重力驅(qū)動(dòng)型膜濾技術(shù)在水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展

　　摘 要: 作為第三代水處理技術(shù)的核心，超濾膜分離技術(shù)因其出色的凈水效能及安全便捷的特點(diǎn)，在21世紀(jì)水處理行業(yè)占有重要地位。重力驅(qū)動(dòng)超濾膜(GDM)技術(shù)采用重力作為推動(dòng)力，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙重截留作用及對(duì)水中有機(jī)污染物和致病微生物的強(qiáng)化去除，具有通量穩(wěn)定、低成本、低能耗、出水水質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)，在水處理領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。本文綜述了GDM技術(shù)的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，分析了影響GDM技術(shù)處理效能的相關(guān)因素，提出了GDM技術(shù)效能調(diào)控策略，展望了該技術(shù)的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞: 超濾;重力驅(qū)動(dòng)膜;生物濾餅層;水處理

　　鹿曉菲; 王晨熹; 馬放; 李亞峰; 潘俊; 郭晶輝 水處理技術(shù)2022-01-20

　　隨著凈水技術(shù)的發(fā)展，超濾(Ultrafiltration，UF)膜分離技術(shù)已經(jīng)成為一種成熟的水處理技術(shù)，能有效截留去除水中的懸浮物、膠體、顆粒物等物質(zhì)，尤其是對(duì)病原微生物(如“兩蟲(chóng)”)具有出色的去除效果，且具有集成化程度高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，已成為第三代水處理技術(shù)的核心。李圭白院士[1]指出，以超濾為核心的組合工藝能夠從生物和化學(xué)兩方面保障飲用水的安全，獲得優(yōu)質(zhì)的飲用水，是 21 世紀(jì)水源水凈化工藝新的重要研究方向。近年來(lái)，科研工 作 者 研 發(fā) 了 重 力 驅(qū) 動(dòng) 型 膜(Gravity-driven membrane，GDM)過(guò)濾技術(shù)。GDM工藝最早由瑞士聯(lián)邦水科學(xué)與技術(shù)研究所(EAWAG)提出，2010年， PETER-VARBANETS 等人首次發(fā)表重力驅(qū)動(dòng)型超濾膜系統(tǒng)的通量穩(wěn)定現(xiàn)象[2]，在不通過(guò)任何化學(xué)或液壓控制污垢和生物污垢的情況下，系統(tǒng)能在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的通量值。加上其具有不需要清洗和周期性的反沖洗、驅(qū)動(dòng)壓力低、操作運(yùn)行簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在水處理領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　1 GDM技術(shù)的基本原理

　　重力驅(qū)動(dòng)膜過(guò)濾系統(tǒng)是一種由靜水壓力(<100cm 水頭)驅(qū)動(dòng)的超濾類(lèi)型。GDM 技術(shù)利用重力作為驅(qū)動(dòng)力，使原水流入超濾膜組件中進(jìn)行過(guò)濾處理，截留進(jìn)水中的微生物、有機(jī)凝聚膠體物質(zhì)、顆粒有機(jī)物和無(wú)機(jī)物。膜表面生物濾餅層的形成被認(rèn)為是 GDM 技術(shù)的關(guān)鍵[3-4]。由于其存在，可在水處理過(guò)程中同時(shí)執(zhí)行雙重過(guò)濾截留和生物降解的作用。據(jù)報(bào)道，生物濾餅層的粗糙度越大，內(nèi)部孔隙越發(fā)達(dá)，微生物胞外聚合物(EPS)含量越低，穩(wěn)定通量水平則越高[5-6]。圖1為GDM技術(shù)凈水機(jī)制示意圖。

　　2 GDM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足 2.1 GDM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

　　1)通量穩(wěn)定。在沒(méi)有任何化學(xué)或液壓控制污垢和生物污垢的情況下，GDM 系統(tǒng)可在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)(一年)保持通量穩(wěn)定，通量水平范圍為 4～10 L/(m2 ·h)(LMH)[2，7]，但在不同的原水水質(zhì)條件下， GDM系統(tǒng)的穩(wěn)定通量水平不同[2]。 2)運(yùn)行成本與能耗低。區(qū)別于傳統(tǒng)的超濾處理技術(shù)，GDM技術(shù)以重力為驅(qū)動(dòng)力，其過(guò)程不需要外加壓力運(yùn)行，不需要清洗和周期性的反沖洗來(lái)控制膜污染，所需附屬設(shè)備較少，大大降低了運(yùn)行成本和能耗[7]。 3)出水水質(zhì)高。GDM技術(shù)形成了超濾膜截留、生物濾餅層截留及生物降解的耦合，大大加強(qiáng)對(duì)濁度、膠體、微生物、溶解性有機(jī)物以及可生物同化有機(jī)碳(AOC)、氨氮的去除能力[2，5，8-9]，對(duì)生物可降解溶解有機(jī)碳(BODC)的去除效果較強(qiáng)[10]。與普通超濾技術(shù)相比，出水水質(zhì)顯著提高。 4)具有普遍適用性。針對(duì)多種類(lèi)型的原水，例如河水、湖水、水庫(kù)水、雨水、江水、海水等，在長(zhǎng)期運(yùn)行后，通量穩(wěn)定現(xiàn)象普遍存在[5]，說(shuō)明 GDM 技術(shù)對(duì)不同的水源具有普遍適用性。

