水務(wù)熱點 | 鮑任兵：飲用水處理中的超濾膜污染及其控制

導(dǎo)語

【目的】 隨著現(xiàn)代社會對飲用水水質(zhì)要求的不斷提高，超濾膜工藝憑借其高效的凈水能力，成為飲用水深度處理領(lǐng)域的前沿技術(shù)。然而，膜污染問題的凸顯不僅導(dǎo)致膜通量衰減、水質(zhì)安全風(fēng)險升高，還造成運行能耗攀升，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用。【方法】 文章通過深入分析超濾膜處理工藝的凈水效能與膜污染形成機(jī)理，探討有機(jī)膜和陶瓷膜的抗污染性能,從預(yù)氧化處理、強(qiáng)化常規(guī)處理、強(qiáng)化深度處理等多個維度提出了系統(tǒng)性的控制策略。【結(jié)果】 針對不同污染類型可采取差異化的膜污染控制措施。無機(jī)污染物可通過混凝-沉淀(砂濾)工藝實現(xiàn)截留去除；鐵、錳及藻類污染需結(jié)合預(yù)氧化技術(shù)與混凝沉淀協(xié)同作用強(qiáng)化分離。針對有機(jī)污染物，可采用生物接觸氧化法或臭氧-活性炭組合工藝，實現(xiàn)高效去除。【結(jié)論】 超濾膜處理已成為實現(xiàn)高品質(zhì)飲用水以及現(xiàn)代化水廠升級的重要方向。未來，開發(fā)新型的抗污染性能好、制備成本低的膜材料及改性措施，探索新型高效的膜清洗方式以及探索更加精準(zhǔn)和高效的膜污染控制模型，是推動膜處理技術(shù)持續(xù)進(jìn)步與廣泛應(yīng)用的發(fā)展方向。

【引文格式】

鮑任兵, 龍霞武, 鎮(zhèn)祥華, 等.飲用水處理中的超濾膜污染及其控制[J].凈水技術(shù), 2025, 44(9): 41-49,94.

BAO R B, LONG X W, ZHEN X H, et al.Membrane fouling and the control of UF in drinking water treatment[J].Water Purification Technology, 2025, 44(9): 41-49,94.

通信作者

鮑任兵

中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司科研院

鮑任兵，給排水專業(yè)高級工程師，就職于中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司科研院，主要從事給水處理、污水處理等方面的工藝設(shè)計、新技術(shù)研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)編制等研究工作。工作期間參與了多項國家“十二五”和“十三五”水污染治理重大專項和國家重點研發(fā)計劃，作為課題負(fù)責(zé)人開展了多項污水處理和飲用水安全技術(shù)保障科研課題的實施、研究報告及成果編制，并深度參與了多項工程設(shè)計。目前，發(fā)表核心論文16篇，授權(quán)發(fā)明專利2項，實用新型專利8項，并參與了1項行業(yè)發(fā)展報告、2項國標(biāo)、1項行標(biāo)和10余項團(tuán)標(biāo)的編制工作。

隨著社會進(jìn)步及人民生活水平的提高，供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)提升。2022年，《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2022)發(fā)布實施。同時，上海、深圳、浙江等地也紛紛出臺了地方標(biāo)準(zhǔn)，要求出廠水渾濁度、高錳酸鹽指數(shù)均遠(yuǎn)優(yōu)于國標(biāo)要求。傳統(tǒng)的“混凝+沉淀+過濾+消毒”4段處理無法有效實現(xiàn)上述指標(biāo)的高效去除，增加深度處理是今后水廠提標(biāo)的必然要求和發(fā)展趨勢。

超濾(UF)憑借其高效的物理篩分特性，能夠高效去除水中的細(xì)菌和微生物，顯著降低飲用水的渾濁度和色度，大幅降低細(xì)菌、微生物及“兩蟲”(隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲)泄漏風(fēng)險，為飲用水的健康安全性提供了更加堅實的保障。通過集約化建設(shè)，UF能夠大大減少占地，通過完善的自動化運行實現(xiàn)無人值守，有效降低運維難度，這成為現(xiàn)代化水廠升級的重要方向。張家港市第四水廠是國內(nèi)最早采用雙膜短流程工藝的水廠，處理規(guī)模為20萬m3/d，該廠直接將沉淀池出水通入超濾單元，這對膜處理工藝的推廣具有重要意義。

