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[原创]中科院马百文博士：超滤膜法饮用水技术研究进展（2018-09-05 16:01:51）

标签：过滤吸附  

饮用水净化工艺的进步，很大程度上依赖于水质科学和材料技术的发展。为此，近年来饮用水膜法净化理论和应用已成为本领域的研究热点，膜处理技术也被广泛应用于实际饮用水净化工程。尽管膜技术在水处理中的应用日益普遍，但膜污染不可避免且始终都是降低膜净水效率的瓶颈性因素。

以往的研究表明，膜孔吸附、膜孔堵塞及膜表面滤饼层是引起超滤膜污染的主要方式，而膜孔吸附和膜孔堵塞往往导致不可逆污染。因此，如何在减缓膜孔吸附与堵塞的同时于膜表面形成松散易清洗的滤饼层成为有效抑制膜污染的方式。然而，目前所用吸附剂多为颗粒型，如粉末活性炭、碳纳米管、纳米铁等。长期运行极易引起膜表面损伤，且难以形成有效滤饼层，同时部分吸附剂成本较高。基于此，中国科学院生态环境研究中心马百文博士（第一作者）利用水处理过程中广泛应用的混凝剂，充分发挥其水解絮体的松散性与吸附能力强的特性，针对不同水质构建了系列污染物高效去除及膜污染有效减缓的方法。

针对饮用水源中普遍存在的有机污染物，将混凝剂水解絮体分批次注入膜池，于超滤膜表面构建了动态“三明治”式絮体保护层（图1）。不仅解决了常规一次性大量注入吸附剂时内层吸附剂无法充分利用的难题，同时有效减缓了膜污染，且形成的滤饼层松散易清洗。值得注意的是，絮体注入存在临界频率。当注入絮体的最大污染物吸附量低于絮体注入时间间隔内进入膜池的污染物总量时，即注入的絮体无法将相应时间内进入膜池的污染物完全吸附，膜污染程度将加剧。反之，膜污染程度降低。此外，曝气量和溶液pH也能不同程度地影响絮体注入临界频率，进而影响膜污染。

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图1 “三明治”式动态絮体保护层减缓膜污染示意图

针对水体中重金属由于粒径小容易透过超滤膜的问题。以地表水中近年来广泛关注的Sb(V)为目标污染物，进一步考察了一体式絮体-超滤膜工艺的运行效能（图2）。与铝盐絮体相比，膜池内注入铁盐絮体不仅除Sb(V)效率更高且膜污染程度更低，尤其氯化铁水解絮体。曝气量、絮体注入频率、溶液pH等均可不同程度地影响除Sb(V)效率及膜污染行为。该工艺连续运行110天，出水Sb(V)浓度仍低于1 µg/L（初始浓度4-14 µg/L），远低于国家饮用水标准（5 µg/L，GB5749-2006），同时跨膜压差仅增至33.7 kPa。原位化学清洗后，跨膜压差急剧降低至12.3 kPa。膜池内排泥周期较长时（10天/次）该工艺仍可稳定运行。

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图2 一体式絮体-超滤膜工艺除Sb(V)示意图

此外，针对夏季高温时藻类的爆发及使用传统氧化剂易破坏藻细胞释放藻毒素的难题，构建了铁锰“适度”预氧化的松散絮体保护层（图3）。研究表明当KMnO4与Fe(II)摩尔比1:3时，不仅氧化能力适中，同时原位生成的Fe(III)吸附效能显著增加。以夏季某水库高藻水（藻密度：1.99 × 107 to 2.67 × 107 cells/L）为原水，连续运行90天，发现膜池内单独投加Fe(III)后，跨膜压差增至42.8 kPa，而相同条件下经铁锰“适度”预氧化处理后，跨膜压差仅为25.1 kPa。经“适度”预氧化后，膜池内微生物种群差异较小，但相应丰度变化较大。研究发现，具有较强合成代谢蛋白质和多糖能力的拟杆菌（Bacteroidetes）丰度降低24.2%，成为膜污染减缓的重要因素。进一步地研究表明，膜出水水质良好，浊度、色度及铁锰含量均低于国家饮用水标准（GB5749-2006）。

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图3 一体式铁锰“适度”预氧化絮体-超滤膜工艺除藻示意图

附：文献信息

1. Baiwen Ma, Wenjiang Li, Ruiping Liu*, Gang Liu, Jingqiu Sun, Huijuan Liu, Jiuhui Qu, Walter van der Meer, Multiple dynamic Al-based floc layers on ultrafiltration membrane surfaces for humic acid and reservoir water fouling reduction. Water Research 2018, 139, 291-300.

2. Baiwen Ma, Jing Qi, Xing Wang, Min Ma, Shiyu Miao, Wenjiang Li, Ruiping Liu*, Huijuan Liu, Jiuhui Qu, Moderate KMnO4-Fe(II) pre-oxidation for alleviating ultrafiltration membrane fouling by algae during drinking water treatment. Water Research 2018, 142, 96-104.

3. Baiwen Ma, Wenjing Xue, Wenjiang Li, Chengzhi Hu*, Huijuan Liu, Jiuhui Qu, Integrated Fe-based floc-membrane process for alleviating ultrafiltration membrane fouling by humic acid and reservoir water. Journal of Membrane Science 2018, 563, 873-881.

4. Baiwen Ma, Xing Wang, Ruiping Liu*, Zenglu Qi, William A.Jefferson, Huachun Lan, Huijuan Liu, Jiuhui Qu, Enhanced antimony(V) removal using synergistic effects of Fe hydrolytic flocs and ultrafiltration membrane with sludge discharge evaluation. Water Research 2017,121, 171-177.

5. Baiwen Ma, Xing Wang, Ruiping Liu*, William A. Jefferson, Huachun Lan, Huijuan Liu, Jiuhui Qu, Synergistic process using Fe hydrolytic flocs and ultrafiltration membrane for enhanced antimony(V) removal. Journal of Membrane Science 2017, 537, 93-100.

资助项目：国家重点研发计划、国家自然科学青年基金等。

链接地址：http://www.espun.cn/news/detail-392.html

文章来源：易丝帮