膜工藝在飲用水處理中的應(yīng)用
行業(yè)動(dòng)態(tài)
更嚴(yán)格的飲用水標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，促使人們對(duì)應(yīng)用膜工藝產(chǎn)生興趣，如反滲透（RO），超濾（UF），微過(guò)濾（MF）和毫微過(guò)濾（NF）。在市政給水處理中，膜已應(yīng)用在除鹽，去除溶解有機(jī)物和軟化等領(lǐng)域。本文將討論膜在飲用水處理中的發(fā)展趨勢(shì)，并確定改進(jìn)膜過(guò)程效率研究的長(zhǎng)期目標(biāo)。
1 背景
膜工藝能從砂濾、活性炭吸附和離子交換處理出水中去除許多物質(zhì)。壓力驅(qū)動(dòng)的膜過(guò)程，通常用膜能有效地去除的污染物的大小來(lái)分類。MF膜能從水中去除微米級(jí)大小的物質(zhì)；UF膜去除毫微米級(jí)大小的物質(zhì)。UF和NF膜更常根據(jù)其所截留的物質(zhì)的分子量（MWCO）來(lái)分級(jí)。RO膜能去除離子態(tài)的物質(zhì)，如鈉、氯、鈣和硫酸根離子以及小的非極性的有機(jī)分子。
人工合成膜可以由有機(jī)聚合物，多孔碳，陶瓷和其它材料制成。由有機(jī)聚合物制成的膜是較普通的。陶瓷膜造價(jià)高于有機(jī)聚合物膜，但有更高的機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)氯、pH和溫度有更大的忍耐性。
在水處理應(yīng)用中，膜系統(tǒng)要有特殊的構(gòu)造，以便供水進(jìn)入后與膜的一側(cè)相接觸，滲出水從另一側(cè)收集。供水經(jīng)膜單元的人口進(jìn)入，濃水和滲出水經(jīng)單元出口分別排出。在膜的濃水側(cè)，水流對(duì)膜表面沿切線方向流動(dòng)，以沖刷沉淀物，減少物質(zhì)在膜表面的累積。
2 污染，淤塞和膜性能
把膜工藝進(jìn)一步應(yīng)用到給水處理的一個(gè)重要障礙是待處理水的污染物造成滲流量抑制的問(wèn)題。在過(guò)程中，污染物被切向水流所攜帶，而從膜表面沖走，其速度是污染物顆粒（或分子）直徑的函數(shù)。如貼附在膜表面的污物數(shù)量大于被水流帶走的，則靠近膜表面可能產(chǎn)生污物的堆積，這種現(xiàn)象稱為濃縮極化。
由于濃縮極化引起的滲流量的降低，通過(guò)水力擾動(dòng)或化學(xué)方法，可以得到恢復(fù)，這種現(xiàn)象稱為“淤塞”。而膜“污染”，主要是對(duì)膜滲流量的“不可逆”損失的描述，即膜滲流量不能靠水力或化學(xué)方法所恢復(fù)。
2.1 膜的膠體污染
在膜組件中的水流，常常是層流。此時(shí)通過(guò)布朗擴(kuò)散，內(nèi)慣性力側(cè)向遷移和剪切誘導(dǎo)擴(kuò)散，使回流傳輸可能發(fā)生。對(duì)中空纖維膜中回流傳輸數(shù)量級(jí)估算，約≤0.3μm顆粒的回流傳輸由布朗擴(kuò)散所控制，而更大的則由內(nèi)慣性力和剪切誘導(dǎo)所控制。典型的超濾，其傳輸流速為10-2.5cm/s，微過(guò)濾約為10-0.5cm/s。大于10μm的顆粒不污染UF膜，大于45μm的顆粒才不會(huì)污染MF膜。
溶解有機(jī)物可在膜表面形成一層凝膠層，或吸附到膜的基質(zhì)內(nèi)。因此原水的總有機(jī)碳（TOC）是污染膜的有機(jī)物濃度的一個(gè)重要度量。在決定無(wú)機(jī)膠體對(duì)膜污染的影響時(shí)，鈣與有機(jī)物的相互作用是很重要的。因?yàn)槲樟擞袡C(jī)分子的鈣鉻合物，降低了顆粒的穩(wěn)定性。同時(shí)，正電荷的鈣離子與負(fù)電荷的羧基團(tuán)相結(jié)合，降低了膠體表面的電荷。實(shí)驗(yàn)表明，具有同樣固體濃度的地面水對(duì)膜的污染，比“硬”的地下水要輕些。
2.2 有機(jī)物的吸附和膜污染
人們認(rèn)為，大多數(shù)的膜污染是膜的多孔基質(zhì)中吸附了有機(jī)物的結(jié)果。天然水中含有的污染膜的有機(jī)物可分為四類：多糖類，聚羧基芳香類，蛋白質(zhì)和氨基糖。每種都有不同的滯留特性，當(dāng)一起出現(xiàn)在水中時(shí)，其對(duì)膜的綜合性影響將明顯地超過(guò)各自的影響。二價(jià)陽(yáng)離子的存在和低pH，會(huì)增加天然有機(jī)物的吸附性。