然而，UF技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用仍面臨多重挑戰(zhàn)。膜污染引發(fā)的通量衰減問題會導(dǎo)致運行能耗攀升、水質(zhì)波動等問題。同時，UF無法有效應(yīng)對低相對分子質(zhì)量的溶解性有機(jī)物、溶解性鋁等污染物，需通過進(jìn)一步耦合氧化、吸附等工藝實現(xiàn)污染物協(xié)同去除。現(xiàn)有研究雖在預(yù)處理優(yōu)化、膜材料改性等方面取得一定進(jìn)展，但在污染動態(tài)預(yù)測、跨尺度污染控制及工藝協(xié)同優(yōu)化等核心環(huán)節(jié)仍存在技術(shù)短板。

文章通過分析超濾處理工藝的凈水性能、膜污染行為和機(jī)制，深入探討強(qiáng)化常規(guī)處理、預(yù)氧化處理和強(qiáng)化深度處理3類膜污染控制技術(shù)，梳理總結(jié)了以膜清洗優(yōu)化和膜污染預(yù)測為主的膜通量恢復(fù)技術(shù)，為今后膜處理工藝的應(yīng)用和發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 UF膜研究現(xiàn)狀

UF起源于1748年，第1張人工UF膜出現(xiàn)于1896年，到20世紀(jì)70年代，UF開始高速發(fā)展。我國起步較晚，直至20世紀(jì)80年代末才開始工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。隨著膜應(yīng)用的高速發(fā)展，對膜污染的關(guān)注也隨之產(chǎn)生。如圖1所示，基于Web of Science(WOS)數(shù)據(jù)庫在1985年—2023年發(fā)表的“膜污染”和“超濾”為關(guān)鍵詞搜索的收錄論文情況。自膜技術(shù)發(fā)展之初，我國就開始關(guān)注膜污染問題，隨著21世紀(jì)初膜技術(shù)的迅速發(fā)展，膜污染相關(guān)研究急劇增多，近5年來達(dá)到峰值，成為了水處理關(guān)注的熱點。

圖1 1985年—2023年膜技術(shù)領(lǐng)域年度新增論文數(shù)量變化趨勢

2 UF膜凈水性能

UF主要通過篩分效應(yīng)將大于膜孔徑尺寸的污染物攔截,能有效去除水中顆粒物、懸浮物以及水體中的致病生物“兩蟲”，同時可分離部分大的相對分子質(zhì)量有機(jī)物，成為保障水質(zhì)生物安全的核心屏障。

不同預(yù)處理工藝對UF膜出水水質(zhì)的影響十分顯著。如表1所示，在不同預(yù)處理工藝下，UF可穩(wěn)定實現(xiàn)出水渾濁度低于0.2 NTU，即便是格柵后直接過濾也能實現(xiàn)較好的渾濁度去除效果。然而，UF對于高錳酸鹽指數(shù)和總硬度的去除效果相對有限，而增加臭氧-活性炭單元則可有效去除水中的有機(jī)物，出水高錳酸鹽指數(shù)可低于2.0 mg/L，但對總硬度幾乎沒有去除效果。生物預(yù)處理工藝對于有機(jī)物有一定的去除效果，以飲用水生態(tài)濕地水為例，經(jīng)過生物接觸氧化處理后，高錳酸鹽指數(shù)從(3.5±0.25) mg/L降至(2.31±0.19) mg/L，但效果弱于臭氧-活性炭工藝，且渾濁度去除效果在很大程度上依賴后續(xù)的混凝沉淀工藝，僅適用于微污染水源。

表1 不同預(yù)處理條件下超濾工藝的出水水質(zhì)

注：在線混凝指混凝劑直接加入到UF進(jìn)水管中，經(jīng)進(jìn)水泵混合后進(jìn)入UF膜過濾。

可見，水源類型與特征污染物在很大程度上決定了預(yù)處理工藝的選擇。對于高渾濁度水源，如南水北調(diào)微污染水，混凝沉淀是必不可少的預(yù)處理步驟；而對于有機(jī)污染較為嚴(yán)重的水源，如梁子湖水，臭氧活性炭工藝能夠有效降低水中的有機(jī)負(fù)荷；對于硬度較高的水源，如南水北調(diào)微污染水，僅僅依靠臭氧-活性炭或UF工藝無法有效降低硬度，因此，需要考慮其他軟化措施。