　　2.2 GDM技術(shù)的不足

　　1)穩(wěn)定通量水平待提升。雖然 GDM 技術(shù)在沒(méi)有任何物理或化學(xué)清洗的情況下，GDM系統(tǒng)的通量可以穩(wěn)定幾個(gè)月到一年，但這種穩(wěn)定的通量比典型的壓力驅(qū)動(dòng)的 UF 工藝要低一個(gè)數(shù)量級(jí)[11]，短期內(nèi)的工程處理水量受到限制，這是 GDM 系統(tǒng)推廣應(yīng)用的一大障礙。 2)小分子污染物去除能力較低。有研究者發(fā)現(xiàn)，雖然GDM系統(tǒng)對(duì)AOC的去除率可達(dá)23%[5]，較普通超濾有所提高，但對(duì) DOC、氨氮等有機(jī)小分子污染物的去除效率仍較低[11]。 3)大規(guī)模工業(yè)實(shí)施尚存在困難。采用 GDM 技術(shù)的水廠(chǎng)，若想達(dá)到與壓力驅(qū)動(dòng)型超濾工藝相同的處理量，通常需要增加 GDM 膜面積或增設(shè)設(shè)備組件，這就會(huì)增加建設(shè)成本和占地面積;且由于 GDM 技術(shù)僅靠重力作為驅(qū)動(dòng)力，要想將 GDM 技術(shù)應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)用水，需要較高的水頭條件以獲得足夠的驅(qū)動(dòng)力，但隨之會(huì)增加建設(shè)難度和費(fèi)用。

　　3 GDM技術(shù)的影響因素 3.1 給水水質(zhì)

　　GDM系統(tǒng)可用于處理分散飲用的河水、分散非飲用的雨水和灰水、安全排放的廢水以及脫鹽的預(yù)處理海水。GDM 系統(tǒng)中的穩(wěn)定通量水平與給水類(lèi)型有關(guān)，含有較高有機(jī)物的給水會(huì)形成阻力較高的生物膜。滲透通量的大小順序如下：河水/海水>雨水 > 灰 水(/ 稀 釋 )廢 水 。 2011 年 PETERVARBANETS等[9]發(fā)現(xiàn)向河水中加入廢水會(huì)導(dǎo)致通量水平下降，這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了上述排序。

　　3.2 工作壓力

　　在傳統(tǒng)的超濾工藝中，膜通量幾乎隨著驅(qū)動(dòng)壓力的增加呈線(xiàn)性增加，而在GDM系統(tǒng)中，當(dāng)跨膜壓差超過(guò)某一值時(shí)，穩(wěn)定通量隨著跨膜壓差的變化并無(wú)顯著差異[12]。這是由于在較高壓力下，膜面濾餅層結(jié)構(gòu)壓縮，孔隙率降低，導(dǎo)致在膜過(guò)濾過(guò)程中生物濾餅層的總阻力隨著壓力的增加而增加[5]。因此，難以通過(guò)提高驅(qū)動(dòng)壓力來(lái)增加GDM系統(tǒng)的穩(wěn)定通量水平。

　　3.3 溫 度

　　唐小斌等[5]發(fā)現(xiàn)，在一定溫度內(nèi)(5～30 ℃)， GDM 系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行，其通量均可達(dá)到穩(wěn)定水平，隨著溫度的升高，通量達(dá)到穩(wěn)定水平的時(shí)間顯著減少， GDM 系統(tǒng)穩(wěn)定通量顯著增加。AKHONDI 等[13]發(fā)現(xiàn)，在較高溫度(29±10)℃下，隨著過(guò)濾時(shí)間的延長(zhǎng)，生物濾餅層體積減小，孔隙率增加。

