膜污染式由沉積到膜上的顆粒物在反沖洗時(shí)沒(méi)有被帶走而引起。當發(fā)生膜污染時(shí)，可以檢測到沉積層的形成,通常被稱(chēng)為“泥餅",這就增大了膜排水通道的阻力從而導致流量下降。此外,這些沉積物會(huì )加劇濃差極化現象,阻礙被膜截留鹽類(lèi)的反向擴散。最后,由于沉積物占據了部分支撐層間的區域,會(huì )使循環(huán)水流產(chǎn)生水頭損失,并導致整個(gè)膜表面過(guò)水不均勻。

      (1)膜污染的主要原因

      主要有三種不同的化合物易沉積在膜上:

      ①水中的膠體

      這類(lèi)物質(zhì)主要包括:

      a.地表水中的微粒(通常是細黏土),可能含有細砂、微藻,甚至是死亡的藻類(lèi);

      b.油脂、烴類(lèi)化合物、不溶于水的聚合物,其危害在于能在膜表面形成一層在一定程度上產(chǎn)生不可逆污染的涂層,導致流量突然下降。

      ②氧化物·氫氧化物

      收決于pH和濃度,這些金屬氧化物或氫氧化物能沉淀到膜表面(參見(jiàn)成垢機理)形成致密的非常難以清洗的泥餅層。

      ③生物污染物

      只要進(jìn)水中存在微生物(細菌、真菌、酵母),即使含量非常低,其也會(huì )和其他膠體一樣在膜表面累積。如果水中同時(shí)含有一定濃度的營(yíng)養物BDOC(可生物降解有機碳),無(wú)論是何來(lái)源(天然、污染、氧化副產(chǎn)物等),微生物均會(huì )繁殖且通過(guò)胞外聚合物逐漸附著(zhù)到膜上,生成一種類(lèi)似于附著(zhù)生長(cháng)工藝中的生物膜。此外,這層生物膜內含有上述物質(zhì)(氧化物、氫氧化物、膠體等)。

      (2)膜污染的后果

      無(wú)論污染物組分的性質(zhì)如何,膜被污染后會(huì )產(chǎn)生一種或多種影響:

      ①水頭損失增大,這通常是一個(gè)報警參數;

      ②鹽透過(guò)率升高(可能會(huì )引起濃差極化);

      ③通量下降。

      為了及時(shí)做出反應,必須經(jīng)常監測水廠(chǎng)的運行情況,以便根據儀表提供的原始數據快速準確找出任何偏差,然后根據邏輯推理對其做出合理的解釋。實(shí)際上,由有意降低回收率或溫度波動(dòng)引起的錯流流速的增大,將產(chǎn)生與膜過(guò)度污染相同的結果:水頭損失增大和通量的波動(dòng)。同樣,為能評價(jià)膜污染情況,首先必須對運行數據進(jìn)行系統性校準分析,例如基于相同的壓力、溫度和回收條件進(jìn)行計算,通過(guò)系統性的修正結果來(lái)確定水頭損失、鹽通量或流量是否顯著(zhù)變化,隨后基于該結果再確定是否要進(jìn)行化學(xué)清洗。

      (3)緩解膜污染的方法

      般采用如下4種方法(單個(gè)或聯(lián)用)以減緩膜污染:

      ①預處理

      通常情況下,原水經(jīng)澄清及過(guò)濾組合工藝(如有必要可采用兩級以上的處理工藝)處理后幾乎不含有膠體顆粒。膠體顆粒含量可以用H(污染指數)或SD(淤泥密度指數)表征。實(shí)際上,這也是判斷膜污染風(fēng)險*的參數。

      卷式膜組件供應商推薦的使用條件是污染指數小于4或5。然而,經(jīng)驗證明污染指數通常應小于3,最好小于2.5,最大值可為4或5。

      值得注意的是,雖然經(jīng)驗表明當污染指數小于3時(shí)對應的濁度通常低于0.15NTU,但濁度和污染指數沒(méi)有普遍相關(guān)性,評估卷式膜組件是否適用于處理澄清水時(shí)對此一定要特別注意。例如,當地表水(湖水或海水)的水質(zhì)潔凈時(shí)(濁度<2NTU),通常需采用兩級過(guò)濾工藝,其中至少有一級上游設有混凝處理單元以獲得滿(mǎn)意的污染指數。如可能出現異常高濁、藻類(lèi)暴發(fā)、原水含有烴類(lèi)化合物等情況,就可能必須采用浮選處理工藝(例如AquaDAF氣浮)。

      聚合物的效用多種多樣,在此使用需慎重考慮聚合物的種類(lèi)和用量,以防其在一定程度上被膜不可逆地吸附。膜澄清(必要時(shí)結合沉淀或浮選工藝)顯然是一種可行的選擇。

      設計合理的預處理工藝是系統穩定可靠運行關(guān)鍵因素,其可以降低沖洗頻率,延長(cháng)膜的使用壽命(根據實(shí)際使用情況可使用6~10年)。預處理工藝的設計是專(zhuān)業(yè)性很強、要求很高的工作,需要全面掌握相關(guān)知識的優(yōu)秀的專(zhuān)業(yè)人員(知道何種水質(zhì)選擇何種適合的處理技術(shù))。

      ②選擇產(chǎn)水通量

      水的膜通量[每平方米膜面積每小時(shí)的產(chǎn)水量用L/(m2·h)或者LMH表示]是一個(gè)非常重要的參數。實(shí)際上,膜通量越大,單位膜面積每小時(shí)接收的膠體含量越高,這將使得膜組件的清洗更加頻繁。為防止出現這種情況,需選擇*的預處理系統,或者選擇較低的回收率以降低錯流流量(事實(shí)證明這個(gè)選擇一般成本較高)。相反,選擇合理的水通量,特別是通過(guò)第一個(gè)元件時(shí)的通量,會(huì )使得滲透壓和沖洗頻率更加合理。

      圖1和圖2是以海水淡化系統相同壓力元件(七個(gè)串聯(lián)膜組件)為例,說(shuō)明在通量選擇上所遇到的困難。圖15-12中的回收率設定為50%,平均通量為14LMH,而第一個(gè)膜元件的實(shí)際通量為28LMH,最后一個(gè)元件只有4LMH。

      這會(huì )導致:當水質(zhì)欠佳時(shí)第一個(gè)膜元件將很快被污堵。這種情況會(huì )在回收率降為40%時(shí)得到改善。

膜元件位置

圖1  同一壓力膜殼中單個(gè)膜元件的平均通量和實(shí)際通量：回收率的影響

      圖2還展示了在恒定的回收率情況下溫度對通量的影響，以及由回收率—溫度—高通量組合引發(fā)的*風(fēng)險。

      ③控制生物污染

      對于生物污染,一方面要盡可能*去除水中的所有微生物,這實(shí)際上難以實(shí)現:另一方面要盡量去除水中微生物的營(yíng)養源(BDOC),尤其是磷。

膜元件位置

圖2 同一壓力膜殼中單個(gè)膜元件的平均通量和實(shí)際通量:溫度及回收率的影響

      短時(shí)沖擊投加適合的殺生劑也能夠有效控制生物污染。

      注意:對于高鹽度(>5gL)水的處理,定期用產(chǎn)水清洗造成滲透沖擊也是一個(gè)好的解決辦法。

      ④抗污染膜的使用

      最新的發(fā)展表明抗污染膜已經(jīng)投入市場(chǎng)。其特性通常是降低膜的表面電荷,使其不易“捕獲"粒子。這些膜最初成功應用于污水回用領(lǐng)域(傳統或雙膜系統)。