超滤膜技术在饮用水处理中的有效应用

佟思年(大庆油田水务公司，黑龙江 大庆 163311)

1 超滤膜技术的基本概念

1.1 超滤技术

用于分离液体中的溶质与溶液的过滤技术主要是通过转化压力为推动力，推动液体穿过滤膜，将溶质分隔在膜的一侧、溶液分隔在膜的另一侧，膜技术包括微滤、超滤、纳滤和反渗透，这四种膜分离技术可以将不同体积的溶质分离开来。如图1所示，四种滤膜有着各自的分离范围，从上到下，滤膜孔径越来越小，其中超滤膜的孔径大致在微滤和纳滤之间，且有一定的范围重叠。

图1 四种膜分离技术的分离特征

超滤技术可以分离大分子有机物、多糖、病毒和细菌等污染物，比微滤分离精度高，处理水浊度平均低于0.1NTU，除污率高达99.9%，在净化水处理方面有着极大的效用。另一方面，由于超滤技术对小分子有机物的筛除效果一般，在做净化水处理时可以与其他工艺相结合，比如活性炭、臭氧、混凝等工艺，增强其对饮用水的净化作用，并且可以消除净化水过程中不可避免产生的副产物。

1.2 超滤膜技术分离原理

超滤膜对水溶液的处理主要包括两方面，一方面是物理筛分，另一方面是化学筛分。物理筛分是超滤膜的主要分离方式，在物理筛分中，对水溶液施加一定的压力作为推动水溶液向超滤膜另一侧流动的力量，在压力差的作用下，水溶液会经过超滤膜，并且将溶液中体积大于超滤膜孔径的物质分离在原侧，其他体积较小的物质会经过超滤膜的化学性质进一步筛选，如果没有被吸附，则可以顺利通过超滤膜；在化学筛分中，超滤膜因为其膜聚合物的化学性质，会将溶液中的亲水性小分子有机物吸附在膜表面，达到一定程度的截留作用。

1.3 超滤膜材料

现代技术的发展使得超滤膜的膜材料选择变得非常丰富，一般来说超滤膜制膜材料会选用有机高分子材料，包括纤维素酯类、聚砜类、聚烯烃类、氟材料、聚氯乙烯几大类，这些材料都有着柔韧性和亲水性，使用稳定，成本适中；而近几年来开发的新型制膜材料利用了无机材料，包括陶瓷、玻璃、氧化铝(A12O3)、氧化锆(ZrO2)和金属等，这些材料耐高温、不易老化、可再生性强，不过因为还在实验室研究阶段，暂未投入商品化生产。

2 超滤膜技术在饮用水处理方面的作用和优点

2.1 水污染问题

随着社会生产水平的提高，各种化学物质应用在生产过程中，并随着废水流入环境，造成了社会水环境污染的加剧，使得各种饮用水有着新的水质问题，比如：贾第虫和隐孢子虫问题、藻类污染问题、水臭和毒素问题。为此，我国经历了两次饮用水处理技术变革，第一代技术是饮用水常规处理，第二代技术是加臭氧-活性炭深度处理，但是都无法满足居民对饮用水品质的要求，因此第三代技术即超滤膜技术正在被引用中。

2.2 超滤膜技术可以有效去除饮用水中的有害物质

首先，超滤膜可以去除饮用水中的悬浮物和微生物。悬浮物指的是造成水溶液浑浊的物质，经过超滤膜技术处理后，可以使产水浊度平均达到0.2NTU以下，微生物指的是大肠杆菌等细菌或病毒，其直径大概在0.5 μm左右，超滤膜对其拥有99.9%以上的去除能力；其次，超滤膜可以去除饮用水中的铁、猛、铝等胶体。在常规处理中，超滤膜可以将悬浮物性质的铁、猛等金属物质去除，而面对呈溶解性质的铁锰离子时，也可以配合氧化反应改变其离子属性，将其变成胶体并去除；最后，超滤膜可以去除饮用水中的氟。目前城市饮用水或农村饮用水中都含有一定程度的氟离子，超滤膜可以搭配其他如活性氧化铝吸附、铝盐混凝沉淀或电渗析等工艺将氟离子形成胶体并去除。

2.3 超滤膜技术的其他优点

在实际应用过程中，超滤膜工艺可以和其他工艺有着很高的适配性，可以按实际要求做随意搭配。另外，由于超滤膜使用方便，其实际占用场地面积也大大减少，对饮用水处理过程中的周边环境要求也不高，值得大力推广。

3 超滤膜技术在饮用水处理中的有效应用

近年来超滤膜技术的研究和应用都较为迅速，市场上在应用此技术后，能够实现对细菌、病毒和其他大分子物质的有效去除，但是也发现了一些不足，由于超滤膜本身的孔径特性，使其在分离小分子有机物时效果较差，所以市场上在使用超滤膜技术时往往会搭配其他工艺一同作用于饮用水处理中。接下来介绍两种目前应用非常多，并且取得了一定效果的联合工艺。

