陶瓷膜在飲用水處理中的應(yīng)用與膜污染控制
行業(yè)動(dòng)態(tài)
隨著技術(shù)的發(fā)展與制備成本的降低，陶瓷膜在飲用水處理中的應(yīng)用已受到越來越多的關(guān)注。相比起有機(jī)高分子膜，陶瓷膜耐壓，耐化學(xué)清洗，抗老化能力 ，且具有更高的通量和更長的生命周期。國際上從20世紀(jì)60年代開始研究陶瓷膜在水處理中的應(yīng)用，國內(nèi)在這方面的廣泛研究則始于本世紀(jì)初，本文主要介紹陶瓷膜在飲用水處理中的應(yīng)用與膜污染控制技術(shù)。
1 陶瓷膜在水處理中的應(yīng)用與發(fā)展
由于陶瓷膜的耐壓、耐熱與耐化學(xué)性，其在高溫、含油廢水等極端環(huán)境下的穩(wěn)定性與分離性能，要優(yōu)于高分子聚合物膜，故陶瓷膜在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。但目前用于飲用水和市政污水處理的微濾/超濾膜仍以有機(jī)高分子膜為主，限制陶瓷膜在水處理中廣泛應(yīng)用的因素主要有投資成本高、裝填密度低，膜污染。
近年來，隨著國內(nèi)的陶瓷膜工業(yè)化水平逐步提高，已有超過100家本土公司進(jìn)入微濾/超濾陶瓷膜組件市場(chǎng)，陶瓷膜工藝投資成本在此背景下逐年下降，將其應(yīng)用于飲用水處理領(lǐng)域的關(guān)注度也越來越高，預(yù)計(jì)未來陶瓷膜在水處理中的市場(chǎng)會(huì)逐漸增長。由于飲用水生產(chǎn)成本通常較高、處理流程較多，陶瓷膜在其中的主要應(yīng)用方向可能是取代傳統(tǒng)飲用水處理工藝中的某些環(huán)節(jié)，例如取代沉淀池或者砂濾池。
與此同時(shí)，陶瓷膜對(duì)微生物有很好的篩分效果，能夠有效去除病原菌和病毒，因此可以減少消毒劑使用量。在陶瓷膜與混凝聯(lián)用工藝中，只需形成較小的礬花即可被陶瓷膜截留，所以可以減少混凝劑投加量和混凝時(shí)間。另有研究表明，若陶瓷膜通量能維持在150L/(m2·h)以上，其投資總成本將低于有機(jī)高分子膜。綜上所述，使用陶瓷膜的投資成本可通過減少其他方面的運(yùn)營成本、提高通量以及延長使用壽命來進(jìn)行補(bǔ)償。
膜污染仍是當(dāng)前陶瓷膜應(yīng)用于水處理的重要瓶頸，有大量的研究工作致力于減緩膜污染速率、延長陶瓷膜的運(yùn)行時(shí)間，從而減少化學(xué)清洗的頻次，目前主要有三種途徑控制膜污染：
（1）陶瓷膜組合工藝，利用混凝、光催化、臭氧化和活性炭吸附等多種物理化學(xué)過程分別與陶瓷膜進(jìn)行組合，不僅可以減緩膜污染速率，還能提高對(duì)污染物的去除效果。
（2）膜表面改性。
（3）膜池運(yùn)行條件優(yōu)化。
2 陶瓷膜污染機(jī)理
陶瓷膜污染機(jī)理根據(jù)污染物粒徑與膜孔徑的關(guān)系、污染物位置、污染物顆粒是否堆疊可分為以下四種：
（1）中間堵塞。
（2）完全堵塞。
（3）標(biāo)準(zhǔn)堵塞。
（4）濾餅層污染。
污染物類型則分為有機(jī)污染、無機(jī)污染和生物污染。
有機(jī)污染是由水中大量有機(jī)物造成的，是陶瓷膜的主要污染物，水處理過程中的無機(jī)污染并不顯著，但無機(jī)物與大量有機(jī)物的相互作用可能會(huì)加劇膜污染。生物污染是較難緩解的污染類型，對(duì)膜的潛在危害也較大，膜表面生物污染層的積聚，與生物污染特性及可溶性微生物產(chǎn)物/胞外聚合物的濃度密切相關(guān)。
3 陶瓷膜污染控制策略
3.1 陶瓷膜組合工藝