　　3.4 溶解氧濃度

　　溶解氧(DO)濃度不僅影響膜上細(xì)菌的生長(zhǎng)，還影響系統(tǒng)中懸浮生物的絮體結(jié)構(gòu)、粒徑分布、EPS含量和膜通量[14-16]。PETER-VARBANETS 等[9]發(fā)現(xiàn)，原水中溶解氧濃度的提高有利于膜性能的提高。隨著溶解氧濃度增加，濾餅層生物活性增強(qiáng)，水力可逆阻力和生物濾餅層阻力減小[17]，穩(wěn)定通量增大，膜性能提高。

　　3.5 膜和膜組件配置

　　WU等[18-19]發(fā)現(xiàn)膜的性質(zhì)對(duì)GDM的性能影響有限，但是膜組件和反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)對(duì)GDM的性能有顯著的影響。對(duì)比中空纖維膜組件和平板膜組件，雖然平板膜組件比中空纖維膜組件具有更高的滲透通量[18-19]，但中空纖維膜組件能提供更高的生產(chǎn)效率，且濾餅層污染可能性明顯低于平板膜組件。當(dāng)反應(yīng)器空間有限時(shí)，由于單位面積的生產(chǎn)率較高，具有較高填充密度的中空纖維膜組件是合適的選擇。

　　3.6 運(yùn)行方式

　　間歇運(yùn)行可提高 GDM 的穩(wěn)定通量水平。間歇過(guò)程可使生物濾餅層內(nèi)污染物反向擴(kuò)散到溶液中，降低生物濾餅層內(nèi)的污染物濃度，濾餅層經(jīng)歷松弛再壓縮的過(guò)程，緩解生物濾餅層污染。雖然增加間歇運(yùn)行時(shí)間可以增加通量水平，但過(guò)長(zhǎng)時(shí)間(超過(guò) 12 h)的停滯期會(huì)造成產(chǎn)水率降低[12]。因此，可以通過(guò)適宜的間歇運(yùn)行時(shí)間(6～12 h)來(lái)有效提高 GDM 系統(tǒng)的效能[5]。

　　3.7 剪切應(yīng)力

　　在GDM體系中，單次剪切應(yīng)力作用在短時(shí)間內(nèi)能使生物結(jié)垢層變薄、變光滑，但DANTING SHI等[11]發(fā)現(xiàn)，剪切應(yīng)力和膜松弛單獨(dú)作用對(duì)生物結(jié)垢層內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響不大，但剪切應(yīng)力與膜松弛共同作用可改變生物結(jié)垢層的特性，可使膜的穩(wěn)定通量提高70%。

　　4 GDM效能調(diào)控策略 4.1 生物濾餅層結(jié)構(gòu)的調(diào)控

　　研究發(fā)現(xiàn)，GDM系統(tǒng)的穩(wěn)定通量水平與生物濾餅層的粗糙多孔性顯著相關(guān)[5-6]，GDM 系統(tǒng)通量可在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定與粘蟲(chóng)、橈足類(lèi)和翼狀綱動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)和捕食行為有關(guān)[18，20-21]。KLEIN 等[22]發(fā)現(xiàn)，向 GDM 系統(tǒng)中加入后生動(dòng)物如線(xiàn)蟲(chóng)、寡毛類(lèi)動(dòng)物可以使濾餅層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通量的改善。 DING 等[23-24]在處理雨水的 GDM 系統(tǒng)中添加顆粒活性炭(GAC)或粉末活性炭(PAC)或砂層，以改善濾餅層的粗糙多孔性，發(fā)現(xiàn)雖然 GDM 系統(tǒng)的穩(wěn)定通量水平出現(xiàn)下降，但可以提高色氨酸蛋白質(zhì)和腐殖質(zhì)等特定物質(zhì)的去除率。TANG等[25-26]在中空纖維膜填充的 GDM 系統(tǒng)上涂覆 GAC 層，改變膜生物濾餅層結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)涂覆GAC層可以在膜表面形成一種“多功能雙層”的擬多孔結(jié)構(gòu)，使膜的穩(wěn)定通量水平提高30%～120%。

　　4.2 膜前進(jìn)水水質(zhì)的改善由于在不同的原水水質(zhì)條件下，GDM系統(tǒng)的穩(wěn)定通量水平不同[5]，因此可以將GDM系統(tǒng)與一些預(yù)處理工藝集成，通過(guò)生物降解、化學(xué)氧化或物理吸附、沉淀、攔截等方法有效去除原水中的部分污染物 。 例 如 ：生 物 膜 反 應(yīng) 器 -GDM[19]、緩 速 濾 池 - GDM[27]、混凝-GDM[28]、預(yù)氧化-GDM[29]等。通過(guò)與預(yù)處理工藝集成可以有效提高 GDM 進(jìn)水水質(zhì)，減輕 GDM 的處理負(fù)荷，降低膜污染，提高 GDM 系統(tǒng)的膜通量和有機(jī)物去除率，提高出水水質(zhì)。

