劉偉麗

（蘇州寶典環(huán)保科技有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

碟管式納濾膜是由基膜層、基膜層上的改性分離層組成，制作改性分離層，需要用到納米氧化物、兩性雙子表面活性劑、聚哌嗪酰胺，其中兩性雙子表面活性劑的作用是處理納米氧化物，加強分布的均勻性，也可以優(yōu)化改性處理成效。界面聚合也可以在兩性雙子表面活性劑作用下，經(jīng)過遷移之后提高納米氧化物分散的均勻性，也可以避免大量使用納米氧化物導(dǎo)致的成本浪費。當(dāng)納米氧化物分散性得到改善之后，兩性雙子表面活性劑膜性能、納濾膜過濾性也有所優(yōu)化，加強碟管式納濾膜的過濾效果，加上制作流程相對簡單，所以適合應(yīng)用于生活用水處理中。

1 生活用水處理中碟管式納濾膜的應(yīng)用要求

1.1 應(yīng)用原理

處理生活用水采用碟管式納濾膜，在不同的處理條件下要了解元件分離屬性、產(chǎn)水水質(zhì)，總結(jié)最為有效的運行條件，一般設(shè)置的重點為運行壓力、進水溫度最小濃水流量，分別以1 MPa、大于25 ℃、300 E/h為準(zhǔn)[1]。分析生活用水的原水水質(zhì)，也能夠?qū)ξ廴疚锍煞?、膜污染程度進行準(zhǔn)確預(yù)測，確定設(shè)計預(yù)處理系統(tǒng)方案，制定污染處理方案。碟管式納濾膜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 碟管式納濾膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 碟管式納濾膜必要性

在應(yīng)用碟管式納濾膜時，應(yīng)該對掃描電鏡、紅外光譜、EDS能譜等進行分析，觀察進水端到出水端的膜污染情況與程度，總結(jié)了污染物的成分，一般包括有機污染、生物污染等?？偨Y(jié)生活用水處理中碟管式納濾膜的膜污染特性，分析了導(dǎo)致污染的根本原因，污染物成分中包括難溶鹽，如果難溶鹽濃度提升，隨即會在膜表面析出了大量的無機結(jié)垢，而且有機物經(jīng)過吸附之后也會產(chǎn)生有機污泥層，在多種細(xì)菌作用下產(chǎn)生生物污染，降低生活用水的水質(zhì)。

1.3 應(yīng)用優(yōu)勢

隨著我國工業(yè)水平的不斷提升，污染問題逐漸增多，自然水體受到污染會使自來水廠生產(chǎn)面臨更大的壓力，威脅到生活用水安全。采用納濾技術(shù)是以反滲透技術(shù)、超濾技術(shù)為載體的全新高效分離手段，將飲用水含有的硬度成分、可溶性有機物等全部去除，憑借離子選擇透過性的優(yōu)勢，保留水體中的礦物質(zhì)元素[2]。

將該技術(shù)與傳統(tǒng)納濾技術(shù)進行對比，碟管式納濾膜需要同時使用納濾膜材料、新型碟管式組件，構(gòu)成碟管式納濾膜元件，這與傳統(tǒng)元件對比的優(yōu)勢體現(xiàn)在流道、流程等方面，回收率也比較高，可以獲得理想的預(yù)處理效果[3]。現(xiàn)階段碟管式反滲透技術(shù)在生活用水處理中運用，運行壓力與成本都得到了改善，因為技術(shù)本身具有納濾膜分離的屬性，經(jīng)過處理的水質(zhì)也能夠保證安全。

盡管碟管式納濾膜的耐污染性較強，但是不適宜長時間使用，如果使用時間過長沒有及時替換，會導(dǎo)致膜受到污染，降低通量，增加能源耗損。所以，要想徹底解決生活用水處理面臨的膜污染問題，也應(yīng)該關(guān)注新型膜元件[4]。鑒于此，針對碟管式納濾膜在生活用水處理中呈現(xiàn)的膜污染特性，需要結(jié)合實際水處理操作展開介紹。

