超滤膜技术在自来水厂中应用的研究进展

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随着水环境污染加剧，以及《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）的实施，发现了许多常规饮用水处理工艺不能很好解决的新水质问题。如，受污染水源水经常规的混凝、沉淀及过滤工艺只能去除水中20%-30%的有机物；普遍存在的氨氮问题常规处理也不能有效解决，一般使用的折点加氯法[1]来控制出厂水中的氨氮浓度会产生的有机卤化物导致水质毒理学安全性下降。总之，常规的饮用水处理工艺 (第一代饮用水技术)加臭氧——活性炭深度处理(第二代饮用水技术)已不能适应现有的水源和水质标准，因此，必须开发新的水处理技术。

与传统水处理工艺相比，超滤工艺[2-7]可以有效地将原水中的大分子、胶体、蛋白质、微粒等去除，且当不使用化学或紫外消毒时超滤对病毒仍有很好的去除效果，从而降低后续消毒加氯量，减少消毒副产物的生成量。也就是说，超滤技术不仅是保障饮用水微生物安全性的最有效技术，其还在很大程度上提高了饮用水化学安全性[8]。同时其具有使用的压力低、产水量大，更便于操作的优点，故超滤技术被称之为第三代饮用水技术倍受水处理研究者的关注[9]。

本文重点介绍了超滤膜技术的发展历史和现状，分析了膜污染的机理以及改善超滤膜耐污染的方法，以期为自来水厂的净化工艺改造提供参考或指导。

2 超滤膜技术超滤膜技术是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术[9]，其作用相当于以除浊为目的的传统处理工艺，随着膜价格的下降，它可望取代混凝、沉淀、砂滤和消毒的常规的自来水生产工艺[7]。其截留机理主要是通过筛分作用来截留水中的颗粒物

超滤膜技术在自来水厂中应用的研究进展

汪 琳 胡克武 冯兆敏

（珠海市水务集团有限公司，广东珠海 519020）

摘要：该文综述了超滤膜技术及其制膜材料的研究现状，分析了超滤技术用于自来水厂的最大障碍—膜污染的机理。并简述了近年来自来水厂通过原水预处理、不同的膜清洗方法和优化操作条件等改善超滤膜污染方面的新进展，介绍了近年来国内外超滤膜技术在自来水厂中的应用现状，展望了超滤膜技术应用于自来水厂的前景。

关键词：超滤；超滤膜技术；膜污染；自来水厂质，即在膜两侧一定的压力差为推动力的作用下，当水流过膜表面时，只允许各种低分子溶质(如水、无机盐、矿物质)透过膜，成为渗透液被收集，而大于膜孔的各种高分子物质(如各种悬浮物、胶体、细菌、病毒 、蛋白质等)被截留成为浓缩液外排[10]。一般来说，超滤所分离的组分直径为0.005—10μm，相对分子质量大于500的分子和胶体，通常这种液体的渗透压很小，可以忽略。因而超滤技术所采用的操作压力较小，一般为0.1-0.5MPa，超滤膜常用非对称膜，膜的水透过率为0.5-5.0m 3/(m 2·d)。

超滤膜根据膜制作材料可分为有机超滤膜和无机超滤膜。有机超滤膜有聚丙烯(PP)、醋酸纤维素、聚酰胺和聚砜，也可用聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)、聚四氟乙烯(PTFE)等。目前应用最多的聚砜是20世纪60年代后期出现的一种新型工程塑料，由双酚A和4，4′-二氯二苯砜缩合制得，具有优良的化学稳定性、热稳定性和机械性能；聚偏氟乙烯和聚醚砜则分别以良好的溶剂相溶性和狭窄的孔径分布谱图而出众，而得到广泛应用[11]。同样，无机膜材料也种类繁多，如陶瓷、金属、玻璃、硅酸盐、沸石及碳纤维等。由于陶瓷膜具有耐高温、耐腐蚀的特点，因此陶瓷膜为无机超滤膜中最常用材料，碳膜次之，而玻璃膜尚不具备工业意义[12]。 虽然无机超滤膜具有使用寿命长、耐高温、耐酸碱、抗氧化、抗溶剂等优点，但其没弹性、较脆、不易加工成型、不如有机超滤膜方便的缺点，严重制约着无机超滤膜的发展。因此，今后一段时期内，有机超滤膜制膜材料可能仍将是超滤膜研究主要方向之一，无机超滤膜将是超滤膜研究中快速发展的方向之一。同时，为了弥补单一材

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料自身不足，把两种或多种材料混合制成膜以改善某一种材料某一方面不足或共同体现两种、多种材料各自的甚至是单独不具备优点，这种大大增加膜性能的材料是今后超滤膜的发展趋势。