　　4.3 膜材料改性膜的性能是水處理效果、膜污染控制成效的關(guān)鍵因素，采用一些物理或化學(xué)手段改變超濾膜的表面性質(zhì)(如親疏水性、粗糙度、電荷性質(zhì)等)或膜孔徑可以有效提高滲透通量、控制膜污染。目前，膜材料的改性已廣泛應(yīng)用于各種膜技術(shù)中，例如超濾[30]、納濾[31]、反滲透[32]和正滲透[33]等，但用于GDM技術(shù)的膜材料改性的研究尚比較罕見(jiàn)。孫卓[34]采用表面涂覆的方法分別用粉末活性炭和粉末沸石對(duì)PVDF膜進(jìn)行改性，并與混凝技術(shù)耦合用于處理松花江水，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)改性后 GDM 系統(tǒng)對(duì)污染物的截留效果明顯增強(qiáng)，穩(wěn)定通量水平得到提高。LIU等[35]采用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合法(ATRP)將親水性?xún)尚噪x子聚合物接枝到PVDF膜上，發(fā)現(xiàn)膜經(jīng)改性后不僅可以抑制污染物的粘附，而且具有“自清潔”特性，從而有效地提高 GDM操作的水通量和膜選擇性。

　　4.4 操作參數(shù)的優(yōu)化大量研究表明，運(yùn)行參數(shù)能夠顯著影響傳統(tǒng)超濾工藝的通量。GDM作為一種特殊的超濾技術(shù)，故優(yōu)化運(yùn)行條件也能提高其處理效能。研究發(fā)現(xiàn)，GDM 的通量穩(wěn)定水平受工作壓力、溫度、溶解氧濃度、曝氣條件、定期排泥、系統(tǒng)有效容積、膜和膜組件配置以及運(yùn)行方式等操作參數(shù)的影響[7]，可以通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)的操作參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)通量水平和處理效果的提高。

　　5 重力驅(qū)動(dòng)膜技術(shù)在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用 5.1 農(nóng)村飲用水我國(guó)廣大農(nóng)村地區(qū)人口具有居住分散程度高的特點(diǎn)，尤其在經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為落后的農(nóng)村地區(qū)，普及集中供水成本高、難度大，農(nóng)村人口飲水安全問(wèn)題不能得到有效保障。鑒于 GDM 技術(shù)的特點(diǎn)，其成為農(nóng)村分散型飲用水處理的理想選擇。陳楠等[8]采用 GDM 技術(shù)對(duì)農(nóng)村飲用水進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn) GDM 技術(shù)大大提高了對(duì)濁度、微生物、氨氮和UV254的去除率，出水濁度始終穩(wěn)定在0.07 NTU以下，使飲用水安全性得到有效保證。

　　5.2 城市飲用水隨著水源水污染問(wèn)題加劇與飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提升，許多飲用水廠(chǎng)都有要改造的需求。胡長(zhǎng)鑫等[36]在唐山某自來(lái)水廠(chǎng)的改擴(kuò)建工程中提出使用混凝沉淀—重力驅(qū)動(dòng)膜技術(shù)。改造后，系統(tǒng)的能耗大幅降低，占地面積減小，實(shí)現(xiàn)了土地的有效利用，大大降低成本。JONGHUN LEE等[37]對(duì)重力驅(qū)動(dòng)膜系統(tǒng)在供給城市家庭飲用水的處理廠(chǎng)提出了優(yōu)化建議。

　　5.3 含鐵錳地表/地下水近年來(lái)，工業(yè)污染引起的鐵、錳污染越來(lái)越受到人們的重視，給飲用水供應(yīng)提出了新的挑戰(zhàn)，需要一些新的方法來(lái)縮短甚至完全消除鐵和錳的成熟期。 TANG 等[38]使用 GDM 系統(tǒng)(在膜表面預(yù)涂氧化錳)直接處理高濃度(0.4～0.7 mg/L)錳污染地表水，發(fā)現(xiàn) GDM 過(guò)濾對(duì)鐵、錳的去除效果較好，平均去除率分別為 90% 和 58%，且成熟期極短(不到 10d)。黃凱杰[39]使用 GDM 系統(tǒng)處理含鐵、錳地下水，發(fā)現(xiàn) GDM 系統(tǒng)對(duì)鐵錳的去除效果完全滿(mǎn)足我國(guó)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 5749-2006)的規(guī)定。

