王萌萌，郑洪领，韩雯雯，李满屯

（中国城市建设研究院有限公司山东分院，济南 250101）

随着生产技术的发展，人们的生活水平不断提高，水体富营养化却日趋严重。水体富营养化不仅破坏生态环境，还会影响水质，特别是嗅味、色度等生态指标。富营养化水体多为高藻水，藻类会大量分泌藻毒素、产生致病原生动物，影响水域环境，甚至引发用水人、畜等中毒，影响水处理过程。高藻水会影响混凝-沉淀工艺的处理效能，藻类可能会造成滤池堵塞，甚至穿透滤池；藻类还会释放大量藻毒素，待处理水中藻毒素含量上升，难以通过常规处理工艺去除；藻类的新陈代谢会产生恶臭物质，死亡腐烂更会导致水体感官指标下降[1]。

目前，我国给水厂通常采用“混凝-沉淀-过滤-消毒”的常规处理工艺，难以去除藻细胞，对藻类释放的可溶性有毒物质去除效果也十分有限。高藻水处理的工艺以藻类数量的减少、防止藻类对常规工艺的运行影响为主，相应地，高藻水去除研究也集中在藻类数量降低，如增加化学预氧化、改善混凝条件、投加粉末活性炭等方法[2]。超滤膜能有效去除包括隐饱子虫、贾第鞭毛虫、细菌和病毒在内的各种微生物，可有效去除颗粒状物质，同时对藻类的去除效果良好。超滤膜孔径小于0.1 μm，藻类的大小在一到几百微米，理论上说，超滤膜可以截留全部藻类[3]。因此，本文分析了超滤技术在高藻水处理中的可行性，认为在常规水处理工艺的基础上增加超滤工艺处理高藻水是水厂的重要发展方向。

1 超滤膜的优势

1.1 对藻细胞的去除效果

藻类是所有植物中最古老的，其大多生活在水中。它们的结构非常简单，我国学者一般将藻类分为11门：蓝藻、隐藻、黄藻、红藻、硅藻、褐藻、裸藻、甲藻、金藻、绿藻、轮藻，不同的藻类体型差异很大。

在我国，富营养化湖泊和水库的藻类中，蓝藻占优势的。蓝藻门中的铜绿微囊藻是最常见的一种，细胞以球形、近球形为主，直径3～7 μm。

超滤介于微滤和纳滤之间，平均孔径在3～100 nm。国内外研究学者已经证实，铜绿微囊藻的细胞直径远大于超滤孔径，理论上讲，超滤膜可以截留全部藻细胞。梁恒等人通过试验证明，PVC超滤膜对原水中的铜绿微囊藻细胞去除率为100%[4]；Campinas发现，醋酸纤维超滤膜可以完全截留原水中的铜绿微囊藻细胞[5]。

1.2 对藻类产生的胞外分泌物的去除效果

胞外分泌物是指藻类在生长过程中释放的有机物质，在不同的生长阶段，胞外分泌物的种类也不同。以铜绿微囊藻为例，其产生的主要分泌物有碳水化合物、核酸、蛋白质和一些小分子物质（如藻毒素）[6]。藻类的胞外分泌物主要由多聚糖类物质组成，碳水化合物和羰基化合物占比为60%～80%[7]。藻毒素的含量很小，其危害却很大。微囊藻毒素中微囊藻毒素-LR（MC-LR）是蓝藻中某些藻属细胞代谢和分泌的主要毒素之一，截留分子量仅为900～1 000，却是富营养化水中最常出现、危害最严重、数量最大的藻毒素[8]。我国《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）规定，微囊藻毒素-LR最高浓度为0.001 mg/L。

超滤膜具有一定的去除这些溶解性有机物的能力，但其作用机理不同。截流作用可以去除分子较大的碳水化合物；吸附作用可以去除部分蛋白质等小分子，藻毒素的浓度、亲水性和疏水性以及超滤膜材料等条件决定了吸附作用对其去除效果。研究发现，在超滤膜过滤初期，MC-LR去除的主要原因是由于疏水性和氢键吸附。当吸附逐渐趋于平衡时，由于污染，膜孔径逐渐减小。超滤膜可以通过截留作用去除一些藻毒素[9]。

一般来说，超滤膜对可溶性有机物去除效果一般。因此，当超滤膜用于处理富营养化水体时，需要与其他预处理工艺相结合，如混凝、预氧化等，加强其对有机物的去除能力。唐凯峰等通过试验证明，“高锰酸钾预氧化+粉末活性炭吸附+混凝气浮+超滤”的组合工艺处理微污染水库水，出水水质能稳定地达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）的基本要求，可作为现有水厂升级改造方案[10]。高锰酸盐和聚氯化铝（PAC）联合使用，投加量分别是0.5 mg/L和1 mg/L时，可以使藻细胞失去活性，而且细胞壁不破裂，从而防止胞内物质外泄。同时，二氧化锰可以吸附在藻细胞表面，增加沉降速度，从而大大降低了超滤膜的跨膜压差，有效缓解膜污染，提高对可溶性有机物的去除能力[11]。