3 膜污染機(jī)制

3.1

膜污染分類與過程

（1）污染物分類

UF由于孔徑較大，容易受到大顆粒無機(jī)物和微生物的污染，在處理含有大量懸浮固體和微生物的水源時，膜污染問題較為突出。根據(jù)污染物的性質(zhì)，膜污染物可劃分為無機(jī)污染、有機(jī)污染和微生物污染3大類。

無機(jī)污染主要由無機(jī)顆粒物、膠體、金屬離子及鹽類等構(gòu)成。無機(jī)物污染是指各種有害的金屬離子、鹽類、酸、堿性物質(zhì)及無機(jī)懸浮物等沉積在膜的表面因而造成的膜表面結(jié)垢現(xiàn)象，屬于膜表面的物理破壞。超濾膜在受到無機(jī)物污染后，污垢會造成不可逆的孔阻塞且清洗困難。造成UF膜無機(jī)物污染的主要是碳酸鹽類，其中金屬類碳酸鹽(如Fe、Mg和Ca等)能使膜結(jié)垢的強(qiáng)度增大。

有機(jī)污染則主要源于天然有機(jī)物，如藻類、腐殖質(zhì)、多糖和外源有機(jī)物等，其成分復(fù)雜多樣，由不同種類、不同分子量大小和不同化學(xué)性質(zhì)的有機(jī)物構(gòu)成。其中，親水性的生物聚合物(主要由蛋白質(zhì)和多糖組成)和疏水性的腐殖質(zhì)，能夠降低膜表面的Zeta電位，增大膜接觸面積，造成嚴(yán)重膜污染。有機(jī)物污染通常會受到各種因素的影響，包含膜表面及其結(jié)構(gòu)等自身性質(zhì)，溶液的pH、離子強(qiáng)度等化學(xué)性質(zhì)，壓力、濃度極差、流體邊界層性質(zhì)及性能等操作條件和動力學(xué)影響等。

微生物污染則涉及細(xì)菌、病毒、藻類等多種微生物及其代謝產(chǎn)物。微生物對膜的污染是指在膜過濾過程中，微生物及其代謝產(chǎn)物附著到膜表面，在膜表面沉淀生長和新陳代謝，與膜之間產(chǎn)生比較大的附著力，而不至于被反沖洗去除。一旦微生物黏附在膜上，就開始分泌胞外聚合物質(zhì)而加重污染。

在實際應(yīng)用中，膜污染并非單一類型存在，而是多種污染物相互作用，展現(xiàn)出復(fù)合污染的特性。如多糖在微生物作用和金屬離子絡(luò)合作用下，形成的聚合物凝膠層，更會促進(jìn)微生物的生長，進(jìn)一步加速膜污染進(jìn)程。

（2）膜污染過程

膜污染過程主要涉及水中的顆粒物、膠體及溶解性物質(zhì)與膜之間的物理、化學(xué)和生物相互作用。這些相互作用導(dǎo)致污染物在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積，進(jìn)而減少膜孔徑或造成堵塞，最終使膜通量減小并降低其分離性能。膜污染的機(jī)制多樣，主要包括吸附、膜孔堵塞、凝膠層形成、濾餅層形成以及濃差極化等。

膜污染機(jī)制與膜的類型及過濾進(jìn)程緊密相關(guān)。在超濾膜表面預(yù)先沉積吸附劑后進(jìn)行過濾時，濾餅層的形成往往成為主要的污染機(jī)制。因此，為了有效控制膜污染，應(yīng)在污染初期即采取及時的清洗措施，減緩污染進(jìn)程并保證膜通量的穩(wěn)定。