2 生活用水處理中碟管式納濾膜的應(yīng)用

2.1 碟管式納濾膜的處理方法

制作碟管式納濾膜，選擇相關(guān)材料，建議采用雙聚酞胺功能層納濾膜復(fù)合材料，經(jīng)過組裝與安裝之后就可以獲得碟管式納濾膜元件，產(chǎn)品參數(shù)如下：1） MgSO4的產(chǎn)水量為355 L·h-1，透過率不超過3%。2） CaCl2的產(chǎn)水量為376 L·h-1，透過率不超過10%。3） NaCl的產(chǎn)水量為450 L·h-1，透過率不超過大于60%。因為生活用水處理經(jīng)過絮凝、沉淀、V型濾池、消毒這一系列流程，所以總結(jié)了以往的水體處理經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)普遍存在原水硬度高、水質(zhì)差等現(xiàn)象，而且含有大量無機鹽[5]。

為此，采取碟管式納濾膜作為處理方法，需要運用到納濾系統(tǒng)，該系統(tǒng)由碟管式納濾膜元件組成，通過并聯(lián)連接的方式實現(xiàn)運行。原水箱內(nèi)部直接儲存原水，在原水泵作用下轉(zhuǎn)入系統(tǒng)當(dāng)中[6]。原水含有一定量的余氯，聚酞胺結(jié)構(gòu)膜材料與氯反復(fù)接觸會出現(xiàn)破損，所以搭建的納濾系統(tǒng)還應(yīng)該安裝預(yù)處理設(shè)備，例如可以安裝沙炭過濾器、保安過濾器等，經(jīng)過預(yù)處理之后，離心泵增壓之后原水便會進入納濾系統(tǒng)中，發(fā)揮保安過濾器的作用，納濾系統(tǒng)前端、濃水2個位置安裝壓力表、流量計，即可實時監(jiān)測。離心泵變頻器、調(diào)節(jié)閥開度，對設(shè)備運行參數(shù)進行實時調(diào)控，設(shè)置運行條件采集運行數(shù)據(jù)，作為監(jiān)測水質(zhì)、膜表面污染物分析的條件，拿下各個位置安裝膜片之后再分析膜污染特性。

碟管式納濾膜需要運用到電導(dǎo)率儀作為檢測設(shè)備，如果離子濃度不同，還可以運用離子色譜儀，針對原水、產(chǎn)水專門展開常規(guī)水質(zhì)檢測[7]。采用掃描電子顯微鏡可以觀察膜表面的污染層表征，運用X射線能譜儀得出污染物結(jié)構(gòu)，三維熒光光譜儀與傅里葉變換紅外光譜儀這2個專業(yè)設(shè)備，分析污染物有機成分、生物污染。

2.2 生活用水處理分離性能

2.2.1 壓力

因為納濾膜是在壓力作用下逐漸形成了有孔液體分離膜，所以壓力是膜分離性能非常重要的因素。如果進水閥、離心泵變頻器改變，會使系統(tǒng)操作壓力發(fā)生變化，觀察膜通量、脫鹽率參數(shù)，發(fā)現(xiàn)壓力升高之后，通量會隨之增加，如果壓力提升到1 MPa，此時就會逐漸穩(wěn)定，記錄此時的單支膜元件產(chǎn)水通量。當(dāng)脫鹽率數(shù)據(jù)升高至1 MPa，后續(xù)呈現(xiàn)降低變化的趨勢。因為壓力升高之后回收率增加，透過液量增加，使?jié)饪s液減少，納濾膜具有截留功能，會持續(xù)性地增加濃縮液濃度，膜兩側(cè)的濃度差越來越顯著，甚至?xí)诤笃谶M水壓力反向滲透壓，導(dǎo)致濃差極化[8]。由此可見，運行壓力如果不達(dá)標(biāo)，會影響到生活用水處理效果，但是壓力超出標(biāo)準(zhǔn)，會使膜片污染速度加快，建議設(shè)定壓力值為1 MPa。

