膜污染的风险及缓解膜污染的方法

      膜污染式由沉积到膜上的颗粒物在反冲洗时没有被带走而引起。当发生膜污染时，可以检测到沉积层的形成,通常被称为“泥饼",这就增大了膜排水通道的阻力从而导致流量下降。此外,这些沉积物会加剧浓差极化现象,阻碍被膜截留盐类的反向扩散。最后,由于沉积物占据了部分支撑层间的区域,会使循环水流产生水头损失,并导致整个膜表面过水不均匀。

      (1)膜污染的主要原因

      主要有三种不同的化合物易沉积在膜上:

      ①水中的胶体

      这类物质主要包括:

      a.地表水中的微粒(通常是细黏土),可能含有细砂、微藻,甚至是死亡的藻类;

      b.油脂、烃类化合物、不溶于水的聚合物,其危害在于能在膜表面形成一层在一定程度上产生不可逆污染的涂层,导致流量突然下降。

      ②氧化物·氢氧化物

      收决于pH和浓度,这些金属氧化物或氢氧化物能沉淀到膜表面(参见成垢机理)形成致密的非常难以清洗的泥饼层。

      ③生物污染物

      只要进水中存在微生物(细菌、真菌、酵母),即使含量非常低,其也会和其他胶体一样在膜表面累积。如果水中同时含有一定浓度的营养物BDOC(可生物降解有机碳),无论是何来源(天然、污染、氧化副产物等),微生物均会繁殖且通过胞外聚合物逐渐附着到膜上,生成一种类似于附着生长工艺中的生物膜。此外,这层生物膜内含有上述物质(氧化物、氢氧化物、胶体等)。

      (2)膜污染的后果

      无论污染物组分的性质如何,膜被污染后会产生一种或多种影响:

      ①水头损失增大,这通常是一个报警参数;

      ②盐透过率升高(可能会引起浓差极化);

      ③通量下降。

      为了及时做出反应,必须经常监测水厂的运行情况,以便根据仪表提供的原始数据快速准确找出任何偏差,然后根据逻辑推理对其做出合理的解释。实际上,由有意降低回收率或温度波动引起的错流流速的增大,将产生与膜过度污染相同的结果:水头损失增大和通量的波动。同样,为能评价膜污染情况,首先必须对运行数据进行系统性校准分析,例如基于相同的压力、温度和回收条件进行计算,通过系统性的修正结果来确定水头损失、盐通量或流量是否显著变化,随后基于该结果再确定是否要进行化学清洗。

      (3)缓解膜污染的方法

      般采用如下4种方法(单个或联用)以减缓膜污染:

      ①预处理

      通常情况下,原水经澄清及过滤组合工艺(如有必要可采用两级以上的处理工艺)处理后几乎不含有胶体颗粒。胶体颗粒含量可以用H(污染指数)或SD(淤泥密度指数)表征。实际上,这也是判断膜污染风险*的参数。

      卷式膜组件供应商推荐的使用条件是污染指数小于4或5。然而,经验证明污染指数通常应小于3,最好小于2.5,最大值可为4或5。

      值得注意的是,虽然经验表明当污染指数小于3时对应的浊度通常低于0.15NTU,但浊度和污染指数没有普遍相关性,评估卷式膜组件是否适用于处理澄清水时对此一定要特别注意。例如,当地表水(湖水或海水)的水质洁净时(浊度<2NTU),通常需采用两级过滤工艺,其中至少有一级上游设有混凝处理单元以获得满意的污染指数。如可能出现异常高浊、藻类暴发、原水含有烃类化合物等情况,就可能必须采用浮选处理工艺(例如AquaDAF气浮)。

      聚合物的效用多种多样,在此使用需慎重考虑聚合物的种类和用量,以防其在一定程度上被膜不可逆地吸附。膜澄清(必要时结合沉淀或浮选工艺)显然是一种可行的选择。

      设计合理的预处理工艺是系统稳定可靠运行关键因素,其可以降低冲洗频率,延长膜的使用寿命(根据实际使用情况可使用6~10年)。预处理工艺的设计是专业性很强、要求很高的工作,需要全面掌握相关知识的优秀的专业人员(知道何种水质选择何种适合的处理技术)。

      ②选择产水通量

      水的膜通量[每平方米膜面积每小时的产水量用L/(m2·h)或者LMH表示]是一个非常重要的参数。实际上,膜通量越大,单位膜面积每小时接收的胶体含量越高,这将使得膜组件的清洗更加频繁。为防止出现这种情况,需选择*的预处理系统,或者选择较低的回收率以降低错流流量(事实证明这个选择一般成本较高)。相反,选择合理的水通量,特别是通过第一个元件时的通量,会使得渗透压和冲洗频率更加合理。

      图1和图2是以海水淡化系统相同压力元件(七个串联膜组件)为例,说明在通量选择上所遇到的困难。图15-12中的回收率设定为50%,平均通量为14LMH,而第一个膜元件的实际通量为28LMH,最后一个元件只有4LMH。

      这会导致:当水质欠佳时第一个膜元件将很快被污堵。这种情况会在回收率降为40%时得到改善。

膜元件位置

图1  同一压力膜壳中单个膜元件的平均通量和实际通量：回收率的影响

      图2还展示了在恒定的回收率情况下温度对通量的影响，以及由回收率—温度—高通量组合引发的*风险。

      ③控制生物污染

      对于生物污染,一方面要尽可能*去除水中的所有微生物,这实际上难以实现:另一方面要尽量去除水中微生物的营养源(BDOC),尤其是磷。

膜元件位置

图2 同一压力膜壳中单个膜元件的平均通量和实际通量:温度及回收率的影响

      短时冲击投加适合的杀生剂也能够有效控制生物污染。

      注意:对于高盐度(>5gL)水的处理,定期用产水清洗造成渗透冲击也是一个好的解决办法。

      ④抗污染膜的使用

      最新的发展表明抗污染膜已经投入市场。其特性通常是降低膜的表面电荷,使其不易“捕获"粒子。这些膜最初成功应用于污水回用领域(传统或双膜系统)。