3.2

膜材質(zhì)與抗污染性能

如表2所示，UF膜的材質(zhì)主要分為有機(jī)膜和陶瓷膜2類，其中有機(jī)膜包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚苯乙烯塑料(PS)、聚丙烯(PP)、醋酸纖維素(CA)、聚醚砜(PES)、聚砜(PSF)、聚乙烯醇(PVA)等材質(zhì)。目前以PVDF為主要材質(zhì)的有機(jī)膜因其投資成本低、制備工藝成熟的優(yōu)勢，應(yīng)用范圍最廣，但存在通量恢復(fù)性差、斷絲率高和易污染等問題，對產(chǎn)水率造成了一定影響。相比之下，PAN、PVC和PVA材料的膜因其親水性和化學(xué)穩(wěn)定性表現(xiàn)出了更好的抗污染性能，但存在制備工藝復(fù)雜、使用壽命短和穩(wěn)定性差等問題，導(dǎo)致應(yīng)用范圍較小。近年來，隨著膜材料的發(fā)展，通過化學(xué)改性，或采用復(fù)合膜材料，能有效減輕膜污染。表面改性技術(shù)主要通過添加羥基、羧基等親水性基團(tuán)， 與水分子形成氫鍵，增加膜表面的濕潤性以及光催化改性等 措施，從而提高膜的親水性。

表2 不同膜材質(zhì)的抗污染性能

研究 表明，陶瓷膜材料化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、親水性好，可承受苛刻的化學(xué)清洗條件，具備耐污染性、高適應(yīng)性、分離效率高的特點。通過對比2種膜材質(zhì)對進(jìn)水水質(zhì)的要求，發(fā)現(xiàn)陶瓷膜對進(jìn)水渾濁度有更大的適用范圍，而對硬度要求卻高于有機(jī)膜，這是因為硬度過高會導(dǎo)致鈣、鎂離子在陶瓷膜孔道內(nèi)結(jié)晶，形成水垢；而這些結(jié)晶通常發(fā)生在有機(jī)膜表面，可通過清洗有效去除。隨著陶瓷膜制備技術(shù)的升級，對陶瓷膜進(jìn)行表面改性或采用有機(jī)-陶瓷復(fù)合材料， 以及通過在膜表面或內(nèi)部負(fù)載催化劑，耦合高級氧化技術(shù)， 能夠?qū)崿F(xiàn)抗污染性能的進(jìn)一步強(qiáng)化。目前，受限于改性及制備工藝，抗污染性能好的膜材質(zhì)仍然存在成本高、產(chǎn)量低的難題。因此，今后探索親水性好、制備成本低的膜材質(zhì)是發(fā)展方向。

4 膜污染控制技術(shù)

為了提升UF膜的處理效能并降低膜污染，預(yù)處理(即膜前處理)可降低UF進(jìn)水的渾濁度，緩解UF膜污染程度。在眾多的預(yù)處理技術(shù)中，混凝、吸附、氧化及其組合工藝因其可行性和實用性而廣泛應(yīng)用。這些技術(shù)大致可分為預(yù)氧化處理、強(qiáng)化常規(guī)處理和強(qiáng)化深度處理3類。

4.1

預(yù)氧化處理

當(dāng)原水中的有機(jī)物及鐵、錳、藻含量較高時，預(yù)處理不當(dāng)常常導(dǎo)致膜污染加劇。常規(guī)處理對有機(jī)物去除能力較弱，預(yù)氧化技術(shù)則能有效降低原水有機(jī)物，降低后續(xù)處理單元的運行負(fù)荷，也是減少膜污染的有效途徑。常用的預(yù)氧化工藝有預(yù)氯化、預(yù)臭氧、高錳酸鉀、生物接觸氧化等。

研究表明，通過投加2.5 mg/L的高錳酸鉀，高藻水中的鐵、錳、藻的去除率均可實現(xiàn)90%以上，UF系統(tǒng)運行時間延長了近90 min，顯著緩解了膜污染。但過量的高錳酸鉀易導(dǎo)致顏色問題及MnO2膠體問題，需注重投加量優(yōu)化。同樣的，預(yù)氯化也能有效應(yīng)對藻類，同時降低水的嗅味、色度，但也存在消毒副產(chǎn)物問題。

