重力驱动型膜滤技术在水处理中的应用研究进展

1、重力驱动型膜滤技术在水处理中的应用研究进展简要：摘 要: 作为第三代水处理技术的核心，超滤膜别离技术因其出色的净水效能及平安便捷的特点，在21世纪水处理行业占有重要地位。重力驱动超滤膜(GDM)技术采用重力作为推动力，在长期运行过摘 要: 作为第三代水处理技术的核心，超滤膜别离技术因其出色的净水效能及平安便捷的特点，在21世纪水处理行业占有重要地位。重力驱动超滤膜(GDM)技术采用重力作为推动力，在长期运行过程中，可同时实现双重截留作用及对水中有机污染物和致病微生物的强化去除，具有通量稳定、低本钱、低能耗、出水水质高等优点，在水处理领域中具有广泛的应用前景。本文综述了GDM技术的应用及研究现状，分析了影响GDM技术处理效能的相关因素，提出了GDM技术效能调控策略，展望了该技术的应用前景。关键词: 超滤;重力驱动膜;生物滤饼层;水处理鹿晓菲; 王晨熹; 马放; 李亚峰; 潘俊; 郭晶辉 水处理技术2022-01-20随着净水技术的开展，超滤(Ultrafiltration，UF)膜别离技术已经成为一种成熟的水处理技术，能有效截留去除水中的悬浮物、胶体、颗粒物等物质，尤其是对病原微生物(如

2、“两虫)具有出色的去除效果，且具有集成化程度高、占地面积小等优点，已成为第三代水处理技术的核心。李圭白院士1指出，以超滤为核心的组合工艺能够从生物和化学两方面保障饮用水的平安，获得优质的饮用水，是 21 世纪水源水净化工艺新的重要研究方向。近年来，科研工 作 者 研 发 了 重 力 驱 动 型 膜(Gravity-driven membrane，GDM)过滤技术。GDM工艺最早由瑞士联邦水科学与技术研究所(EAWAG)提出，2022年， PETER-VARBANETS 等人首次发表重力驱动型超滤膜系统的通量稳定现象2，在不通过任何化学或液压控制污垢和生物污垢的情况下，系统能在较长的时间内保持稳定的通量值。加上其具有不需要清洗和周期性的反冲洗、驱动压力低、操作运行简单等特点，在水处理领域中具有广阔的应用前景。1 GDM技术的根本原理重力驱动膜过滤系统是一种由静水压力(2 GDM技术的优势与缺乏 2.1 GDM技术的优势1)通量稳定。在没有任何化学或液压控制污垢和生物污垢的情况下，GDM 系统可在较长的时间内(一年)保持通量稳定，通量水平范围为 410 L/(m2 h)(LMH)2，7，但

3、在不同的原水水质条件下， GDM系统的稳定通量水平不同2。 2)运行本钱与能耗低。区别于传统的超滤处理技术，GDM技术以重力为驱动力，其过程不需要外加压力运行，不需要清洗和周期性的反冲洗来控制膜污染，所需附属设备较少，大大降低了运行本钱和能耗7。 3)出水水质高。GDM技术形成了超滤膜截留、生物滤饼层截留及生物降解的耦合，大大加强对浊度、胶体、微生物、溶解性有机物以及可生物同化有机碳(AOC)、氨氮的去除能力2，5，8-9，对生物可降解溶解有机碳(BODC)的去除效果较强10。与普通超滤技术相比，出水水质显著提高。 4)具有普遍适用性。针对多种类型的原水，例如河水、湖水、水库水、雨水、江水、海水等，在长期运行后，通量稳定现象普遍存在5，说明 GDM 技术对不同的水源具有普遍适用性。2.2 GDM技术的缺乏1)稳定通量水平待提升。虽然 GDM 技术在没有任何物理或化学清洗的情况下，GDM系统的通量可以稳定几个月到一年，但这种稳定的通量比典型的压力驱动的 UF 工艺要低一个数量级11，短期内的工程处理水量受到限制，这是 GDM 系统推广应用的一大障碍。 2)小分子污染物去除能力较低。有研究