通過預(yù)處理或者原位處理工藝與陶瓷膜進(jìn)行結(jié)合可以有效減緩膜污染速率。主要有以下幾類：
3.1.1 氧化工藝與陶瓷膜聯(lián)用
原理是通過改變有機(jī)物性質(zhì)（電荷和分子量分布）控制膜污染，例如預(yù)臭氧化和原位臭氧化，通過臭氧化去除大量有機(jī)物和可溶性微生物/胞外聚合物，減少濾餅層的形成，不同的是，預(yù)臭氧化有利于維持膜通量，而原位臭氧化更有利于提升反沖洗恢復(fù)效果。另外還包括過氧化氫、高錳酸鉀和光催化預(yù)氧化法等。需要注意的是，過量氧化有可能導(dǎo)致膜污染加劇，這是因?yàn)橛袡C(jī)物被氧化成為小分子量有機(jī)物后，進(jìn)入膜孔造成堵塞。
3.1.2 混凝與陶瓷膜聯(lián)用
原理是混凝可以促使電荷中和以及絮體形成，形成一層多孔濾餅，可減少膜孔堵塞并延長化學(xué)清洗周期和使用壽命。根據(jù)是否設(shè)置預(yù)沉淀環(huán)節(jié)可將混凝-陶瓷膜組合工藝分為混凝沉淀-陶瓷膜工藝和在線混凝-陶瓷膜聯(lián)用工藝兩類，大量研究表明，混凝預(yù)處理可以改善有機(jī)物和消毒副產(chǎn)物的去除率并維持膜的通量。
3.1.3 吸附與陶瓷膜聯(lián)用
工藝形式包括吸附預(yù)處理和原位吸附，原理是借助高比表面積的吸附劑去除水中小分子、溶解性污染物，再將吸附劑截留在膜表面，阻止污染物進(jìn)入膜孔，從而緩解膜污染。常用的吸附劑有活性炭、沸石、氫氧化鎂、中孔吸附樹脂等。
3.2 膜表面改性
陶瓷膜表面改性是指通過電泳沉積法、層層涂覆法等物理化學(xué)方法將各種納米材料均勻涂覆在基底陶瓷膜表面，制成兼具陶瓷膜過濾和納米材料功能特性的改性陶瓷膜。陶瓷膜改性后能夠提升其有機(jī)物去除率和凈水效能，但如何在不犧牲過濾通量的情況下開發(fā)出防污、穩(wěn)定的表面改性陶瓷膜，仍是需要攻克的技術(shù)難關(guān)。
3.3 陶瓷膜運(yùn)行條件優(yōu)化
通常陶瓷膜采用周期性的“過濾-反沖洗”模式來運(yùn)行，運(yùn)行總時(shí)間主要取決于每個(gè)周期的不可逆污染（反沖洗無法恢復(fù)的膜污染）。因此，可以考慮從運(yùn)行條件方面進(jìn)行優(yōu)化和控制，盡量延長化學(xué)清洗周期，例如選擇合適的運(yùn)行通量、每周期過濾時(shí)長和反沖洗模式（氣洗與水洗的組合模式），適當(dāng)提升反沖洗強(qiáng)度。
4 結(jié)語
隨著需求的增加和技術(shù)的發(fā)展，陶瓷膜市場(chǎng)份額正在快速增長，預(yù)計(jì)2022～2025年，陶瓷膜市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到30.9億美元，復(fù)合年增長率為11.31%。陶瓷膜在使用壽命、通量、抗污性、反沖洗效率和環(huán)境影響方面均優(yōu)于有機(jī)膜，并且陶瓷膜成本在不斷下降，綜合考慮投資成本、運(yùn)營成本和使用壽命，陶瓷膜與有機(jī)膜在成本上已經(jīng)具有競(jìng)爭(zhēng)力。
膜污染盡管不可避免，但可以通過工藝組合、膜改性和運(yùn)行條件優(yōu)化等措施來進(jìn)行控制，盡量延長陶瓷膜的運(yùn)行時(shí)間，然后再使用化學(xué)清洗方式進(jìn)行恢復(fù)。目前陶瓷膜污染的研究主要集中在有機(jī)污染上，但對(duì)生物污染的演變以及生物量和膜的相互作用知之甚少。因此，未來的研究應(yīng)側(cè)重于了解陶瓷膜的生物污染和長期運(yùn)行時(shí)的有效預(yù)防策略。
