陶瓷膜在饮用水处理中的应用与膜污染控制

杨文建 郭 庆 段 冬 王天予 刘景霞*

(1同济大学环境科学与工程学院 上海 200092 2雅安沃克林环保科技有限公司 四川 雅安 625199 3上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 上海 200092 4兰州大学资源环境学院 兰州 730000)

随着技术的发展与制备成本的降低,陶瓷膜在饮用水处理中的应用已受到越来越多的关注。相比起有机高分子膜,陶瓷膜耐压,耐化学清洗,抗老化能力优秀,且具有更高的通量和更长的生命周期。国际上从20世纪60年代开始研究陶瓷膜在水处理中的应用,国内在这方面的广泛研究则始于本世纪初,本文主要介绍陶瓷膜在饮用水处理中的应用与膜污染控制技术。

1 陶瓷膜在水处理中的应用与发展

由于陶瓷膜的耐压、耐热与耐化学性,其在高温、含油废水等极端环境下的稳定性与分离性能,要优于高分子聚合物膜,故陶瓷膜在工业废水处理领域已得到广泛的应用[1]。但目前用于饮用水和市政污水处理的微滤/超滤膜仍以有机高分子膜为主,限制陶瓷膜在水处理中广泛应用的因素主要有:①投资成本高;②装填密度低;③膜污染。

近年来,随着国内的陶瓷膜工业化水平逐步提高,已有超过100家本土公司进入微滤/超滤陶瓷膜组件市场,陶瓷膜工艺投资成本在此背景下逐年下降,将其应用于饮用水处理领域的关注度也越来越高,预计未来陶瓷膜在水处理中的市场会逐渐增长[2]。由于饮用水生产成本通常较高、处理流程较多,陶瓷膜在其中的主要应用方向可能是取代传统饮用水处理工艺中的某些环节,例如取代沉淀池或者砂滤池。与此同时,陶瓷膜对微生物有很好的筛分效果,能够有效去除病原菌和病毒,因此可以减少消毒剂使用量[3-4]。在陶瓷膜与混凝联用工艺中,只需形成较小的矾花即可被陶瓷膜截留,所以可以减少混凝剂投加量和混凝时间[5]。另有研究表明,若陶瓷膜通量能维持在150L/(m2·h)以上,其投资总成本将低于有机高分子膜[6]。综上所述,使用陶瓷膜的投资成本可通过减少其他方面的运营成本、提高通量以及延长使用寿命来进行补偿。

膜污染仍是当前陶瓷膜应用于水处理的重要瓶颈,有大量的研究工作致力于减缓膜污染速率、延长陶瓷膜的运行时间,从而减少化学清洗的频次,目前主要有三种途径控制膜污染:①陶瓷膜组合工艺,利用混凝、光催化、臭氧化和活性炭吸附等多种物理化学过程分别与陶瓷膜进行组合,不仅可以减缓膜污染速率,还能提高对污染物的去除效果;②膜表面改性;③膜池运行条件优化。

2 陶瓷膜污染机理

陶瓷膜污染机理根据污染物粒径与膜孔径的关系、污染物位置、污染物颗粒是否堆叠可分为以下四种:①中间堵塞;②完全堵塞;③标准堵塞;④滤饼层污染。污染物类型则分为有机污染、无机污染和生物污染。有机污染是由水中大量有机物造成的,是陶瓷膜的主要污染物,水处理过程中的无机污染并不显著,但无机物与大量有机物的相互作用可能会加剧膜污染[7]。生物污染是最难缓解的污染类型,对膜的潜在危害也最大,膜表面生物污染层的积聚,与生物污染特性及可溶性微生物产物/胞外聚合物的浓度密切相关。

3 陶瓷膜污染控制策略

3.1 陶瓷膜组合工艺

通过预处理或者原位处理工艺与陶瓷膜进行结合可以有效减缓膜污染速率。主要有以下几类:

3.1.1高级氧化工艺与陶瓷膜联用

原理是通过改变有机物性质(电荷和分子量分布)控制膜污染,例如预臭氧化和原位臭氧化,通过臭氧化去除大量有机物和可溶性微生物/胞外聚合物,减少滤饼层的形成,不同的是,预臭氧化有利于维持膜通量,而原位臭氧化更有利于提升反冲洗恢复效果[8]。另外还包括过氧化氢、高锰酸钾和光催化预氧化法等。需要注意的是,过量氧化有可能导致膜污染加剧,这是因为有机物被氧化成为小分子量有机物后,进入膜孔造成堵塞。

3.1.2混凝与陶瓷膜联用

原理是混凝可以促使电荷中和以及絮体形成,形成一层多孔滤饼,可减少膜孔堵塞并延长化学清洗周期和使用寿命。根据是否设置预沉淀环节可将混凝-陶瓷膜组合工艺分为混凝沉淀-陶瓷膜工艺和在线混凝-陶瓷膜联用工艺两类,大量研究表明,混凝预处理可以改善有机物和消毒副产物的去除率并维持膜的通量[9-12]。

3.1.3吸附与陶瓷膜联用

工艺形式包括吸附预处理和原位吸附,原理是借助高比表面积的吸附剂去除水中小分子、溶解性污染物,再将吸附剂截留在膜表面,阻止污染物进入膜孔,从而缓解膜污染。常用的吸附剂有活性炭、沸石、氢氧化镁、中孔吸附树脂等。

3.2 膜表面改性

陶瓷膜表面改性是指通过电泳沉积法、层层涂覆法等物理化学方法将各种纳米材料均匀涂覆在基底陶瓷膜表面,制成兼具陶瓷膜过滤和纳米材料功能特性的改性陶瓷膜[6]。陶瓷膜改性后能够提升其有机物去除率和净水效能,但如何在不牺牲过滤通量的情况下开发出防污、稳定的表面改性陶瓷膜,仍是需要攻克的技术难关。

3.3 陶瓷膜运行条件优化

通常陶瓷膜采用周期性的“过滤-反冲洗”模式来运行,运行总时间主要取决于每个周期的不可逆污染(反冲洗无法恢复的膜污染)。因此,可以考虑从运行条件方面进行优化和控制,尽量延长化学清洗周期,例如选择合适的运行通量、每周期过滤时长和反冲洗模式(气洗与水洗的组合模式),适当提升反冲洗强度。

4 结语

随着需求的增加和技术的发展,陶瓷膜市场份额正在快速增长,预计2021～2025年,陶瓷膜市场规模将达到30.9亿美元,复合年增长率为11.31%[13]。陶瓷膜在使用寿命、通量、抗污性、反冲洗效率和环境影响方面均优于有机膜,并且陶瓷膜成本在不断下降,综合考虑投资成本、运营成本和使用寿命,陶瓷膜与有机膜在成本上已经具有竞争力。

膜污染尽管不可避免,但可以通过工艺组合、膜改性和运行条件优化等措施来进行控制,尽量延长陶瓷膜的运行时间,最后再使用化学清洗方式进行恢复。目前陶瓷膜污染的研究主要集中在有机污染上,但对生物污染的演变以及生物量和膜的相互作用知之甚少。因此,未来的研究应侧重于了解陶瓷膜的生物污染和长期运行时的有效预防策略。