碟管式纳滤膜在生活用水处理中的作用

刘伟丽

（苏州宝典环保科技有限公司，江苏 苏州 215000）

0 引言

碟管式纳滤膜是由基膜层、基膜层上的改性分离层组成，制作改性分离层，需要用到纳米氧化物、两性双子表面活性剂、聚哌嗪酰胺，其中两性双子表面活性剂的作用是处理纳米氧化物，加强分布的均匀性，也可以优化改性处理成效。界面聚合也可以在两性双子表面活性剂作用下，经过迁移之后提高纳米氧化物分散的均匀性，也可以避免大量使用纳米氧化物导致的成本浪费。当纳米氧化物分散性得到改善之后，两性双子表面活性剂膜性能、纳滤膜过滤性也有所优化，加强碟管式纳滤膜的过滤效果，加上制作流程相对简单，所以适合应用于生活用水处理中。

1 生活用水处理中碟管式纳滤膜的应用要求

1.1 应用原理

处理生活用水采用碟管式纳滤膜，在不同的处理条件下要了解元件分离属性、产水水质，总结最为有效的运行条件，一般设置的重点为运行压力、进水温度最小浓水流量，分别以1 MPa、大于25 ℃、300 E/h为准[1]。分析生活用水的原水水质，也能够对污染物成分、膜污染程度进行准确预测，确定设计预处理系统方案，制定污染处理方案。碟管式纳滤膜结构如图1所示。

图1 碟管式纳滤膜内部结构

1.2 碟管式纳滤膜必要性

在应用碟管式纳滤膜时，应该对扫描电镜、红外光谱、EDS能谱等进行分析，观察进水端到出水端的膜污染情况与程度，总结了污染物的成分，一般包括有机污染、生物污染等。总结生活用水处理中碟管式纳滤膜的膜污染特性，分析了导致污染的根本原因，污染物成分中包括难溶盐，如果难溶盐浓度提升，随即会在膜表面析出了大量的无机结垢，而且有机物经过吸附之后也会产生有机污泥层，在多种细菌作用下产生生物污染，降低生活用水的水质。

1.3 应用优势

随着我国工业水平的不断提升，污染问题逐渐增多，自然水体受到污染会使自来水厂生产面临更大的压力，威胁到生活用水安全。采用纳滤技术是以反渗透技术、超滤技术为载体的全新高效分离手段，将饮用水含有的硬度成分、可溶性有机物等全部去除，凭借离子选择透过性的优势，保留水体中的矿物质元素[2]。

将该技术与传统纳滤技术进行对比，碟管式纳滤膜需要同时使用纳滤膜材料、新型碟管式组件，构成碟管式纳滤膜元件，这与传统元件对比的优势体现在流道、流程等方面，回收率也比较高，可以获得理想的预处理效果[3]。现阶段碟管式反渗透技术在生活用水处理中运用，运行压力与成本都得到了改善，因为技术本身具有纳滤膜分离的属性，经过处理的水质也能够保证安全。

尽管碟管式纳滤膜的耐污染性较强，但是不适宜长时间使用，如果使用时间过长没有及时替换，会导致膜受到污染，降低通量，增加能源耗损。所以，要想彻底解决生活用水处理面临的膜污染问题，也应该关注新型膜元件[4]。鉴于此，针对碟管式纳滤膜在生活用水处理中呈现的膜污染特性，需要结合实际水处理操作展开介绍。

2 生活用水处理中碟管式纳滤膜的应用

2.1 碟管式纳滤膜的处理方法

制作碟管式纳滤膜，选择相关材料，建议采用双聚酞胺功能层纳滤膜复合材料，经过组装与安装之后就可以获得碟管式纳滤膜元件，产品参数如下：1） MgSO4的产水量为355 L·h-1，透过率不超过3%。2） CaCl2的产水量为376 L·h-1，透过率不超过10%。3） NaCl的产水量为450 L·h-1，透过率不超过大于60%。因为生活用水处理经过絮凝、沉淀、V型滤池、消毒这一系列流程，所以总结了以往的水体处理经验，发现普遍存在原水硬度高、水质差等现象，而且含有大量无机盐[5]。