3 超滤膜的污染机理 Collins [13]发现三卤甲烷形成潜力(THMFP)主要是由分子质量小于10000u的分子引起的。目前公认这部分低分子质量溶解性有机物不仅是三卤甲烷的前驱物，而且还常常是膜污染的主要因素。Chen Y [14]等根据天然有机物的组分和分子质量推定混凝预处理阻止膜污染的作用和机理，认为分子质量相对高的疏水性化合物是导致超滤通量快速下降的原因。Koltuniewicz等[15]以错流及死端过滤方式处理正十二烷/水乳液，分析并比较了不同的陶瓷膜和聚合物膜的性能，发现膜污染的顺序是由内至外。Bhattacharyya等[16]应用非纤维素类的管式膜超滤润滑油—非离子洗涤剂—水溶液时，通过观察膜的内污染和外污染现象，了解到膜污染和清洗条件与油/水体系的类型有关。Lipp等[17]通过研究用不同的超滤膜材料处理含油乳液，以及Lee等[18]用聚合物膜超滤溶解油—表面活性剂—水乳液，研究了浓差极化和膜污染的关系，均证明了膜污染的主要原因是由油滴在膜表面聚集并产生的凝胶极化导致的。

4自来水厂改善超滤膜耐污染的方法今后膜制造业减缓膜污染的关键是研发高性能、高强度、耐污染、寿命长的膜材料，优化膜组件的构造。自来水厂则可以通过有效的技术手段可以尽量延缓膜污染的进程，降低膜污染的程度，如原水预处理、有效的膜清洁方法等。

4.1原水预处理

在原水进入超滤前，通过预处理除去水中的有机物，可以减轻膜负荷和污染。防止膜化学损伤、延缓膜污染、强化膜分离效果等方面的大量研究表明，对原水进行有效的预处理是混凝、活性炭、预氧化等预处理技术。

Xia S [19]等在采用超滤设备处理水库水作为饮用水的试验中，发现在超滤前使用混凝可以提高渗透通量和延缓膜通量降低。且聚合体混凝剂较单体混凝剂对增强混合液过滤性能有更好的效果，能够抑制凝胶层的形成，减缓污染的发展，消除膜表面稳定的污染物。董秉直[20]等采用在线混凝—超滤膜工艺处理微污染水，发现在线混凝能有效控制膜污染。Chen Y [14]

等认为混凝剂可以有效去除水中疏水性有机物而使得膜污染降低，膜通量增加。

日本为期3年的“MAC21计划”[21-22]的研究结果表明，超滤对浊度、总铁、细菌和大肠菌群均有很好的去除效果，但对水中的有机物和氨氮的去除率相对较低。张捍民[23]等在用淹没式中空纤维膜过滤装置去除饮用水中污染物的实验研究中也发现，淹没式中空纤维膜过滤装置对悬浮固体、胶体、细菌的去除效果很好。但对有机物的去除效果不理想，不能可靠地保证出水有机物浓度。投加粉末活性炭可以吸附原水中溶解性有机物，改善出水水质，同时还可延缓膜污染。董秉直[24]等采用粉末活性炭—超滤膜工艺对微污染原水进行处理，发现投加粉末活性炭不仅能有效提高膜通量，还能防止膜污染。投加粉末炭后的反冲洗能迅速恢复膜通量，尽管粉末炭黏附在膜表面，形成粉末炭的滤饼层，但滤饼层保护膜避免了污染。S．Omer [25]等认为增加粉末活性炭的投量可以强化生物反应器中微生物的活性，降低膜污染。

Liang Heng [26]等在考察高锰酸盐/氯预处理对控制藻类污染效果的研究中发现，联合使用高锰酸盐/氯可以减小超滤膜污染的速率，且对抑制藻细胞活性有促进作用。

混凝、活性炭、预氧化等预处理工艺去除和抑制有机物污染膜面的最有效方法。但不适当的预处理对清洗后膜通量恢复有反作用，因此需根据料液及膜材料的性质选择有效的预处理方法。

4.2 膜清洗方法

超滤膜运行一定时间后，跨膜压差会升高，膜通量会下降，出水水质变差。为使超滤过程得以正常进行，恢复膜过滤性能，必须及时对污染膜进行清洗。如，Liang Heng [27]等采用最为常用的水洗法，实验发现先逆流冲洗后正冲对于富藻水库水污染的超滤膜通量的恢复明显优于仅单独加强正冲或反冲流量的冲洗技术，即采用联合抗污染清洗策略有显著效果。Chai X．J．[28]将超声波清洗工艺降解协同水洗应用于去除超滤膜污染，发现膜通量的恢复远高于单独使用水洗。Muthukumaran S [29]发现超声有助于膜通量的恢复，通量恢复是随超声时间和强度的增加而增加。表面活性剂与超声辐照联合使用有协同效应，比单独使用一种方法效果更好。

无论采用哪种物理方法，都只能冲刷掉膜表面的污染物。因此，使用化学药剂对超滤膜进行清洗是必