在混凝沉淀單元前增設(shè)生物接觸氧化，也能夠有效減少進(jìn)入膜單元的有機(jī)物和金屬鹽含量，減輕膜污染。根據(jù)相關(guān)研究，增設(shè)生物接觸氧化后，組合工藝對常規(guī)污染物和特征污染物均有良好的去除效果，總有機(jī)碳(TOC)去除率得到大幅提升，膜通量提高3.86～8.41倍。這說明原水中的疏水性物質(zhì)通過生物降解得到大量去除，有效增強(qiáng)了膜污染控制效果。超過30 d的連續(xù)運行中，通過參數(shù)變化及掃描式電子顯微鏡-X射線能譜儀(SEM-XPS)分析，可以看出膜表面結(jié)垢多以鈣鹽為主，膜污染情況得到有效改善，運行性能良好。

臭氧氧化與UF結(jié)合不僅有利于藻類和有機(jī)污染物的氧化去除，還通過臭氧微泡沖刷和氧化作用有效地緩解了膜污染。成小翔等發(fā)現(xiàn)，在陶瓷膜UF過程中耦合臭氧氧化技術(shù)，能夠顯著提升膜的通量，并有效緩解膜污染。Wei等以陶瓷膜過濾含藻水時，持續(xù)通入1 mg/L的臭氧可使跨膜壓差降低75.8%。新加坡蔡厝港水廠耦合了臭氧氧化與陶瓷膜UF，通過連續(xù)加入臭氧，臭氧不僅能氧化除藻還能清洗膜，使陶瓷膜的回收率提高到99%以上，并節(jié)省了消毒劑投加。盡管陶瓷膜耦合臭氧氧化可緩解膜污染和提高膜通量，還能去除有機(jī)物和抗生素等新型污染物，但易導(dǎo)致出水中溶解性有機(jī)物濃度升高。膜阻力分析揭示，臭氧氧化對陶瓷膜可逆污染阻力的緩解尤為顯著，是減輕膜污染的有效途徑。這一發(fā)現(xiàn)不僅為陶瓷膜在UF領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力支持，也為提升UF工藝的整體效能提供了新思路。另外，將臭氧氧化應(yīng)用于UF膜清洗需注意選用耐氧化膜(如陶瓷膜)作為UF膜。盡管臭氧氧化預(yù)處理技術(shù)在去除有機(jī)物和提高水質(zhì)方面表現(xiàn)出色，但其投加設(shè)備相對復(fù)雜、運行成本較高。

4.2

強(qiáng)化常規(guī)處理

“混凝+沉淀+砂濾”是典型的常規(guī)處理流程，也是UF工藝最常見的預(yù)處理技術(shù)。根據(jù)處理流程的長短，可分為混凝、混凝+沉淀以及混凝+沉淀+砂濾3種預(yù)處理方式。

研究表明，3種預(yù)處理方式下渾濁度和高錳酸鹽指數(shù)去除效果相近，均能達(dá)到低于0.1 NTU和1.5 mg/L的要求。雖然UF膜對渾濁度和大分子有機(jī)物具有較好的去除性能，但預(yù)處理步驟能夠有效去除進(jìn)水中的大部分懸浮物和膠體物質(zhì)，減少在膜表面的吸附和沉積，降低膜污染風(fēng)險。因此，采用前述3種預(yù)處理方式時的膜污染情況差異巨大。“混凝+UF”相比“混凝+沉淀+UF”，膜污染明顯加重，跨膜壓差增長速率提高了2.9倍。在混凝沉淀之后增加砂濾單元，能夠進(jìn)一步去除混凝沉淀后殘留的細(xì)小顆粒物，提升進(jìn)水水質(zhì)，進(jìn)而減輕超濾膜的污染負(fù)荷。因此，當(dāng)原水渾濁度常年較高時，推薦采用“混凝+沉淀+砂濾+UF”流程建設(shè)，并采取多模式運行方式，在高渾濁度期采取全流程運行，在低渾濁度期采取超越砂濾措施，降低運行成本；當(dāng)原水渾濁度常年較低時，推薦采用“混凝+沉淀+UF”流程建設(shè)，實現(xiàn)供水水質(zhì)和建設(shè)、運行成本的有效控制。另外，混凝劑的投加量也是影響膜污染的關(guān)鍵因素之一。以液體堿式氯化鋁(PAC)為例，適量投加PAC能夠有效緩解超濾膜污染，而過量的PAC會形成更多的絮體，部分絮體可能未能有效沉淀或過濾，而是隨水流附著于膜表面，增加膜污染風(fēng)險。因此，確定PAC的適宜投加量對于優(yōu)化預(yù)處理工藝、減輕膜污染具有重要意義。研究指出，PAC的適宜投加量受源水水質(zhì)影響，如處理西江水系源水時，最佳PAC投加量約為15 mg/L。