4、者发现，虽然GDM系统对AOC的去除率可达23%5，较普通超滤有所提高，但对 DOC、氨氮等有机小分子污染物的去除效率仍较低11。 3)大规模工业实施尚存在困难。采用 GDM 技术的水厂，假设想到达与压力驱动型超滤工艺相同的处理量，通常需要增加 GDM 膜面积或增设设备组件，这就会增加建设本钱和占地面积;且由于 GDM 技术仅靠重力作为驱动力，要想将 GDM 技术应用于大规模工业用水，需要较高的水头条件以获得足够的驱动力，但随之会增加建设难度和费用。3 GDM技术的影响因素 3.1 给水水质GDM系统可用于处理分散饮用的河水、分散非饮用的雨水和灰水、平安排放的废水以及脱盐的预处理海水。GDM 系统中的稳定通量水平与给水类型有关，含有较高有机物的给水会形成阻力较高的生物膜。渗透通量的大小顺序如下：河水/海水雨水 灰 水(/ 稀 释 )废 水 。 2022 年 PETERVARBANETS等9发现向河水中参加废水会导致通量水平下降，这一发现证实了上述排序。3.2 工作压力在传统的超滤工艺中，膜通量几乎随着驱动压力的增加呈线性增加，而在GDM系统中，当跨膜压差超过某一值时，稳定通量随着跨膜压

5、差的变化并无显著差异12。这是由于在较高压力下，膜面滤饼层结构压缩，孔隙率降低，导致在膜过滤过程中生物滤饼层的总阻力随着压力的增加而增加5。因此，难以通过提高驱动压力来增加GDM系统的稳定通量水平。3.3 温 度唐小斌等5发现，在一定温度内(530 )， GDM 系统长期运行，其通量均可到达稳定水平，随着温度的升高，通量到达稳定水平的时间显著减少， GDM 系统稳定通量显著增加。AKHONDI 等13发现，在较高温度(2910)下，随着过滤时间的延长，生物滤饼层体积减小，孔隙率增加。3.4 溶解氧浓度溶解氧(DO)浓度不仅影响膜上细菌的生长，还影响系统中悬浮生物的絮体结构、粒径分布、EPS含量和膜通量14-16。PETER-VARBANETS 等9发现，原水中溶解氧浓度的提高有利于膜性能的提高。随着溶解氧浓度增加，滤饼层生物活性增强，水力可逆阻力和生物滤饼层阻力减小17，稳定通量增大，膜性能提高。3.5 膜和膜组件配置WU等18-19发现膜的性质对GDM的性能影响有限，但是膜组件和反响器的结构对GDM的性能有显著的影响。比照中空纤维膜组件和平板膜组件，虽然平板膜组件比中空纤维膜组件具有

6、更高的渗透通量18-19，但中空纤维膜组件能提供更高的生产效率，且滤饼层污染可能性明显低于平板膜组件。当反响器空间有限时，由于单位面积的生产率较高，具有较高填充密度的中空纤维膜组件是适宜的选择。3.6 运行方式间歇运行可提高 GDM 的稳定通量水平。间歇过程可使生物滤饼层内污染物反向扩散到溶液中，降低生物滤饼层内的污染物浓度，滤饼层经历松弛再压缩的过程，缓解生物滤饼层污染。虽然增加间歇运行时间可以增加通量水平，但过长时间(超过 12 h)的停滞期会造成产水率降低12。因此，可以通过适宜的间歇运行时间(612 h)来有效提高 GDM 系统的效能5。3.7 剪切应力在GDM体系中，单次剪切应力作用在短时间内能使生物结垢层变薄、变光滑，但DANTING SHI等11发现，剪切应力和膜松弛单独作用对生物结垢层内部结构影响不大，但剪切应力与膜松弛共同作用可改变生物结垢层的特性，可使膜的稳定通量提高70%。4 GDM效能调控策略 4.1 生物滤饼层结构的调控研究发现，GDM系统的稳定通量水平与生物滤饼层的粗糙多孔性显著相关5-6，GDM 系统通量可在长时间内保持稳定与粘虫、桡足类和翼状纲动物的运动

