纳滤膜污染机理、表征及控制

·科技信息综述·纳滤膜污染机理表征及控制郭驭王小1毛(清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100084)摘要主要总结了纳滤膜污染的类型及污染机理，纳滤膜污染的常用表征手段，以及针对膜污染采取的不同控制措施及其相应的影响。重点讨论了复合污染对纳滤膜运行的影响及其作用机理，并且论述了新型表征手段在膜污染分析中的应用，为改善纳滤膜运行情况提供依据。关键词纳滤预处理复合污染膜污染表征0前言目前，由于工、农业等各个行业的发展，水环境中污染物的种类和数量都急剧增加。随着人们对于饮用水安全重视程度的提高，常规工艺处理出水在很多情况下已不能满足实际需求，需要采取深度处理工艺保障出水安全。目前应用最为广泛的深度处理工艺是臭氧一生物活性炭工艺。臭氧一生物活性炭工艺能够有效去除水中的天然有机物(N()M)、NH。～N以及微量有机物(TrOCs)，同时可以改善色度、臭味等水质指标。纳滤是一种新型的饮用水深度处理工艺。与臭氧一生物活性炭工艺相比，纳滤除了对高浓度N()M、TrOCs有良好的去除效果外，对有毒有害无机离子(如氟、砷等)、硫酸根和硬度离子的去除具有绝对优势，同时，纳滤受水温等条件的影响较小。因此，在处理富含NOM、氟、砷、重金属或TrOCs等污染物质的水体时，纳滤作为深度处理技术以保障出水安全有着广阔的应用前景。但同所有膜过滤／分离一样，纳滤也受到膜污染的不利影响。纳滤膜污染问题造成的水通量下降、运行能耗增加、膜的使用寿命缩短、经济效益变差、出水水质恶化也一直是限制其发展的重要因素。纳滤膜污染过程非常复杂，原水水质、前处理工艺、运行条件、膜材料和组件选择等都会影响膜污染的形成机理、发展速率和程度以及清洗难度。在过去的约3O年时间内，全球广大研究工作者就纳滤膜污染开展了许多富有成效的研究。例如Sch~iefer等[1于2005年发表的文章中重点论述了膜污染的机理；类似地，国家自然科学基金(51678331)。110给水排水Vo1．43No．92017Amoudi和I．ovitt于2007年发表的综述除了论述膜污染的机理外，重点讨论了膜的化学清洗方法及其影响因素；Kang和Cao[。于2012年发表的关于纳滤膜污染控制的文章则重点讨论了膜改性的方法，Misdan等l4]也有类似的文章；国内张泉等则针对纳滤膜的前处理进行了试验研究，总结了不同前处理方式对于纳滤膜污染的影响。由于污染物的多样性、膜污染过程的复杂性，不同研究者针对纳滤膜污染关注的侧重点不同，适时对这些研究工作的成果进行分析总结，尤其对污染物和污染物之间，污染物和膜之间的相互作用机理进行分析，深人探讨复合污染的影响，有利于更深层次地了解纳滤膜污染的机理，有利于完善纳滤膜污染的在线监测和离线表征方法，有利于优化前处理工艺及运行条件、提高膜清洗效率、降低膜清洗对膜材料的不利影响，及指导新型、高效纳滤膜产品的开发，最终为纳滤工艺在实际饮用水深度处理工程中的推广应用提供依据，并提高其经济可行性。1膜污染类型膜污染的类型可根据污染物的种类分为有机污染、结垢、无机污染和生物污染4类，而按照污染过程发生的位置则可以分为膜孔污染和表面污染，其中表面污染又可以细分为凝胶污染和泥饼污染_1】。膜污染机理方面，由于纳滤膜污染非常复杂，受膜表面性质、污染物特性、水体物化条件和过滤操作条件等多种因素的影响，目前对纳滤膜污染的机理并没有一个统一而权威的阐释，也没有可用于预测膜污染性质和程度的通用规则，在有些实际工程中依然出现严重的膜污染问题。1．1有机污染天然有机物(NOM)是水中主要的有机物成分。NOM既包括溶解性有机物(DOM)，也包括有机胶体。根据官能团的不同，NoM主要分为3类：腐殖质、多糖和蛋白类物质。其中最主要的成分是腐殖质(占6O～90)_6]。腐殖质又可以分为：腐殖酸(HA)，富里酸(FA)和胡敏素(HM)，相对分子质量范围从1000到500000不等[。NOM根据其亲疏水性的差异可以分为疏水性、过渡疏水性和亲水性3个部分。疏水性有机物主要是大分子物质即腐殖酸；过渡疏水性有机物主要是指富里酸；而亲水性有机物主要包括多糖、蛋白质和氨基酸等物质L8]。NOM被认为是主要的纳滤膜污染物之一l_g]。大部分研究也表明有机物污染是纳滤膜污染的第一步。首先NOM附着在膜表面，改变膜的表面特性，其在膜表面形成的有机质可以作为促进无机物、微生物附着的粘合剂l1，并且为微生物的生长提供营养物质；其次小分子N0M吸附在膜表面可以堵塞膜孔，造成通量下降l】；当膜附近的浓差极化现象使NoM的浓度超过其溶解度时会在膜表面形成凝胶层，造成不可逆膜污染；还有研究者认为N0M会与Ca。+作用形成致密的滤饼层。薛罡等_1。]在对受污染地下水的研究中发现：尽管纳滤膜表面的有机污染物含量较少，但是对膜污染及膜通量