　　5.4 雨 水雨水收集與回用是緩解排澇與城市供水壓力的有效方法。DING等[40]采用簡(jiǎn)單的GDM過(guò)濾工藝對(duì)雨水進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)該工藝操作簡(jiǎn)單、能耗低和通量長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定等特點(diǎn)適用于發(fā)展中國(guó)家分散式雨水或窖水循環(huán)利用。陳仕光等[41]采用深圳中清環(huán)境科技有限公司生產(chǎn)的板式陶瓷膜利用 GDM 技術(shù)對(duì)屋面雨水進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn) GDM 工藝通量高、運(yùn)行穩(wěn)定、無(wú)能耗，對(duì)懸浮固體和濁度有很高的去除率。

　　5.5 水庫(kù)水/江水水庫(kù)水在我國(guó)是比較常見(jiàn)的水源。在北方夏季，水庫(kù)水中有機(jī)物濃度和濁度較高，柳斌等[4]采用微絮凝-GDM 工藝探究了對(duì)引黃水庫(kù)水的處理效能，發(fā)現(xiàn)可顯著提高水中有機(jī)物的去除效果，對(duì) DOC、UV254 和 CODMn 的去除率分別提高 16.6%、 18.2%和10.6%。王美蓮等[28]使用混凝-重力流超濾一體化裝置處理松花江水，將混凝和超濾兩種技術(shù)有機(jī)結(jié)合，結(jié)果表明，該裝置能有效去除水中的有機(jī)物，對(duì)濁度的去除率高達(dá)99.8%。

　　5.6 海水預(yù)處理海水淡化作為一種高質(zhì)量飲用水的替代供應(yīng)方式正受到全球的關(guān)注。WU 等[19]用 GDM 系統(tǒng)做海水預(yù)處理并對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn) GDM 技術(shù)可以有效去除海水中的污染物質(zhì)，為有意義地減少整個(gè)海水處理系統(tǒng)能源的使用提供了支持。

　　5.7 灰 水由于水資源的短缺，灰水的再利用在世界許多地區(qū)，包括工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都受到越來(lái)越多的重視。在灰水的諸多再利用方法(包括物理、化學(xué)和生物過(guò)程)中，由于出水水質(zhì)高、占地面積小、能耗低，GDM技術(shù)是一種非常有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。DING等[17]采用非充氣低壓重力驅(qū)動(dòng)膜生物反應(yīng)器來(lái)處理灰水，發(fā)現(xiàn)該工藝比傳統(tǒng)的MBR或活性污泥工藝所需的能源要少得多，適用于發(fā)展中國(guó)家的非集中式灰水處理。

　　5.8 污水回用 GDM作為一種節(jié)能方法，在污水深度處理中發(fā)揮重要作用。WANG 等[42]使用超濾膜的浸沒(méi)式 GDM系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行污水回用的研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)具有較好的去除效率，特別是隨著污染層的發(fā)展，出水水質(zhì)得到了改善，展現(xiàn)出 GDM 在維持通量和長(zhǎng)期運(yùn)行等方面的優(yōu)越性和可持續(xù)性。

　　6 結(jié)語(yǔ)與展望重力驅(qū)動(dòng)膜技術(shù)有機(jī)地結(jié)合了超濾膜和生物濾餅層的雙重截留作用，能有效截留進(jìn)水中的有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物并對(duì)污染物進(jìn)行生物降解，大大加強(qiáng)對(duì)濁度、有機(jī)凝聚膠體物質(zhì)、微生物、溶解性有機(jī)物以及可生物同化有機(jī)碳、氨氮等的去除能力，提高出水安全性。其具有通量穩(wěn)定且不需要周期性反沖洗和化學(xué)清洗、運(yùn)行成本與能耗低、出水水質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)，在上述水處理領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。但由于其存在穩(wěn)定通量水平較普通超濾低、對(duì)小分子污染物去除效果欠佳、工業(yè)尚難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用等問(wèn)題，在未來(lái)的研究中，可以針對(duì)以下方面進(jìn)行深入探討： 1)如何有效提高超濾膜的穩(wěn)定通量水平;2)探討提高對(duì)小分子污染物去除效率的方法以及如何在較長(zhǎng)的運(yùn)行期間維持較高的 AOC 去除率;3)優(yōu)化 GDM 工藝的操作和維護(hù)方法，并提高膜的使用壽命;4)如何在大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用中替代傳統(tǒng)的超濾技術(shù)，降低水處理工藝成本。隨著技術(shù)的發(fā)展和研究的深入，未來(lái)以 GDM 為核心的超濾凈水工藝勢(shì)必會(huì)在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域發(fā)揮舉足輕重的重要作用。