2.2.2 溫度

應(yīng)用碟管式納濾膜處理期間出現(xiàn)了溫度升高的現(xiàn)象，在該過程中回收率會隨之增加，但是脫鹽率與之相反，后續(xù)逐漸下降，原因在于溫度升高之后獲得了更多的內(nèi)能，原水豁度下降，布朗運動也會提高溫度，使水自由擴散系數(shù)持續(xù)增加，一旦離子出現(xiàn)劇烈運動現(xiàn)象，鹽分會透過膜片快速擴散，透過比例增加，導(dǎo)致溫度與回收率提升、脫鹽率降低[9]。

2.2.3 最小濃水量

規(guī)避生活用水處理膜污染，需要從最小濃水量這一點著手，由于濃水量降低之后，會直接影響濃水流速，膜表面產(chǎn)生的湍流效應(yīng)削弱，導(dǎo)致膜表面污染物大量集聚。濃水流量較小，使?jié)馑疂舛仍黾?，濃差極化問題更為明顯，長時間運行膜表面就會出現(xiàn)嚴(yán)重的污堵問題，需要反復(fù)清洗，運行環(huán)節(jié)能源大量耗損，產(chǎn)水通量、回收率隨之降低。如果污堵清洗不及時，還會導(dǎo)致不可逆膜污染。采用碟管式納濾膜元件，設(shè)置應(yīng)用條件條件如下：1） 進水溫度為25 ℃。2） 進水壓力為1 MPa。完成參數(shù)設(shè)置后，調(diào)整濃水流量閥可以設(shè)置濃水流量，所有濃水流量條件下持續(xù)運行，觀察通量是否會降低。

結(jié)合實踐處理經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)設(shè)置初始濃水流量不超過240 L/h，當(dāng)持續(xù)運行了6 h，此時回收率就會明顯下降，滲透通量也會降低。當(dāng)持續(xù)運行了12 h后，回收率下降與滲透通量下降更加明顯。將初始濃水流量設(shè)定為300 L/h，雖然回收率也有所降低，但是并不明顯，其原因與夜晚溫度下降有關(guān)。展開時間為10 min的水力清洗，隨后膜通量就會恢復(fù)到最初狀態(tài)。濃水流量設(shè)置為360 L/h，經(jīng)過長期運行之后回收率依然十分穩(wěn)定?；诖?，如果濃水流量超過300 L/h，即便長時間運行，后膜污染也不會滲透到膜孔內(nèi)部，采用物理清洗就可以將通量恢復(fù)，但是在小于300 L/h情況下，低濃水量長時間運行，不僅通量快速下降，還會產(chǎn)生嚴(yán)重的膜孔污堵現(xiàn)象，建議將碟管式納濾膜元件的最小濃水流量控制在300 L/h。

2.3 水質(zhì)處理

在生活用水處理中應(yīng)用碟管式納濾膜的膜元件，需要預(yù)測水體污染成分，檢測進出水水質(zhì)、各個價態(tài)離子截留率?？偨Y(jié)現(xiàn)有的處理案例，如果耗氧量檢測結(jié)果為2.2 mg/L，代表水內(nèi)包括機物，再檢測硬度、電導(dǎo)率，原水內(nèi)含鹽量較大，且整體硬度高，檢測離子含量之后，得出結(jié)果顯示鈉鹽是水體的核心成分，此外還包括其他類型的無機鹽?？偨Y(jié)原水檢測實際情況，一旦產(chǎn)生膜污染現(xiàn)象，最為常見的形式是有機污染、無機污染同時存在。碟管式納濾膜在去除水中含有的有害物質(zhì)這一方面有非常顯著的效果，降低水體有機物含量、硬度、電導(dǎo)率，同時將低價無機鹽予以保留，加強產(chǎn)水水質(zhì)。