隨著水廠對殘余鋁的控制提出了更高的要求，如蘇州出臺的《蘇州市自來水廠出廠水水質(zhì)指標(biāo)限值》中將鋁質(zhì)量濃度由國標(biāo)中的0.2 mg/L提升至0.15 mg/L。試驗表明，通過在原水投加二氧化碳可以有效減少PAC投加量，降低出水鋁濃度，減少膜污染，成為提高供水水質(zhì)和膜處理單元運行穩(wěn)定性的有效策略。

4.3

強(qiáng)化深度處理

臭氧-活性炭處理也可用作UF的前處理單元。相比混凝沉淀，“混凝沉淀+臭氧-活性炭”的膜前處理工藝對UF膜污染的緩解作用更強(qiáng)，可實現(xiàn)UF膜在10 d內(nèi)的跨膜壓差增長速率降低54%以上，不僅延長了膜的使用壽命，還顯著提升了系統(tǒng)的運行效率。同時，臭氧-活性炭處理對水中的多環(huán)芳烴、有機(jī)氯農(nóng)藥和鹵乙酸等持久性有機(jī)物具有較好的去除效果，提高了出水水質(zhì)的安全性。相比“生物接觸氧化+混凝沉淀”的膜前處理工藝，“生物接觸氧化+混凝沉淀+臭氧-活性炭”的膜前處理工藝也能更有效地緩解膜污染；相同條件下運行10 d后發(fā)現(xiàn)，采用前一種膜前處理工藝時的通量僅為采用后一種膜前處理工藝時的45%。這表明增加臭氧-活性炭環(huán)節(jié)能夠更有效地維護(hù)膜性能，減少因污染導(dǎo)致的流量衰減。

然而，增加臭氧-活性炭的膜前處理工藝，延長了整個處理流程，增加了建設(shè)和運營的成本投入。盡管如此，該工藝在有機(jī)物去除方面的廣泛適用性，包括對藻類、致嗅物質(zhì)及抗生素等的高效去除，仍使其成為提升水質(zhì)和保障飲用水安全的重要技術(shù)手段。因此，在實際應(yīng)用中需綜合考慮成本效益與水質(zhì)需求，作出科學(xué)合理的選擇。

4.4

膜污染控制措施

如表3所示，在膜污染控制中，需針對不同污染類型采取差異化控制措施。對于無機(jī)污染，針對懸浮物和膠體，可通過混凝-沉淀(砂濾)工藝有效截留；鐵、錳污染需通過預(yù)氧化工藝(高錳酸鉀、臭氧或氯氧化)將二價金屬離子轉(zhuǎn)化為難溶的三價氫氧化物，再結(jié)合混凝沉淀去除；若殘余鋁偏高則采用二氧化碳投加調(diào)節(jié)原水pH，促使氫氧化鋁沉淀形成并通過混凝沉淀分離。對于有機(jī)污染，微污染水體可通過生物接觸氧化法實現(xiàn)降解去除，而高濃度有機(jī)污染需采用臭氧-活性炭組合工藝，臭氧發(fā)揮分解作用后由活性炭進(jìn)行深度吸附。針對微生物污染中的藻類問題，采用預(yù)氧化(高錳酸鉀、臭氧或氯)破壞藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)，再通過混凝沉淀實現(xiàn)氧化去除。

表3 膜污染控制措施

5 膜通量恢復(fù)技術(shù)

5.1

膜清洗優(yōu)化

（1）常規(guī)清洗

膜清洗是恢復(fù)膜過濾性能的關(guān)鍵步驟，能徹底清除膜表面及孔隙中累積的污染物，確保膜持續(xù)發(fā)揮高效的過濾與分離作用。如表4所示，根據(jù)是否采用化學(xué)藥劑，膜清洗策略可分為物理清洗與化學(xué)清洗2大類，而在實際工程應(yīng)用中，為達(dá)到最佳清洗效果，這2種方法常被聯(lián)合應(yīng)用于超濾的維護(hù)中。

