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反渗透膜及纳滤膜剖检分析与膜污染诊断研究进展(三)
发布时间:2021-11-25 09:34:14

2、膜污染分布情况诊断

因为膜剖检需要对膜元件进行拆卸解剖,这种破坏性的拆解可以更加直观地了解膜内部污染情况,所以膜剖检分析有助于诊断膜内部污染分布情况,也可对膜系统中处于不同工艺段膜元件的污染情况进行诊断分析。Kim等对用于苦咸水脱盐的反渗透膜元件进行了剖检分析,剖检对象选择的是三种不同位置的膜元件,分别位于一 级反渗透系统的第 二支、二级反渗透系统的第 一支和第三支。通过SEMAFMLOI、接触角、ICP-MSEEM等表征分析,得出膜污染大部分是含有蛋白质类和富里酸类的有机污染,以及少量含FeAlSi元素的无机污染和生物污染。他们还对同一膜袋正反两面同一位置的膜污染分布情况做了研究,如图6所示,正反两面污染膜的颜色有明显差异,但两面污染膜除了元素组成不同,其他剖检结果均相同。他们认为造成正反两面膜污染分布不同的原因主要是膜袋两侧对流力的差异,反面对流力较强会引起较重的膜污染,因此其污染层较厚。



Nejati等对运行7年遭受严重生物污染的海水淡化膜元件进行了剖检分析,选取了膜袋进水侧和外侧污染较重的6个不同位置进行裁剪取样。表征结果表明,膜进口处的生物污染更为严重,可能是由复杂的微生物引起的。此外,沿着膜袋外缘向中 心管方向污染情况不断加剧,这主要是水力条件不同造成的。Tong等对污水再生厂苦咸水脱盐装置的反渗透膜元件进行了剖检分析。该苦咸水脱盐装置为两段设计,每段装配6支膜元件,选取两段反渗透的12支膜分别进行了取样分析。其中,沿进水方向首端第 一支膜元件的有机污染、无机污染和微生物污染均很严重,第 二至第七支膜元件污染程度轻,末端膜元件污染情况同样严重。经SEMAFM、接触角、DOCICP等表征测试分析,得出无机污染物主要是铁和钙沉淀物,有机污染物为氨基酸、有机物、多糖以及类黄腐酸有机质。


3、不同应用场景膜污染情况对比

膜污染类型通常和原水水质有很大关系,不同的原水条件所形成的膜污染差异较大,反渗透膜主要应用的场景有海水淡化、工业废水处理、市政废水处理等,因此膜剖检还可用于不同应用场景膜污染类型和污染状况的对比分析。Khan等分别对废水回用反渗透膜元件(WWRO)和海水淡化反渗透膜元件(SWRO)进行了剖检分析,并对比了两种膜元件的污染物组成,剖检对象选择的都是一段反渗透系统的首末支膜元件。

ICP-OESLOISEM-EDSFTIRNMR等表征分析,得出两种系统的第 一支膜都存在生物污染且生物高分子分布类似,但WWROSWRO污染严重;

末支SWRO主要是腐殖质类的有机污染和来自亚硫酸氢盐的CaS无机污染,而末支WWRO则主要是CaHPO4)、CaSO4FeS的无机污染;

WWRO的微生物污染为β-变形菌,SWRO则是丙型和甲型变形菌。Luo等分别对市政污水处理厂(A厂)和工业废水处理厂(B厂)二级生化处理出水反渗透处理系统的膜元件进行了剖检分析,样品分别取自两端膜系统的首端和尾端的膜元件。通过SEMAFMLOIICPEEM等表征测试结果表明,两种情景中均为首端膜元件污染严重,且A厂运行的膜元件污染情况整体更为严重,但两厂膜元件的活性微生物分布情况相同:

A厂的膜元件无机污染中Ca含量高,而B厂膜元件中Fe含量高;

有机污染物A厂膜元件主要为蛋白质,B厂则主要为多糖。




上述研究结果表明,海水淡化的反渗透膜污染主要是无机污染和生物污染,这主要是因为海水中含有大量的盐类且存在复杂的微生物等污染源;

市政废水处理的反渗透膜污染与进水水源有较大关系,不同水源处理的膜污染不尽相同,但随着城市化和工业化进程的加快,市政废水的处理越来越多且膜污染日趋严重;

工业废水处理的反渗透膜污染则较为复杂,这主要是由于不同行业的生产工艺不同,所产生的废液又含有大量的工业原料、中间产物及副产物等,导致工业废水的种类繁多且成分复杂,从而形成的膜污染也较为复杂。


4、不同膜材料的污染情况对比

膜污染程度和膜材料也有很大关系,不同的膜材料耐污染性相差较大。商品反渗透膜材料主要为醋酸纤维素、聚酰胺和复合材料,而商品纳滤膜材料则主要为醋酸纤维素、聚酰胺和磺化聚醚砜,其中聚酰胺复合膜由于不易水解、化学稳定性好和使用寿命长等优点,目前已成为工业应用广泛的反渗透和纳滤膜材料。Sachit等对醋酸纤维素、聚酰胺和复合材料三种不同材料的反渗透膜进行了模拟苦咸水污染情况研究,通过SEMEDS表征对比分析了三种不同膜材料对无机垢形成的影响,结果表明膜材料的表面粗糙度对无机垢形貌及污染程度影响较大,其中复合材料反渗透膜展现出了较好的膜性能。


四、结语

膜剖检是一种用于了解膜污染程度和分析膜污染成因的有效方法,尽管这种方法需要对膜元件进行破坏性拆解,但却可以直观地对膜污染进行更加准确且全 面的分析。LOISEMEDSATR-FTIRICPIC等是常见的有机污染和无机污染的诊断分析方法,CLSM、焦磷酸测序分析、16S rDNA高通量测序分析则是常用的生物污染诊断分析方法,结合AFMXPSNMR、接触角、zeta电位等辅助表征,可进一步了解污染物及污染膜的表面结构组成和性能变化;RBS3D-EEMLC-OCD等表征则是近年来常用于膜污染的诊断分析方法,通过其测试结果可以更准确地判断膜污染类型。但目前实际应用的膜剖检分析会省略多数步骤,使得研究过程不系统、不全 面,还有待进一步完善使膜剖检分析的意义和价值得以体现。



膜污染类型通常和原水水质条件有很大关系,不同水质处理的膜元件其膜污染差异较大,且长期运行的膜元件往往受到多种类型的污染物协同发生的污染作用,因此,为减轻膜污染对膜寿命的影响,一方面需从源头开始,在膜系统运行前做好进水的预处理,同时加强膜系统的运行操作规范,一旦出现膜污染及时进行膜清洗和性能恢复;

另一方面从制膜材料和加工工艺角度,加强新膜的耐污染性从而有效减少膜元件的受污染程度,也是未来延长膜使用寿命的研究方向。