7、和捕食行为有关18，20-21。KLEIN 等22发现，向 GDM 系统中参加后生动物如线虫、寡毛类动物可以使滤饼层结构发生变化，实现稳定通量的改善。 DING 等23-24在处理雨水的 GDM 系统中添加颗粒活性炭(GAC)或粉末活性炭(PAC)或砂层，以改善滤饼层的粗糙多孔性，发现虽然 GDM 系统的稳定通量水平出现下降，但可以提高色氨酸蛋白质和腐殖质等特定物质的去除率。TANG等25-26在中空纤维膜填充的 GDM 系统上涂覆 GAC 层，改变膜生物滤饼层结构，发现涂覆GAC层可以在膜外表形成一种“多功能双层的拟多孔结构，使膜的稳定通量水平提高30%120%。4.2 膜前进水水质的改善由于在不同的原水水质条件下，GDM系统的稳定通量水平不同5，因此可以将GDM系统与一些预处理工艺集成，通过生物降解、化学氧化或物理吸附、沉淀、拦截等方法有效去除原水中的局部污染物 。 例 如 ：生 物 膜 反 应 器 -GDM19、缓 速 滤 池 - GDM27、混凝-GDM28、预氧化-GDM29等。通过与预处理工艺集成可以有效提高 GDM 进水水质，减轻 GDM 的处理负荷，降低膜污染，提高 G

8、DM 系统的膜通量和有机物去除率，提高出水水质。4.3 膜材料改性膜的性能是水处理效果、膜污染控制成效的关键因素，采用一些物理或化学手段改变超滤膜的外表性质(如亲疏水性、粗糙度、电荷性质等)或膜孔径可以有效提高渗透通量、控制膜污染。目前，膜材料的改性已广泛应用于各种膜技术中，例如超滤30、纳滤31、反渗透32和正渗透33等，但用于GDM技术的膜材料改性的研究尚比拟罕见。孙卓34采用外表涂覆的方法分别用粉末活性炭和粉末沸石对PVDF膜进行改性，并与混凝技术耦合用于处理松花江水，发现经过改性后 GDM 系统对污染物的截留效果明显增强，稳定通量水平得到提高。LIU等35采用原子转移自由基聚合法(ATRP)将亲水性两性离子聚合物接枝到PVDF膜上，发现膜经改性后不仅可以抑制污染物的粘附，而且具有“自清洁特性，从而有效地提高 GDM操作的水通量和膜选择性。4.4 操作参数的优化大量研究说明，运行参数能够显著影响传统超滤工艺的通量。GDM作为一种特殊的超滤技术，故优化运行条件也能提高其处理效能。研究发现，GDM 的通量稳定水平受工作压力、温度、溶解氧浓度、曝气条件、定期排泥、系统有效容积、膜和膜组

9、件配置以及运行方式等操作参数的影响7，可以通过优化系统的操作参数来实现通量水平和处理效果的提高。5 重力驱动膜技术在水处理领域的应用 5.1 农村饮用水我国广阔农村地区人口具有居住分散程度高的特点，尤其在经济开展较为落后的农村地区，普及集中供水本钱高、难度大，农村人口饮水平安问题不能得到有效保障。鉴于 GDM 技术的特点，其成为农村分散型饮用水处理的理想选择。陈楠等8采用 GDM 技术对农村饮用水进行处理，发现 GDM 技术大大提高了对浊度、微生物、氨氮和UV254的去除率，出水浊度始终稳定在0.07 NTU以下，使饮用水平安性得到有效保证。5.2 城市饮用水随着水源水污染问题加剧与饮用水水质标准的提升，许多饮用水厂都有要改造的需求。胡长鑫等36在唐山某自来水厂的改扩建工程中提出使用混凝沉淀重力驱动膜技术。改造后，系统的能耗大幅降低，占地面积减小，实现了土地的有效利用，大大降低本钱。JONGHUN LEE等37对重力驱动膜系统在供应城市家庭饮用水的处理厂提出了优化建议。5.3 含铁锰地表/地下水近年来，工业污染引起的铁、锰污染越来越受到人们的重视，给饮用水供应提出了新的挑战，需要一些新的方法来缩短甚至完全消除铁和锰的成熟期。 TANG 等38使用 GDM 系统(在膜外表预涂氧化锰)直接处理高浓度(0.40.7 mg/L)锰污染地表水，发现 GDM 过滤对铁、锰的去除效果较好，平均去除率分别为 90% 和 58%，且成熟期极短(不到 10d)。黄凯杰39使用

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