表4 UF膜清洗方式

物理清洗策略主要依托流體動力學(xué)的原理，包括水力強(qiáng)力沖洗、空氣脈沖沖洗、機(jī)械振動/旋轉(zhuǎn)輔助、超聲波振蕩清洗以及直接機(jī)械擦拭等。物理清洗對膜材料及其組件的損傷性較低，但對膜污染緩解的效力往往有限，難以應(yīng)對頑固性污染。

當(dāng)物理清洗無法有效恢復(fù)膜通量或控制跨膜壓差時，化學(xué)清洗便成為必要的補(bǔ)充手段。常用的化學(xué)清洗藥劑有酸性溶液(如鹽酸、檸檬酸)、堿性溶液(如氫氧化鈉)、氧化劑(如過氧化氫、次氯酸鈉)等。化學(xué)清洗過程進(jìn)一步細(xì)化為維護(hù)性清洗與恢復(fù)性清洗2個層次。維護(hù)性清洗采用較低濃度的化學(xué)藥劑，預(yù)防污染累積,減少對恢復(fù)性清洗的依賴；恢復(fù)性清洗則動用較高濃度的化學(xué)藥劑處理嚴(yán)重污染情況，尤其是在維護(hù)性清洗間隔顯著縮短時采用，確保膜性能得到全面恢復(fù)。通過靈活運用這2種清洗策略，可以在確保膜系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時，最大化延長膜的使用壽命并提升整體操作效率。

（2）膜污染清洗策略

原水水質(zhì)差異導(dǎo)致不同污染物造成的膜污染。如表5所示，膜清洗通常不是單一方法，而是多種方式的綜合運用,以實現(xiàn)最佳的清洗效果。一般水廠膜單元化學(xué)清洗后的濃縮液常常含有金屬離子、微生物代謝產(chǎn)物、腐植酸、氯酸鹽等洗脫物質(zhì)，具備一定的腐蝕性，可能會導(dǎo)致水體和土壤污染，因此，需中和、沉淀、過濾等處理后回用或排入污水系統(tǒng)。

表5 膜污染清洗策略

綜合考慮清洗效果、操作復(fù)雜性、維護(hù)成本、環(huán)境影響和安全性，臭氧清洗在經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性方面具有一定的優(yōu)勢。然而，臭氧清洗設(shè)備的購置和維護(hù)成本較高，且需要專業(yè)的操作和監(jiān)控。相比之下，常規(guī)膜清洗在成本上可能更為經(jīng)濟(jì)，但操作復(fù)雜性高、產(chǎn)水率低，且可能對環(huán)境造成一定影響。因此，在選擇清洗方法時，需要根據(jù)具體的水質(zhì)情況、膜材料、操作條件和經(jīng)濟(jì)預(yù)算進(jìn)行綜合考慮。

5.2

膜污染預(yù)測

精確預(yù)測與模擬膜污染行為，對于構(gòu)建高效的污染防控策略至關(guān)重要。近年來隨著人工智能(AI)興起，AI模型有望成為提升預(yù)測精度的強(qiáng)大工具。如表6所示，目前應(yīng)用于膜污染控制的主要有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANNs)、模糊邏輯(FLs)和遺傳編程(GPs)等方法 。其中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANNs)因其強(qiáng)大學(xué)習(xí)能力，應(yīng)用廣泛且預(yù)測精度高，成為了構(gòu)建膜污染預(yù)測模型的主流選擇，在UF系統(tǒng) 中的應(yīng)用探索已展現(xiàn)出顯著成效。

表6 膜污染預(yù)測模型

研究表明，對于UF膜污染，跨膜壓差、pH和過濾周期是理想的預(yù)測變量。然而，若訓(xùn)練數(shù)據(jù)匱乏或模型結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，AI模型可能陷入過擬合的困境，雖然在訓(xùn)練集上表現(xiàn)優(yōu)異，卻無法有效泛化至新樣本。鑒于當(dāng)前UF工藝在飲用水處理領(lǐng)域的工程應(yīng)用尚不廣泛，且數(shù)據(jù)積累有限，這無疑對AI模型的準(zhǔn)確性構(gòu)成了挑戰(zhàn)。