2 膜污染

超滤膜作为生物膜的一种，在其运行使用过程中同样会出现膜污染。

2.1 膜污染的原因

采用超滤技术过滤时，高藻水中的颗粒、胶体离子和溶质分子会由于物理化学和吸附作用被吸附或沉积在膜表面或膜孔中，从而导致膜孔径减小甚至堵塞，造成膜污染[12]。膜污染后，超滤膜通量减少，膜分离特性改变，膜的使用寿命缩短，运行成本增加。因此，膜污染是制约超滤膜技术在高藻水处理中应用的主要因素，膜污染问题亟待解决。

2.2 膜污染的防治

防治膜污染技术大致可分为两类：一是膜自身特性的改进；二是膜表面流动的改善，膜组件中的流体流动，可以减少膜污染和浓差极化[13]。

对超滤膜自身特性进行改进的方法有：用表面活性剂在膜表面的吸附改性，等离子体改性，用紫外辐照方法改性，辐照接枝聚合改性，高分子合金改性以及表面化学反应改性等[14]。

膜表面流动的改善方法主要有两类；一类是在膜过程中采取一定的操作策略，主要有两相流超滤、电超滤与电纳滤、脉冲流操作、振动膜组件、超声波照射等；另一类是优化和改进膜组件及膜系统结构设计，提高膜面处剪切流速及流体的紊动，降低膜污染与浓差极化，主要包括冲压构形、扭转弹簧式设计、正交流设计等方面[15]。

2.3 超滤膜的清洗

为保障膜的使用性能，要定时对超滤膜进行清洗，清除膜孔道内的杂质，提高膜通透量。超滤膜的清洗方式主要是物理清洗和化学清洗两种，清洗方式的选择取决于膜的性质和处理液的性质。物理清洗包括气体脉冲清洗、水力清洗、超声波清洗等。其中，水力清洗方式最常用，通常采用反冲洗、低压高速清洗、反压冲洗、等压清洗、负压清洗等[16]。清洗时，水流速越大，产生的剪切力越大，便能更好地去除膜表面的杂质。若物理清洗不能很好地去除杂质时，用化学清洗能达到更好的效果。化学清洗剂的选择应遵循以下原则：使膜表面杂质松动，溶解杂质或使其分散在水中；对膜起到消毒作用；对膜处理系统起到消毒作用；无毒、安全；具有化学稳定性；对环境影响小，残留在系统中不影响物料的特点[17]。化学清洗包括螯合剂、酸洗、碱洗、氧化还原法、表面活性剂及酶洗涤剂等复配方法。为使膜组件的通量得到更好的恢复，可将物理清洗和化学清洗结合使用[18]。

2.4 超滤膜的再生

清洗也无法使超滤膜的性能恢复时，需对超滤膜进行再生，消除膜表面形成的凝胶层。首先就要破坏附着在膜表面及积蓄在膜孔内相互结合的物质；然后是降解堵塞在膜孔里的大分子物质；最后利用大量的水进行冲洗。这样可以有效去除阻塞物，使超滤膜再生。超滤膜再生的常用方法主要有：离子水再生法、酶再生法、洗涤剂清洗再生法、稀酸再生法、稀碱再生法、过氧化氢再生法及酸性臭氧溶液再生法等[19]。钱俊青等发现，利用酸性高锰酸钾液对超滤膜进行再生，效果明显，尤其是对被生物大分子物质污染的超滤膜，基本能使膜的分离性能复原，操作简便，成本低，对膜结构影响甚小，应用前景良好[20]。

3 结论

超滤膜不仅可以去除水中的藻类，还可以去除水中的原生动物、细菌、病毒等微生物。超滤膜过滤具有操作简单、见效快等优势，可以与现有水厂的常规水处理工艺结合，充分发挥各工艺的优势，增强水质净化力度，对水中的有机物、浊度、致病微生物、胞外分泌物等均有较好的处理效果。此外，超滤膜过滤与预氧化等工艺结合使用，可以满足人们对水质日益增高的要求，大大提高出厂水的化学安全性和生物安全性。但是，超滤膜在使用过程中会出现膜污染等问题，人们需要分析膜污染原因，通过化学、物理方法进行膜清洗和再生，从而恢复膜性能，节约膜使用量。随着生产成本的降低和品种的增多，超滤膜的应用范围将会逐渐扩大，由此可以看出，超滤膜技术是水厂高藻水处理的重要发展方向。

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