为此，采取碟管式纳滤膜作为处理方法，需要运用到纳滤系统，该系统由碟管式纳滤膜元件组成，通过并联连接的方式实现运行。原水箱内部直接储存原水，在原水泵作用下转入系统当中[6]。原水含有一定量的余氯，聚酞胺结构膜材料与氯反复接触会出现破损，所以搭建的纳滤系统还应该安装预处理设备，例如可以安装沙炭过滤器、保安过滤器等，经过预处理之后，离心泵增压之后原水便会进入纳滤系统中，发挥保安过滤器的作用，纳滤系统前端、浓水2个位置安装压力表、流量计，即可实时监测。离心泵变频器、调节阀开度，对设备运行参数进行实时调控，设置运行条件采集运行数据，作为监测水质、膜表面污染物分析的条件，拿下各个位置安装膜片之后再分析膜污染特性。

碟管式纳滤膜需要运用到电导率仪作为检测设备，如果离子浓度不同，还可以运用离子色谱仪，针对原水、产水专门展开常规水质检测[7]。采用扫描电子显微镜可以观察膜表面的污染层表征，运用X射线能谱仪得出污染物结构，三维荧光光谱仪与傅里叶变换红外光谱仪这2个专业设备，分析污染物有机成分、生物污染。

2.2 生活用水处理分离性能

2.2.1 压力

因为纳滤膜是在压力作用下逐渐形成了有孔液体分离膜，所以压力是膜分离性能非常重要的因素。如果进水阀、离心泵变频器改变，会使系统操作压力发生变化，观察膜通量、脱盐率参数，发现压力升高之后，通量会随之增加，如果压力提升到1 MPa，此时就会逐渐稳定，记录此时的单支膜元件产水通量。当脱盐率数据升高至1 MPa，后续呈现降低变化的趋势。因为压力升高之后回收率增加，透过液量增加，使浓缩液减少，纳滤膜具有截留功能，会持续性地增加浓缩液浓度，膜两侧的浓度差越来越显著，甚至会在后期进水压力反向渗透压，导致浓差极化[8]。由此可见，运行压力如果不达标，会影响到生活用水处理效果，但是压力超出标准，会使膜片污染速度加快，建议设定压力值为1 MPa。

2.2.2 温度

应用碟管式纳滤膜处理期间出现了温度升高的现象，在该过程中回收率会随之增加，但是脱盐率与之相反，后续逐渐下降，原因在于温度升高之后获得了更多的内能，原水豁度下降，布朗运动也会提高温度，使水自由扩散系数持续增加，一旦离子出现剧烈运动现象，盐分会透过膜片快速扩散，透过比例增加，导致温度与回收率提升、脱盐率降低[9]。

2.2.3 最小浓水量

规避生活用水处理膜污染，需要从最小浓水量这一点着手，由于浓水量降低之后，会直接影响浓水流速，膜表面产生的湍流效应削弱，导致膜表面污染物大量集聚。浓水流量较小，使浓水浓度增加，浓差极化问题更为明显，长时间运行膜表面就会出现严重的污堵问题，需要反复清洗，运行环节能源大量耗损，产水通量、回收率随之降低。如果污堵清洗不及时，还会导致不可逆膜污染。采用碟管式纳滤膜元件，设置应用条件条件如下：1） 进水温度为25 ℃。2） 进水压力为1 MPa。完成参数设置后，调整浓水流量阀可以设置浓水流量，所有浓水流量条件下持续运行，观察通量是否会降低。