隨著膜技術(shù)的廣泛應(yīng)用和數(shù)據(jù)資源的不斷累積，基于AI的膜污染預(yù)測模型將迎來更加廣闊的發(fā)展空間。通過持續(xù)優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)、調(diào)整輸入變量(即膜工藝操作參數(shù))，有望實現(xiàn)對膜污染行為的更加精準(zhǔn)預(yù)測。

6 未來發(fā)展方向

未來膜技術(shù)發(fā)展將聚焦膜材料創(chuàng)新與清洗優(yōu)化，以應(yīng)對膜污染挑戰(zhàn)。一方面，通過研發(fā)高親水性、強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性及機(jī)械性能的新型抗污染膜材料，提升膜在復(fù)雜水質(zhì)中的抗污堵能力，延長使用壽命；同步推進(jìn)表面改性技術(shù)，減少污染物吸附并降低制備成本，實現(xiàn)高效能、低成本的規(guī)模化應(yīng)用；另一方面，改進(jìn)清洗工藝，開發(fā)高效環(huán)保型化學(xué)清洗劑，結(jié)合超聲波等物理清洗技術(shù)，深度清除膜孔及表面污染物，有效恢復(fù)膜通量及過濾性能，降低運行維護(hù)費用。

針對膜污染智能防控，需加速預(yù)測模型優(yōu)化升級。當(dāng)前膜系統(tǒng)運行仍依賴傳統(tǒng)時序控制與在線儀表監(jiān)測，穩(wěn)定性不足。隨著AI技術(shù)突破，構(gòu)建基于機(jī)器學(xué)習(xí)的膜污染預(yù)測模型成為關(guān)鍵方向。通過大數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)污染趨勢動態(tài)預(yù)警與清洗策略自適應(yīng)調(diào)節(jié)，能夠顯著提升系統(tǒng)運行穩(wěn)定性與智能化水平，為膜工藝高效管理提供技術(shù)支撐。

7 結(jié)語

UF膜技術(shù)憑借其高效降低出水渾濁度、有機(jī)物濃度及控制微生物泄漏等優(yōu)勢，成為水處理領(lǐng)域的熱點，但膜污染導(dǎo)致的通量衰減、能耗增加等問題制約其廣泛應(yīng)用。膜前預(yù)處理是延緩膜污染的有效途徑，針對不同水質(zhì)污染問題，可采取分級處理工藝：無機(jī)污染物通過混凝-沉淀(砂濾)實現(xiàn)截留；鐵、錳及藻類污染需采用預(yù)氧化技術(shù)(高錳酸鉀、臭氧或氯)聯(lián)合混凝沉淀高效去除。對于鋁超標(biāo)問題，通過投加二氧化碳降低原水pH，促使沉淀分離。針對有機(jī)污染，微污染水體可采用生物接觸氧化法降解有機(jī)物，高濃度污染則需采用臭氧-活性炭工藝。另外，臭氧與超濾的協(xié)同應(yīng)用不僅能夠提升有機(jī)物去除效率，還能通過微泡沖刷延緩膜污染，有望成為新的膜清洗方式。

未來，開發(fā)抗污染性強(qiáng)、成本可控的膜材料及改性技術(shù)是發(fā)展方向。同時，AI模型通過優(yōu)化輸入?yún)?shù)和算法結(jié)構(gòu)，有望實現(xiàn)對膜污染行為的精準(zhǔn)預(yù)測，為防控策略提供技術(shù)支撐。結(jié)合我國水源多樣性特點，構(gòu)建因地制宜的預(yù)處理組合與智能化控制體系，將推動膜技術(shù)在水處理中的高效應(yīng)用與可持續(xù)發(fā)展。

本文來源于《凈水技術(shù)》2025年第9期“凈水技術(shù)前沿與熱點綜述”欄目，內(nèi)容略有刪減，原標(biāo)題為《飲用水處理中的超濾膜污染及其控制》，作者鮑任兵1,龍霞武2,鎮(zhèn)祥華1,*,鄒 磊1,章詩璐1,李鵬程1,張少輝2(1.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司,湖北武漢 430010;2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,湖北武漢 430070)。

來源：本文源自《凈水技術(shù)》2025年第9期“凈水技術(shù)前沿與熱點綜述”欄目。

排版：李佳佳

校對：李佳佳

審核：阮辰旼

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