水中胶体和颗粒物对超滤膜污染的影响研究

周勤岸

摘要：由于超滤技术对颗粒物和微生物去除效果的优越性和持续性，已经在饮用水净化广泛应用。然而，膜污染问题影响了超滤膜的应用，本文以聚合氯化铝和A1粉作为加标物，模拟水中胶体和颗粒物对超滤膜污染的影响。

关键词：胶体;颗粒物;超滤膜污染;影响

近年来，由于环境污染日益严重，越来越多的人开始关注饮用水的安全，饮用水水质标准也日益严格。由于超滤技术对颗粒物和微生物去除效果的优越性和持续性，已经被越来越多的应用于给水处理^【1】。然而，膜污染是膜过滤技术的一个主要挑战。在膜操作期间，胶体、微生物和天然有机物质（NOM）的积累是结垢的主要原因。当膜污染累积时，流量下降并且操作压力也会增加^【2】。由于各地水质不一致，导致同款超滤膜在不同地区的使用寿命有很大差别。通过分析客户退货，我们猜测主要是不同地区水质的胶体和颗粒物含量不同，导致膜污染的程度不一样。为了验证这一猜测，试验中用聚合氯化铝模拟胶体、用A1粉模拟颗粒物，对超滤膜滤芯进行了全程加标，分析造成超滤膜流速衰减的主要因素。

1  试验装置与方法

1.1  试验材料

加标原水：采用“自来水+管道超滤”的出水作为加标原水，注意超滤前的水压应低于0.4MPa，防止超滤膜损伤。加标原水的浑浊度≤0.2NTU。

A1粉：亚利桑那试验超细粉尘ISO 12013-A1，颗粒尺寸在0～100μm之间，其中0～1μm粉尘占比≤1%，1～5μm粉尘占比>50%。以下简称A1粉。作为模拟颗粒物的加标物。

聚合氯化铝：天津鼎盛鑫，500g瓶装。水解产物对水中悬浮物有优良架桥吸附作用，絮凝体形成快、沉降速度快，能快速形成类似胶体的物质，作为模拟胶体的加标物。

超滤膜滤芯：S厂家超滤膜滤芯（膜元件长189mm，膜面积0.6m2），标称寿命值5400L，作为待测滤芯。

1.2  试验工具

加标桶、变频泵、减压阀、压力表、快速接头、PE管型号及长度（3/8、1/4，长度<1.5m）、水表、台式浊度仪、电子称

1.3  试验过程

分别用①A1粉5NTU、②聚合氯化铝10mg/L、③A1粉1NTU+聚合氯化铝10mg/L、④A1粉1NTU+聚合氯化铝3mg/L、⑤A1粉1NTU+聚合氯化铝1mg/L，这5种加标状态进行了超滤膜的寿命试验。超滤膜在加标测试前先用加标原水冲洗15min进行前处理。

试验步骤：按“加标桶→变频泵→压力表→球阀→待测超滤膜滤芯→水表”的方式连接好系统（具体连接方式参照图1），通过调节变频泵使超滤膜前的压力表读数显示为0.25MPa;打开加标桶球阀，先通加标水冲洗超滤膜滤芯5min，之后开始测试待测超滤滤芯初始出水流速、进水流速、出水浊度，并记录泵显示的实际压力。注意超滤滤芯进水流速范围为3～5L/min;每过水约1350L，测试待测超滤滤芯出水流速、进水流速、出水浊度。直至超滤滤芯出水流速低于2L/min，且泵实际显示的压力接近设定压力时，视为待测超滤寿命终止。

注意事项：管道超滤寿命为20T，到寿命后需反冲洗或更换滤芯;变频泵要求水位高离泵进水管至少2m;需等加标水进入泵后再开泵;每次开泵后，加标水通入滤芯前，先拔出待测超滤滤芯前的管子排掉管道内的空气;整个寿命测试过程中，搅拌桶均需处于搅拌状态。

2  试验结果

5组实验的测试结果如图2：

3  试验结果分析

3.1 颗粒物对超滤膜通量的影响

从圖2可以看出，单纯的A1粉加标对超滤膜通量影响不大。刘永旺等研究发现，粒径范围在0 .0 1～1 .2 0μm 的胶体和颗粒物是造成膜通量下降的主要因素.，该粒径范围颗粒物会在超滤膜表面形成泥饼层，尤其是粒径范围较小的部分会进入膜孔内部或堵塞膜孔，从而使膜污染阻力增加，膜通量下降[3]。因A1粉中0～1μm粉尘占比≤1%，而超滤膜孔径在0.01～0.2μm之间，所以A1粉中大部分的颗粒是进入不了超滤膜孔的，只能在表面形成滤饼层。由于超滤膜纳污能力较强，因此5NTU的A1粉加标对超滤膜的污染程度有限。一般市政自来水的浑浊度限值是1NTU，在S厂家超滤膜5400L寿命范围内，不会是造成超滤膜流速衰减的主要原因。除非是进水水质中≤1.2μm的颗粒特别多。

3.2 胶体对超滤膜通量的影响

从图2可以看出，单纯加标聚合氯化铝10mg/L，超滤膜流速急剧衰减，过水500L流速降到2L/min以下。而将A1粉与聚合氯化铝混合后加标，超滤膜流速衰减有所减缓，推测是聚合氯化铝水解形成大量孔径在0.01～0.2μm的沉淀物，进入膜孔内部或堵塞膜孔，而A1粉加入后，聚合氯化铝能捕捉A1粉形成较大孔径沉淀物，而减少对超滤膜孔的堵塞。当A1粉量不变，聚合氯化铝由10mg/L减量到3mg/L，超滤膜的寿命逐渐延长，减量到1mg/L时，寿命达到5400L。可见聚合氯化铝所形成的胶体物质是导致超滤膜流速衰减的主要原因。

4 结论

（1）膜污染指数与胶体相关性较好，与浊度相关性较差，水中胶体物质是试验条件下膜污染的主要物质。

（2）膜孔堵塞是最初始的污染阶段，也是颗粒物/胶体带来的最严重污染。当更多的颗粒物/胶体持续沉积在初始污染层上，膜污染就发展为滤饼层污染。

（3）水中一定浓度的颗粒物，可以减缓胶体物质对超滤膜的污染。

（4）通过在超滤膜前面增加有效的预处理装置，控制原水中颗粒物和胶体物质的量，可以减缓超滤膜的污染。

参考文献

[1]敖 漉，刘文君，方振东，王小毛.超滤膜污染的主要成因与控制膜污染的预处理技术[J].后勤工程学院学报，2017，33（4）：41-47.

[2]朱轩慧，唐玉兰.超滤膜污染的主要成因分析[J].科技风，2017年6月下：140.

[3]刘永旺，李星，杨艳玲，任家炜，王伟强，周志伟.混凝/吸附预处理对超滤膜过滤特性的影响[J].北京理工大学学报，2014，34（6）：638-643

[4]张晨.超滤膜污染及其预防方案比较[J].石油化工设计，2011，28（2）：62-64

（作者身份证号：441623198604081320）