3.1 粉末活性炭与超滤膜联合工艺

活性炭是一种对小分子有机物吸附效果很好的过滤物质，它可以帮助超滤膜分离其自身无法去除的杂质。粉末活性炭与超滤膜联合工艺的工作流程如下：首先将一定量的粉末活性炭加入到待过滤的进水流中，粉末活性炭可以吸附水流中的小分子有机物，并形成大分子杂质；然后将水流压向超滤膜的进水束，超滤膜可以将水溶液中原有的大分子有机物和经过粉末活性炭吸附后的大分子杂质一并截留下来；最后将净水从膜外向内冲洗一部分，这一步叫做反冲洗，可以将超滤膜上存留的杂质冲洗下来，减少膜污染。

研究表明，粉末活性炭的浓度增加，可以帮助增强超滤膜的过滤能力，将水流中的高锰酸钾、酚等物质去除；另外，粉末活性炭易冲洗，可以减轻超滤膜受到污染物质的附着率，当整个流程进入到反冲洗阶段时，可以有效去除超滤膜上的杂质，并且维持超滤膜的高比流量。粉末活性炭和超滤膜互补，作为一种联合工艺，能够有效的去除饮用水中的污染物，并且减少因消毒而产生的副产物[1]。

3.2 混凝与超滤膜联合工艺

混凝指的是将溶液中的杂质形成絮体，这部分杂质是超滤膜自身无法去除的杂质，混凝和活性炭的效用相同，但用法不同，混凝利用了吸附-电中和的特性，将溶液中的小分子有机物捕获，并形成大分子的微絮体。具体的混凝与超滤膜联合工艺的工作流程如下：首先，利用混凝作用，将待处理水溶液中的小分子有机物捕获，并形成微絮体；其次，微絮体因其自身体积增加的缘故，拥有了能够分离的特性，可以被超滤膜截留；最后，依然使用反冲洗手段，减少超滤膜附着污染，并增加超滤膜的水流通量，提高出水水质。

研究表明，混凝技术对天然小分子有机物有着很高的去除率，达到了99.9%，并且能够保证超滤膜在使用过程中经过开始阶段性能的快速下降后可以维持在一个稳定状态，能够长时间稳定工作。

3.3 其他联合工艺

除了上两点介绍的超滤膜联合工艺以外，研究机构和市场上也应用着一些其他组合的饮用水处理工艺：第一个是生物陶粒柱-粉末活性炭-超滤膜工艺，作为粉末活性炭和超滤膜联合工艺的进阶版，可以对含氮污染物质的饮用水有着良好的过滤作用；第二个是臭氧-生物活性炭-超滤膜工艺，臭氧可以降解一些有机物，并把非溶解性的有机物氧化成易溶解的有机物，有利于活性炭的吸附，增强整个装置的过滤作用；第三个是压缩活性炭-超滤膜工艺，压缩活性炭的作用是优先吸附对超滤膜有污染的水杂质，可以保证膜污染的有效降低，用于制备优质水[2]。

4 超滤膜的污染控制与应用前景

4.1 污染控制

超滤膜在使用过程中容易受到水质的影响，一般来说水质较差的待过滤饮用水溶液会造成超滤膜的堵塞和吸附污染，尤其是水中含有藻类等污染物质时，会使得被过滤的杂质沉淀在膜表面和孔径内部，使得整个超滤膜的过滤效果变差。或是当超滤膜过滤的天然有机物质量较大时，其较高的腐殖酸会造成超滤膜孔吸附的不可逆污染。

因此在控制膜污染方面，我们可以采取以下策略：首先在生产过程中改良超滤膜的性质，选择容易分离杂质的耐污染材料，或是使用预涂技术增强膜的反冲洗性能，以此保证膜可以较少受到污染，并且能够轻松清洗恢复；其次在过滤前改善水质，在原溶液通过超滤膜之前使用一些化学药剂或物理活性炭对其做预处理，尽量去除一些可以去除的杂质，以此减缓超滤膜的污染；最后在过滤后做好超滤膜的清洗工作，利用类似于超声波、臭氧等措施对超滤膜做清洗，去除其表面污垢，或者利用其他物理化学手段冲洗超滤膜，将孔径内的杂质去除，恢复其膜通量[3]。

4.2 应用前景

首先，寻找更加优质的材料作为超滤膜的制作材料，比如前文提到的无机物材料，增加其本身的耐污染性、耐高温性、稳定性等，这一阶段需要投入大量投资，并多次重复试验；其次，在饮用水处理工艺上细化每一个实施步骤，充分使用有效的杂质去除手段，保证溶液在经过超滤膜前维持在污染较轻的范围内，以此减轻超滤膜的工作压力；最后，积极寻找膜清洗方法、膜污染防治方法和膜性能恢复方法，促进超滤膜的多次利用。

我国饮用水处理工程拥有巨大的应用前景。应该研究出包括超滤膜技术在内的完善的引用水处理装置，控制一定的使用成本，最大限度发挥出超滤膜的作用价值，最终丰富各种处理饮用水的手段[4]。

5 结语

在当前我国环保工程饮用水处理的众多技术当中，超滤膜技术无论对饮用水资源的处理质量方面，还是处理效率方面都具有极大的优势和发展前景，超滤膜技术这种深度改善饮用水资源的水处理技术在我国环境保护工程的未来发展建设过程中将具有十分广阔的应用前景，随着现代科学技术的不断发展和创新，超滤膜技术在未来城市饮用水处理中将能够得到更优的改善，为人们的日常生活提供更加优质的水净化服务。