结合实践处理经验，发现设置初始浓水流量不超过240 L/h，当持续运行了6 h，此时回收率就会明显下降，渗透通量也会降低。当持续运行了12 h后，回收率下降与渗透通量下降更加明显。将初始浓水流量设定为300 L/h，虽然回收率也有所降低，但是并不明显，其原因与夜晚温度下降有关。展开时间为10 min的水力清洗，随后膜通量就会恢复到最初状态。浓水流量设置为360 L/h，经过长期运行之后回收率依然十分稳定。基于此，如果浓水流量超过300 L/h，即便长时间运行，后膜污染也不会渗透到膜孔内部，采用物理清洗就可以将通量恢复，但是在小于300 L/h情况下，低浓水量长时间运行，不仅通量快速下降，还会产生严重的膜孔污堵现象，建议将碟管式纳滤膜元件的最小浓水流量控制在300 L/h。

2.3 水质处理

在生活用水处理中应用碟管式纳滤膜的膜元件，需要预测水体污染成分，检测进出水水质、各个价态离子截留率。总结现有的处理案例，如果耗氧量检测结果为2.2 mg/L，代表水内包括机物，再检测硬度、电导率，原水内含盐量较大，且整体硬度高，检测离子含量之后，得出结果显示钠盐是水体的核心成分，此外还包括其他类型的无机盐。总结原水检测实际情况，一旦产生膜污染现象，最为常见的形式是有机污染、无机污染同时存在。碟管式纳滤膜在去除水中含有的有害物质这一方面有非常显著的效果，降低水体有机物含量、硬度、电导率，同时将低价无机盐予以保留，加强产水水质。

原水、产水内部的各个价态离子经过离子色谱分析之后，如果混合溶液中包括不同盐类，二价盐截留率始终超过90%，此时一价盐截留率不大于30%，对比纳滤膜材料性能，离子选择性能良好，这也是决定膜元件处理效力的关键条件。

2.4 水体中污染物成分与处理

碟管式纳滤膜专业设备正式启动之前，需要进行持续10 min的水力清洗，随后再使用化学药剂进行深度清洗，同时设置进水压力参数。经过设备运行状态的监测，如果温度处于25 ℃，那么回收率会有所降低，代表膜片存在污染，需要及时分析污染膜片表征与对应膜元件污染特性。分析污染成分，观察被污染的膜表面，会有滑腻黄色污泥层覆盖在上方，而且有黑色颗粒分布，从顶部进水端膜片开始，直至底部位置的出水端膜片，这一段黑色颗粒物呈逐渐增多、密集的分布规律，而且污泥颜色也越来越深。膜表面展开SEM分析，观察纳滤膜表面有凹凸感，且形成了泥状污染物，即为有机污泥层，污泥还有品状颗粒污染物存在，可能是无机污染导致的沉淀现象。

处理人员轻轻刮下膜表面污染物，待完全干燥之后进行EDS能谱分析，总结污染层的成分，包括碳、氧，由此可知膜污染更多情况下是以有机污染的形式存在，发现还包括一定量的无机元素，这就代表无机污染同时存在。在膜组件各个位置的纳滤膜表面刮取污染物，经过红外光谱分析之后发现吸收峰的存在。由此可以判断，在已经形成的污染物中，包括烃类、嗅化物等有机复合体。再对膜表面上形成的有机物污染、生物污染的程度进行分析，获取表面污染物之后进行洗脱处理处理，然后采用三维荧光光谱分析方法，污染物洗脱选择超声与摇床振动结合的方法。当膜表面污染物已经完全洗净后，采用中速滤纸对洗脱液进行抽滤，就可以获得污染物洗脱液，采用三维荧光光谱分析的方发现荧光峰，代表污染物内包括微生物代谢产物与生物污染。