原水、產(chǎn)水內(nèi)部的各個價態(tài)離子經(jīng)過離子色譜分析之后，如果混合溶液中包括不同鹽類，二價鹽截留率始終超過90%，此時一價鹽截留率不大于30%，對比納濾膜材料性能，離子選擇性能良好，這也是決定膜元件處理效力的關(guān)鍵條件。

2.4 水體中污染物成分與處理

碟管式納濾膜專業(yè)設(shè)備正式啟動之前，需要進行持續(xù)10 min的水力清洗，隨后再使用化學(xué)藥劑進行深度清洗，同時設(shè)置進水壓力參數(shù)。經(jīng)過設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測，如果溫度處于25 ℃，那么回收率會有所降低，代表膜片存在污染，需要及時分析污染膜片表征與對應(yīng)膜元件污染特性。分析污染成分，觀察被污染的膜表面，會有滑膩黃色污泥層覆蓋在上方，而且有黑色顆粒分布，從頂部進水端膜片開始，直至底部位置的出水端膜片，這一段黑色顆粒物呈逐漸增多、密集的分布規(guī)律，而且污泥顏色也越來越深。膜表面展開SEM分析，觀察納濾膜表面有凹凸感，且形成了泥狀污染物，即為有機污泥層，污泥還有品狀顆粒污染物存在，可能是無機污染導(dǎo)致的沉淀現(xiàn)象。

處理人員輕輕刮下膜表面污染物，待完全干燥之后進行EDS能譜分析，總結(jié)污染層的成分，包括碳、氧，由此可知膜污染更多情況下是以有機污染的形式存在，發(fā)現(xiàn)還包括一定量的無機元素，這就代表無機污染同時存在。在膜組件各個位置的納濾膜表面刮取污染物，經(jīng)過紅外光譜分析之后發(fā)現(xiàn)吸收峰的存在。由此可以判斷，在已經(jīng)形成的污染物中，包括烴類、嗅化物等有機復(fù)合體。再對膜表面上形成的有機物污染、生物污染的程度進行分析，獲取表面污染物之后進行洗脫處理處理，然后采用三維熒光光譜分析方法，污染物洗脫選擇超聲與搖床振動結(jié)合的方法。當(dāng)膜表面污染物已經(jīng)完全洗凈后，采用中速濾紙對洗脫液進行抽濾，就可以獲得污染物洗脫液，采用三維熒光光譜分析的方發(fā)現(xiàn)熒光峰，代表污染物內(nèi)包括微生物代謝產(chǎn)物與生物污染。

已經(jīng)被污染的膜片需要及時清洗，放置在去離子水內(nèi)，將頻率設(shè)定為40 kHz，超聲處理15 min左右。超聲處理期間膜表面附著的污染物會逐漸脫落，洗脫液隨著超聲時間的延續(xù)也會越發(fā)污濁，直至膜片表面附著污泥完全消失。與未清洗之前對比，膜表面污泥層、無機顆粒污染物清除，不會對膜表面結(jié)構(gòu)造成影響，而且通量在超聲處理期間也會迅速恢復(fù)?？梢姵暻逑丛谌コて砻嫖廴疚镞@一方面有明顯的效果，同時杜絕通量大量損失與環(huán)境污染等問題。經(jīng)過實踐處理，導(dǎo)致納濾膜污染的原因，未處理原水的分子量過大，且難溶鹽超過膜孔。由于濃度過大、濃差極化，從而在碟管式納濾膜的表面發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象，原水內(nèi)的有機物、微生物也會隨之形成。另外，在碟管式納濾膜系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)中，參數(shù)設(shè)置失誤，或者是生活用水處理操作錯誤，導(dǎo)致嚴(yán)重的膜污染。需要提前做好膜污染的預(yù)防、控制工作，例如碟管式納濾膜系統(tǒng)的設(shè)計階段，原水水質(zhì)分析這一流程完成之后，安裝合適的預(yù)處理設(shè)備，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。生活用水處理應(yīng)該時刻觀察產(chǎn)水狀態(tài)，定期組織膜元件的物理清洗、化學(xué)清洗，如果污染程度較為嚴(yán)重，還應(yīng)該在清洗時摻加阻垢劑，以達(dá)到優(yōu)化清洗效果的目的。

