膜污染式由沉積到膜上的顆粒物在反沖洗時沒有被帶走而引起。當發生膜污染時，可以檢測到沉積層的形成,通常被稱為“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,這些沉積物會加劇濃差極化現象,阻礙被膜截留鹽類的反向擴散。最后,由于沉積物占據了部分支撐層間的區域,會使循環水流產生水頭損失,并導致整個膜表面過水不均勻。

      (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

      這類物質主要包括:

      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;

      b.油脂、烴類化合物、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

      只要進水中存在微生物(細菌、真菌、酵母),即使含量非常低,其也會和其他膠體一樣在膜表面累積。如果水中同時含有一定濃度的營養物BDOC(可生物降解有機碳),無論是何來源(天然、污染、氧化副產物等),微生物均會繁殖且通過胞外聚合物逐漸附著到膜上,生成一種類似于附著生長工藝中的生物膜。此外,這層生物膜內含有上述物質(氧化物、氫氧化物、膠體等)。

      (2)膜污染的后果

      無論污染物組分的性質如何,膜被污染后會產生一種或多種影響:

      ①水頭損失增大,這通常是一個報警參數;

      ②鹽透過率升高(可能會引起濃差極化);

      ③通量下降。

      為了及時做出反應,必須經常監測水廠的運行情況,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。實際上,由有意降低回收率或溫度波動引起的錯流流速的增大,將產生與膜過度污染相同的結果:水頭損失增大和通量的波動。同樣,為能評價膜污染情況,首先必須對運行數據進行系統性校準分析,例如基于相同的壓力、溫度和回收條件進行計算,通過系統性的修正結果來確定水頭損失、鹽通量或流量是否顯著變化,隨后基于該結果再確定是否要進行化學清洗。

      (3)緩解膜污染的方法

      般采用如下4種方法(單個或聯用)以減緩膜污染:

      ①預處理

      通常情況下,原水經澄清及過濾組合工藝(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。實際上,這也是判斷膜污染風險*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,雖然經驗表明當污染指數小于3時對應的濁度通常低于0.15NTU,但濁度和污染指數沒有普遍相關性,評估卷式膜組件是否適用于處理澄清水時對此一定要特別注意。例如,當地表水(湖水或海水)的水質潔凈時(濁度<2NTU),通常需采用兩級過濾工藝,其中至少有一級上游設有混凝處理單元以獲得滿意的污染指數。如可能出現異常高濁、藻類暴發、原水含有烴類化合物等情況,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鍵因素,其可以降低沖洗頻率,延長膜的使用壽命(根據實際使用情況可使用6~10年)。預處理工藝的設計是專業性很強、要求很高的工作,需要全面掌握相關知識的優秀的專業人員(知道何種水質選擇何種適合的處理技術)。

      ②選擇產水通量

      水的膜通量[每平方米膜面積每小時的產水量用L/(m2·h)或者LMH表示]是一個非常重要的參數。實際上,膜通量越大,單位膜面積每小時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(事實證明這個選擇一般成本較高)。相反,選擇合理的水通量,特別是通過第一個元件時的通量,會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(七個串聯膜組件)為例,說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,而第一個膜元件的實際通量為28LMH,最后一個元件只有4LMH。

      這會導致:當水質欠佳時第一個膜元件將很快被污堵。這種情況會在回收率降為40%時得到改善。

膜元件位置

圖1  同一壓力膜殼中單個膜元件的平均通量和實際通量：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—高通量組合引發的*風險。

      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,這實際上難以實現:另一方面要盡量去除水中微生物的營養源(BDOC),尤其是磷。

膜元件位置

圖2 同一壓力膜殼中單個膜元件的平均通量和實際通量:溫度及回收率的影響

      短時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,定期用產水清洗造成滲透沖擊也是一個好的解決辦法。

      ④抗污染膜的使用

      最新的發展表明抗污染膜已經投入市場。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域(傳統或雙膜系統)。