已经被污染的膜片需要及时清洗，放置在去离子水内，将频率设定为40 kHz，超声处理15 min左右。超声处理期间膜表面附着的污染物会逐渐脱落，洗脱液随着超声时间的延续也会越发污浊，直至膜片表面附着污泥完全消失。与未清洗之前对比，膜表面污泥层、无机颗粒污染物清除，不会对膜表面结构造成影响，而且通量在超声处理期间也会迅速恢复。可见超声清洗在去除膜片表面污染物这一方面有明显的效果，同时杜绝通量大量损失与环境污染等问题。经过实践处理，导致纳滤膜污染的原因，未处理原水的分子量过大，且难溶盐超过膜孔。由于浓度过大、浓差极化，从而在碟管式纳滤膜的表面发生结垢现象，原水内的有机物、微生物也会随之形成。另外，在碟管式纳滤膜系统设计环节中，参数设置失误，或者是生活用水处理操作错误，导致严重的膜污染。需要提前做好膜污染的预防、控制工作，例如碟管式纳滤膜系统的设计阶段，原水水质分析这一流程完成之后，安装合适的预处理设备，维持系统稳定运行。生活用水处理应该时刻观察产水状态，定期组织膜元件的物理清洗、化学清洗，如果污染程度较为严重，还应该在清洗时掺加阻垢剂，以达到优化清洗效果的目的。

3 碟管式纳滤膜应用效果

在生活用水处理中应用碟管式纳滤膜，在实践中发现实际产水通量、处理压力、回收率之间为正比例关系，脱盐率之间为反比，如果回收率比较高，但是浓水流量过低，可能会使膜元件污染更加严重。所以，设置碟管式纳滤膜的最佳应用条件，建议运行压力为1 MPa，进水温度为25 ℃，最小浓水流量为300 L/h。了解进出水的水质，得出最终的水质情况，对实际污染成分、膜污染程度进行预估，可以在预处理系统中设置优化处理参数，选择最为理想的污染清理方法。对应膜元件去除了生活用水中的有害物质、高价无机盐等，只保留以个别地价盐类，优化最终的处理成效。

利用扫描电镜，可以对膜表面形貌进行分析，得到膜表面的既有有机污泥层中同样存在无机晶体结垢，进水端到出水端的膜污染也越来越严重。根据EDS能谱，观察与分析可以发现污染物的主要成分，即有机污染物、碳酸钙和硫酸钡等。观察红外光谱、三维荧光光谱，可以直接了解到污染物的有机物成分、生物污染严重性，最终分析有机污染物的组成，即类富里酸物质与微生物代谢产物等，代表其中依然有生物污染现象存在。如果已经被污染的膜片采用超声清洗的方法，可以将膜表面附着的污染物及时清除，使产水通量快速恢复。

4 结语

综上所述，根据以往积累的生活用水处理经验进行分析，因为生活用水处理过程比较烦琐，所以关于呈现出的膜污染特性，在应用碟管式纳滤膜过程中，也可以对比其他纳滤膜的处理效果。根据实践发现碟管式纳滤膜对于生活用水处理的效果十分理想，而且通过详细记录并对比，确定其在分离性能、产水水质、耐污染性能和运行成本等方面的应用成效，最终结果显示碟管式纳滤膜回收率、通量等都具有显著优势。如果元件数相同，碟管式纳滤膜处理量比较低、运行压力高。碟管式纳滤膜主要应用自制膜材料装配的方式，二价盐平均去除率超过了90%，而一价盐的平均去除率则不满30%，处理生活用水时选择性、污染物截留效果优于其他类型的纳滤膜。根据膜表征结果，可以了解到纳滤膜耐污染性能良好，应用并联方式实现连接，综合分析纳滤膜的吨水能耗、维护和运行期限等也是生活污水处理的优先选择对象，不仅运行成本低，具有良好的经济性，运行期限还比较长，吨水能耗小，是现阶段生活污水处理效果非常理想的材料之一。除此之外，在生活用水处理过程中，采用碟管式纳滤膜，一旦发生膜污染会带来严重的后果。需要及时分析膜污染特性，采取有效的污染处理对策，在总结污染原因之后，凭借碟管式纳滤膜特性与优势，提高生活用水处理效率与质量，保证人们的用水安全。