浓度趋于一致。故超声技术应用于大分子的膜
收稿日期： 2012 － 02 － 08 作者简介： 康 永（ 1983 － ） ，陕西富平人，助工，现从事化工工艺技术研发。
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清洗世界
第 11 期
错流过滤过程，可以有效提高渗透通量，控制膜污染 的发展。对于膜清洗过程，超声可以有效提高清洗 效果［2 － 3］。
1 超声控制膜污染机理
超声波应用于膜分离技术中主要是用超声波来 强化膜分离与清洗，提高膜通量。研究表明，超声技 术应用于大分子的膜错流过滤过程，可以有效提高 渗透通量，控制膜污染的发展。对于膜清洗过程，超 声可以有效提高清洗效果。
晋卫等［9］研究了 40 kHz 超声波处理器在特定 声强（ 1 700 W / m2 和 2 700 W / m2 ） 下对聚偏氟乙烯 （ PVDF） 中空纤维膜组件的破坏情况、浸泡时间对清
洗效果的影响、超声协同化学浸泡对膜的清洗效果 和超声抑垢过程。得出普通清洗方法清洗时间以 6 h 最佳，通量提高率为 19. 2% ； 利用超声辅助清洗， 通量提 高 率 为 71% 。在 抑 垢 试 验 中，膜 初 始 通 量 （ 纯水通量） 为 48. 6 L / （ m2 ·h） ，在无超声及无曝气 条件下，使用 180 min 后，通量降至 37. 26 L / （ m2 · h） ，为初始通量的 67. 4% ； 当开启声强为 270 W / m2 及曝气和 600 W / m2 超声及曝气后，超滤 180 min，膜 通量为 43. 16 和 45. 36 L / （ m2 ·h） ，为初始通量的 89. 7% 和 94% ，均好于未开超声时的效果。较高的 声强，抑垢效果好。
范正虹［8］构建了超声膜 － 生物反应器，并通过 短期连续超声试验，确定了合适的工艺参数。短期 超声试验中发现，由于超声波的空化作用，在线超声 清洗会造成反应器内混合液特性的恶化，不利于膜 污染的控制。影响混合液特性恶化的主要因素是超 声功率和超声时间，污泥浓度所起的作用非常有限。 为避免混合液的特性过度恶化，降低能耗，在线超声 清洗的 功 率 不 宜 过 大，超 声 时 间 不 宜 过 长。超 声 膜 － 生物反应器适宜的运行参数为： 超声功率 300 W，超声时间 3 ～ 5 min 长期运行试验发现，长期运行 中，短时间在线超声清洗对膜 － 生物反应器中混合 液特性的 影 响 很 小，不 会 导 致 混 合 液 特 性 的 恶 化。 超声膜 － 生物反应器系统出水水质和普通膜 － 生物 反应器相似。线超声清洗对膜污染有良好的清洗效 果。在超声功率为 300 W，超声时间为 5 min，超声 间隔为 12 h 的条件下，连续运行 25d 后，和进出水完 全相同的普通膜 － 生物反应器相比，超声膜 － 生物 反应器的压差低约 10 kPa。系统运行一段时间后， 由于浓差极化减弱，膜孔堵塞等其他因素引起的膜 污染增强，在线超声清洗的效果下降。
文湘华等［10］ 发 明 用 于 污 泥 消 化 的 在 线 超 声 厌 氧膜生物反应系统及运行方法。该在线超声厌氧膜 生物反应系统包括厌氧消化罐和膜组件，膜组件外 配有超声清洗槽。运行过程中厌氧消化罐中的污泥 混合液送至配有超声清洗槽的外置式膜组件中。采 用本发明的系统，挥发性有机物负荷高达 2. 7 kg / （ m3 · d） ，高 出 传 统 工 艺 的 运 行 负 荷。在 2. 7 kg / （ m3 ·d） 的负荷下，在线超声厌氧膜生物反应系统 对剩余污泥的消化效果理想，VS 平均降解率达到 66. 8% ，在 1. 0 m / s 的低错流速度下，由于在线超声 的引入，与无超声的膜组件相比，在线超声厌氧膜生 物反应系统的膜污染程度得到控制。
专论与综述
清洗世界
Cleaning World
第29 卷 第1 期 2 013 年1 月
文章编号： 1671 － 8909（ 2012） 1 － 0033 － 04
超声波清洗膜污染机理
及发展现状
康 永1 ，徐 娇2 ，贾艳秋2
（ 1. 陕西金泰氯碱化工有限公司技术部，陕西榆林 718100； 2. 蓝星环境工程有限公司，北京 101318）
刘昕［6］构建了在线超声 － 膜生物反应器（ US － MBR） ，利用间歇超声辐照控制膜污染，结合跨膜压 差的上升和污染膜表面微观形态的变化，在不同超 声间隔时间条件下对 US － MBR 中膜污染过程进行 了分析。实验证明，在线超声有效地抑制了由上清 液有机物导致的凝胶层污染。膜表面污染层阻力分 布显示，超 声 可 降 低 凝 胶 层 阻 力。场 发 射 扫 描 电
3 超声控制膜污染存在的问题与展望
（ 1） 空化和空蚀现象对物体的破坏作用是十分 强大的，空泡溃灭过程中还同时产生强烈的振动和 噪声，对水力机械的工作效率和寿命也有很大的危 害作用。因此，在采用超声波来清洗超滤膜或用超 声波作为强化渗透的一种手段时，超声波对膜的损 伤作用是一个不可忽视的问题。
（ 2） 单纯采用低功率超声波对污染严重的超滤 膜进行直接物理清洗，通量恢复并不完全。超声波 清洗对膜处理工艺中污染的膜进行清洗可与化学清 洗进行协 同 处 理。 清 洗 时 间 有 可 能 缩 短。 另 外，将 化学清洗与超声波相结合进行清洗，膜过滤性能可