浅析反渗透膜技术中防治膜污染的主要方法

钟鑫莲，曹楚琦，王俊东，秦桐，阮洪图，徐水洋

（北京科技大学天津学院，天津301830）

1 膜污染的概念及危害

1.1 膜污染的概念

膜污染是指压力驱动膜过程运行时，膜与处理物料中的微粒、胶粒或溶质分子发生物理、化学相互作用，或因浓度极化使得某些溶质在膜表面的浓度超过其溶解度及机械作用，从而在膜孔或膜表面内吸附、沉积，造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象[1]。

1.2 膜污染的危害

在反渗透分离过程中，膜污染是一个不容忽视的难题，其出现不仅造成了反渗透装置的去除率降低，还导致产水量的大幅度下降，严重影响着膜的使用寿命，大大增加了操作成本[2]。

2 膜污染的分类

从污染种类考虑，膜污染通常包括有机污染、无机污染、生物污染和胶体污染。

2.1 有机污染

有机污染是目前反渗透行业最难解决的问题。前处理系统投加有机药剂不当或原水中含有有机物都将造成膜的污染。反渗透膜是有机材料，藻类、细菌、病毒等容易在上面滋生和繁殖。而反渗透进水中存在的较多有机物质（BOD5）和给水中被添加过量的有机阻垢剂，再加上反渗透给水温度适宜，同样会促使微生物的迅速生长。当膜表面滋生出大量生命力旺盛的微生物时，覆盖在膜表面的微生物及其代谢产物不仅会堵塞膜孔，导致膜在运行过程中压差上升，其脱盐能力和产水量下降，而且还会破坏反渗透膜的脱盐层，且这种破坏是不可恢复的[3]。

2.2 无机污染

无机污染一般发生于反渗透膜系统最后一级的末端膜元件，少数特例（如铁、锰等污染）存在于反渗透膜系统第一级的最前方膜元件[4]。当溶液中的一种或多种阳离子超过其溶解极限后会沉积在膜表面，这将造成膜表面严重结垢，甚至破坏膜的物理性质，导致反渗透运行压力升高，产水量减少。由于污垢难以去除且孔堵塞不可逆，无机污染后的膜性能基本无法恢复。

2.3 生物污染

反渗透组件内的环境湿润弱光，恰好有利于微生物的滋长，为防止其以反渗透膜为依存载体，借助浓水段的营养盐而不断扩散增长，必须在微生物进入反渗透系统前采取强有力的手段将其去除。此外，预处理阶段也是微生物污染产生的源头之一。如遇适宜温度，微生物能在短时间内快速生长，从而在组件表面形成生物膜层，堵塞反渗透系统的进出水通道，使进出水间的压力差不断加大，导致产水量与脱盐率快速下降，同时也使产品水的水质被污染。在日常操作中，一旦前期投加的絮凝剂过多，将导致悬浮物质大量聚集，微生物找到适宜的温床进而在上面不断滋生。

2.4 胶体污染

反渗透进水中的淤泥和胶体，澄清池或多介质过滤器中用于预处理的药剂，如果无法正常地被去除或截留住，也会污堵组件[1]。此外，带正电性的聚合物与带负电性的阻垢剂也会因反应而沉淀，从而污染膜元件。

3 膜污染防治技术的研究进展及发展趋势

3.1 膜污染防治技术的研究进展

常用的膜污染防治方法有物理方法和化学方法两种。物理方法有物理清洗、操作条件的优化等。化学方法包括原料液预处理、膜改良和化学清洗等。其中化学方法是提高反渗透膜元件各项性能的有效方式，国内外的研究也大多围绕此类方法开展。

3.1.1 物理方法

①物理清洗。物理清洗指采用机械处理手段将污染物从膜表面清除，包括低压高流速清洗、反压清洗等。然而，这些清洗方对应的设备设计和操作控制较为复杂，且清洗效果不佳，所以一般情况下不予考虑。现在也有人采用超声波清洗膜面，如董慧茹等人探讨，利用超声空化产生的微射流除去或削弱膜的边界污层，增加搅拌作用，降低污染物微粒在膜表面的附着量，使其更易随浓水移去。该法虽然尚未广泛应用，但将来很可能成为一种有效的清洗方法。②操作条件的优化。操作压差、时间及温度和膜面流速等操作条件是膜法水处理技术中影响膜污染的主要因素。一般在膜过滤过程中采用低压操作、亚临界通量操作、恒通量操作等方式来控制操作压差，防治膜污染。其运行周期长短则需根据水质情况、膜清洗状况等因素来确定。适当提高原料液的温度，可以增大反向扩散系数，加快分子的扩散速度，提高膜通量。膜面流速在一定范围内的提高则会减少膜面溶质的浓度，减弱凝胶层的影响，且有利于减轻膜的微生物污染，提高膜通量。

3.1.2 化学方法

①原料液预处理。原料液预处理是指在原料液过滤前进行预絮凝、预过滤或改变溶液pH 值等，使原料液的性质或溶质的特性发生变化，以去除一些与膜发生反应的物质，从而提高过滤通量。HUANG 等人为研究如何有效抑制膜污染，采用了混凝与磁性离子交换树脂（MIEX）相结合的手段。研究发现，在抗污能力上，当混凝剂投加量较低时，此法与单独使用混凝剂的效果一致，证实混凝剂和MIEX 相结合的方法能有效降低膜污染，同时也降低了单独使用MIEX 时的费用，提高其再生性。②膜改良。目前，防污膜改性材料以聚合物为主，典型代表为聚醚砜(PES)和聚砜。因其机械性能优异，化学稳定性好，在膜材料领域被广泛应用。但材料疏水性强的缺点，仍是制约其快速发展的主要原因。为大幅度提高其防污性能，可将亲水性单体或极性基团引入膜材料进行改性。常用的改性材料主要为金属氧化物纳米粒子、两性离子聚合物、丙烯酸酯等。通过引入金属氧化物纳米粒子制备纳米复合膜，可在增加水通量的同时有效实现抗污。两性离子聚合物生物因其相容性优异，可在材料表面形成一层强水合层，加之位阻的影响，即可有效阻止蛋白质在材料表面的粘附。另外，丙烯酸酯聚合物也常常被用作涂覆材料。③化学清洗。化学清洗，指利用化学试剂改变污染层表面化学性质或污染物结构形态，以此消除膜污染。化学清洗既可用于原位清洗，又可用于膜组件分离后的清洗，是目前已知去除膜污染的相对最有效的方法。常用的化学清洗剂包括酶、氧化剂、酸、碱、表面活性剂和金属螯合剂等。

3.2 膜污染防治技术的发展趋势

膜污染的成分中主要是生物膜和微生物胞外聚合物，利用微生物产生的酶降解污染物，是目前比较新颖的研究方向。现阶段，国内外对膜技术中膜污染问题的研究，大多围绕化学方法展开，膜材料化学改性和电化学辅助均可有效抑制膜污染，但膜材料成本和运行能耗等因素依旧不可忽视。选择合适的膜材料和组件、优化操作条件、改进膜前预处理工艺、提高膜的进水水质等手段均可有效延缓膜污染，降低膜污染的程度。针对不同膜的特点及污染情况，采用不同的物理和化学技术相结合的方式，是目前最行之有效的方法，未来的研究也将就此展开。

4 结语

膜污染依旧是反渗透膜分离技术应用中不可避免的问题。虽然现在国内外延缓膜污染的方法有很多，但都无法彻底解决膜污染问题。我们仍需利用各种手段不断探讨其确切的污染机理，用以寻找适合不同情况的治理方法，以此来优化膜的性能，延长膜的寿命。