有機(jī)物對(duì)膜的污染，有兩個(gè)途徑，即吸附到膜內(nèi)和在膜表面形成凝膠層。為了減輕污染，可對(duì)膜和原水進(jìn)行預(yù)處理。用來(lái)預(yù)處理膜的物質(zhì)，應(yīng)強(qiáng)有力地吸附到膜內(nèi)，而對(duì)膜本身的滲出量影響很小。對(duì)原水預(yù)處理，經(jīng)常使用酸，抗垢劑和隔離劑，以排除無(wú)機(jī)離子在膜表面的結(jié)垢。
2.3 在RO和NF中無(wú)機(jī)物沉淀的污染
在RO和NF系統(tǒng)中，濃縮極化可導(dǎo)致無(wú)機(jī)物在膜面的沉淀。為此，可對(duì)原水進(jìn)行預(yù)處理，一般有兩種方法，即除去一種多多種沉淀鹽類的離解成分或添加化學(xué)藥品以抑制沉淀。去除碳酸鹽陰離子，其沉淀就可預(yù)防，方法是使原水酸化，pH降至4～6之間。為了預(yù)防硫酸鹽和氟化鈣的沉淀，通常需加抑垢劑，以通過(guò)溶液中的離子隔離來(lái)抑制沉淀結(jié)垢。
2.4 生物污染
微生物既能產(chǎn)生淤塞也能造成污染。膜面微生物的沉積和生長(zhǎng)，形成一層增加滲透阻力的物質(zhì)。微生物也釋放有機(jī)溶質(zhì)，被膜截留而形成凝膠層。此外，細(xì)菌能降解纖維素，造成膜性能的下降而產(chǎn)生質(zhì)差的滲出水。為控制微生物的生長(zhǎng)，在供水中維持一定濃度的剩余氯，但這給對(duì)氯具有敏感性的一些聚合物膜，又造成了不利的影響。
3 膜過(guò)濾的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)
飲用水處理的膜工藝的大多數(shù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，它對(duì)顆粒，微生物和有機(jī)物的去除，都有很好的效果。
研究表明，UF能顯著地降低濁度，使之滿足“地面水處理法規(guī)”（SWTR）的要求，處理濁度高達(dá)25NTU的地面原水，可降至0.04NTU，同時(shí)，對(duì)病毒、細(xì)菌，賈第鞭毛蟲屬和其它微生物，有很好的截留作用。
實(shí)驗(yàn)室和中試研究，評(píng)估了MWCOS從100～40000的膜堆DOC和THM（三鹵甲烷）前兆物的去除。為對(duì)前兆物有把握的去除，建議使用MWCO400或更少的NF膜。
用RO和NF，從飲用水中去除農(nóng)用污染物，去除率達(dá)53%～95%。
4 今后研究方向
膜技術(shù)委員會(huì)確定的研究方向，總括如下：
研究膜被天然有機(jī)物污染的機(jī)理和范圍；建立膜孔吸附產(chǎn)生的阻力，膠體層形成，濃縮極化與膜和原水特性，運(yùn)行條件的關(guān)系；對(duì)膠體在膜面的沉積和傳輸進(jìn)行定量的描述。
細(xì)菌沉積和從膜表面沖刷的水動(dòng)力學(xué)應(yīng)予研究；膜系統(tǒng)中溶液化學(xué)，停留時(shí)間和可能影響微生物生長(zhǎng)的產(chǎn)物和狀態(tài)的其它因素的有關(guān)規(guī)則也應(yīng)評(píng)價(jià)；對(duì)無(wú)機(jī)物沉淀和污染膜的機(jī)理的基本了解可以導(dǎo)致抑垢劑的改進(jìn)。
膜的排斥性及其預(yù)測(cè)手段應(yīng)予研究；對(duì)膜工藝去除有機(jī)污染物的潛力和確定排斥的原理需要調(diào)研；同樣，膜對(duì)細(xì)菌和病毒的去除以及在非化學(xué)藥品消毒中膜的應(yīng)用應(yīng)予探討。
膜處理前對(duì)原水的各種預(yù)處理的效果，需做更多的研究。應(yīng)用吸附，混凝，離子交換，化學(xué)氧化和生物處理與膜處理相結(jié)合，以改善膜的流通量或使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到更好的去除效果，需要在實(shí)驗(yàn)室和中試?yán)锛右栽u(píng)價(jià)；膜系統(tǒng)費(fèi)用和性能應(yīng)模型化，以便識(shí)別膜處理工藝中有發(fā)展?jié)摿Φ臉?gòu)型及其應(yīng)用；另外，為改進(jìn)膜系統(tǒng)的可靠性，在檢測(cè)和自動(dòng)控制儀表方面需要研究并加以改進(jìn)。
RO和NF的濃縮液可能明顯地不同于UF和MF或常規(guī)給水處理站所產(chǎn)生的廢水流，其處理仍是一個(gè)問(wèn)題。因此，描述RO和NF濃縮液特性和決定其處理方法，也需要做大量的研究工作。