3 碟管式納濾膜應(yīng)用效果

在生活用水處理中應(yīng)用碟管式納濾膜，在實踐中發(fā)現(xiàn)實際產(chǎn)水通量、處理壓力、回收率之間為正比例關(guān)系，脫鹽率之間為反比，如果回收率比較高，但是濃水流量過低，可能會使膜元件污染更加嚴(yán)重。所以，設(shè)置碟管式納濾膜的最佳應(yīng)用條件，建議運行壓力為1 MPa，進水溫度為25 ℃，最小濃水流量為300 L/h。了解進出水的水質(zhì)，得出最終的水質(zhì)情況，對實際污染成分、膜污染程度進行預(yù)估，可以在預(yù)處理系統(tǒng)中設(shè)置優(yōu)化處理參數(shù)，選擇最為理想的污染清理方法。對應(yīng)膜元件去除了生活用水中的有害物質(zhì)、高價無機鹽等，只保留以個別地價鹽類，優(yōu)化最終的處理成效。

利用掃描電鏡，可以對膜表面形貌進行分析，得到膜表面的既有有機污泥層中同樣存在無機晶體結(jié)垢，進水端到出水端的膜污染也越來越嚴(yán)重。根據(jù)EDS能譜，觀察與分析可以發(fā)現(xiàn)污染物的主要成分，即有機污染物、碳酸鈣和硫酸鋇等。觀察紅外光譜、三維熒光光譜，可以直接了解到污染物的有機物成分、生物污染嚴(yán)重性，最終分析有機污染物的組成，即類富里酸物質(zhì)與微生物代謝產(chǎn)物等，代表其中依然有生物污染現(xiàn)象存在。如果已經(jīng)被污染的膜片采用超聲清洗的方法，可以將膜表面附著的污染物及時清除，使產(chǎn)水通量快速恢復(fù)。

4 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)以往積累的生活用水處理經(jīng)驗進行分析，因為生活用水處理過程比較煩瑣，所以關(guān)于呈現(xiàn)出的膜污染特性，在應(yīng)用碟管式納濾膜過程中，也可以對比其他納濾膜的處理效果。根據(jù)實踐發(fā)現(xiàn)碟管式納濾膜對于生活用水處理的效果十分理想，而且通過詳細(xì)記錄并對比，確定其在分離性能、產(chǎn)水水質(zhì)、耐污染性能和運行成本等方面的應(yīng)用成效，最終結(jié)果顯示碟管式納濾膜回收率、通量等都具有顯著優(yōu)勢。如果元件數(shù)相同，碟管式納濾膜處理量比較低、運行壓力高。碟管式納濾膜主要應(yīng)用自制膜材料裝配的方式，二價鹽平均去除率超過了90%，而一價鹽的平均去除率則不滿30%，處理生活用水時選擇性、污染物截留效果優(yōu)于其他類型的納濾膜。根據(jù)膜表征結(jié)果，可以了解到納濾膜耐污染性能良好，應(yīng)用并聯(lián)方式實現(xiàn)連接，綜合分析納濾膜的噸水能耗、維護和運行期限等也是生活污水處理的優(yōu)先選擇對象，不僅運行成本低，具有良好的經(jīng)濟性，運行期限還比較長，噸水能耗小，是現(xiàn)階段生活污水處理效果非常理想的材料之一。除此之外，在生活用水處理過程中，采用碟管式納濾膜，一旦發(fā)生膜污染會帶來嚴(yán)重的后果。需要及時分析膜污染特性，采取有效的污染處理對策，在總結(jié)污染原因之后，憑借碟管式納濾膜特性與優(yōu)勢，提高生活用水處理效率與質(zhì)量，保證人們的用水安全。