重力驅動型膜濾技術在水處理中的應用研究進展

　　摘 要: 作為第三代水處理技術的核心，超濾膜分離技術因其出色的凈水效能及安全便捷的特點，在21世紀水處理行業占有重要地位。重力驅動超濾膜(GDM)技術采用重力作為推動力，在長期運行過程中，可同時實現雙重截留作用及對水中有機污染物和致病微生物的強化去除，具有通量穩定、低成本、低能耗、出水水質高等優點，在水處理領域中具有廣泛的應用前景。本文綜述了GDM技術的應用及研究現狀，分析了影響GDM技術處理效能的相關因素，提出了GDM技術效能調控策略，展望了該技術的應用前景。

　　關鍵詞: 超濾;重力驅動膜;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2022-01-20

　　隨著凈水技術的發展，超濾(Ultrafiltration，UF)膜分離技術已經成為一種成熟的水處理技術，能有效截留去除水中的懸浮物、膠體、顆粒物等物質，尤其是對病原微生物(如“兩蟲”)具有出色的去除效果，且具有集成化程度高、占地面積小等優點，已成為第三代水處理技術的核心。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兩方面保障飲用水的安全，獲得優質的飲用水，是 21 世紀水源水凈化工藝新的重要研究方向。近年來，科研工 作 者 研 發 了 重 力 驅 動 型 膜(Gravity-driven membrane，GDM)過濾技術。GDM工藝最早由瑞士聯邦水科學與技術研究所(EAWAG)提出，2010年， PETER-VARBANETS 等人首次發表重力驅動型超濾膜系統的通量穩定現象[2]，在不通過任何化學或液壓控制污垢和生物污垢的情況下，系統能在較長的時間內保持穩定的通量值。加上其具有不需要清洗和周期性的反沖洗、驅動壓力低、操作運行簡單等特點，在水處理領域中具有廣闊的應用前景。

　　1 GDM技術的基本原理

　　重力驅動膜過濾系統是一種由靜水壓力(<100cm 水頭)驅動的超濾類型。GDM 技術利用重力作為驅動力，使原水流入超濾膜組件中進行過濾處理，截留進水中的微生物、有機凝聚膠體物質、顆粒有機物和無機物。膜表面生物濾餅層的形成被認為是 GDM 技術的關鍵[3-4]。由于其存在，可在水處理過程中同時執行雙重過濾截留和生物降解的作用。據報道，生物濾餅層的粗糙度越大，內部孔隙越發達，微生物胞外聚合物(EPS)含量越低，穩定通量水平則越高[5-6]。圖1為GDM技術凈水機制示意圖。

　　2 GDM技術的優勢與不足 2.1 GDM技術的優勢

　　1)通量穩定。在沒有任何化學或液壓控制污垢和生物污垢的情況下，GDM 系統可在較長的時間內(一年)保持通量穩定，通量水平范圍為 4～10 L/(m2 ·h)(LMH)[2，7]，但在不同的原水水質條件下， GDM系統的穩定通量水平不同[2]。 2)運行成本與能耗低。區別于傳統的超濾處理技術，GDM技術以重力為驅動力，其過程不需要外加壓力運行，不需要清洗和周期性的反沖洗來控制膜污染，所需附屬設備較少，大大降低了運行成本和能耗[7]。 3)出水水質高。GDM技術形成了超濾膜截留、生物濾餅層截留及生物降解的耦合，大大加強對濁度、膠體、微生物、溶解性有機物以及可生物同化有機碳(AOC)、氨氮的去除能力[2，5，8-9]，對生物可降解溶解有機碳(BODC)的去除效果較強[10]。與普通超濾技術相比，出水水質顯著提高。 4)具有普遍適用性。針對多種類型的原水，例如河水、湖水、水庫水、雨水、江水、海水等，在長期運行后，通量穩定現象普遍存在[5]，說明 GDM 技術對不同的水源具有普遍適用性。

　　2.2 GDM技術的不足

　　1)穩定通量水平待提升。雖然 GDM 技術在沒有任何物理或化學清洗的情況下，GDM系統的通量可以穩定幾個月到一年，但這種穩定的通量比典型的壓力驅動的 UF 工藝要低一個數量級[11]，短期內的工程處理水量受到限制，這是 GDM 系統推廣應用的一大障礙。 2)小分子污染物去除能力較低。有研究者發現，雖然GDM系統對AOC的去除率可達23%[5]，較普通超濾有所提高，但對 DOC、氨氮等有機小分子污染物的去除效率仍較低[11]。 3)大規模工業實施尚存在困難。采用 GDM 技術的水廠，若想達到與壓力驅動型超濾工藝相同的處理量，通常需要增加 GDM 膜面積或增設設備組件，這就會增加建設成本和占地面積;且由于 GDM 技術僅靠重力作為驅動力，要想將 GDM 技術應用于大規模工業用水，需要較高的水頭條件以獲得足夠的驅動力，但隨之會增加建設難度和費用。

　　3 GDM技術的影響因素 3.1 給水水質

　　GDM系統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處理海水。GDM 系統中的穩定通量水平與給水類型有關，含有較高有機物的給水會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]發現向河水中加入廢水會導致通量水平下降，這一發現證實了上述排序。

　　3.2 工作壓力

　　在傳統的超濾工藝中，膜通量幾乎隨著驅動壓力的增加呈線性增加，而在GDM系統中，當跨膜壓差超過某一值時，穩定通量隨著跨膜壓差的變化并無顯著差異[12]。這是由于在較高壓力下，膜面濾餅層結構壓縮，孔隙率降低，導致在膜過濾過程中生物濾餅層的總阻力隨著壓力的增加而增加[5]。因此，難以通過提高驅動壓力來增加GDM系統的穩定通量水平。

　　3.3 溫 度

　　唐小斌等[5]發現，在一定溫度內(5～30 ℃)， GDM 系統長期運行，其通量均可達到穩定水平，隨著溫度的升高，通量達到穩定水平的時間顯著減少， GDM 系統穩定通量顯著增加。AKHONDI 等[13]發現，在較高溫度(29±10)℃下，隨著過濾時間的延長，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菌的生長，還影響系統中懸浮生物的絮體結構、粒徑分布、EPS含量和膜通量[14-16]。PETER-VARBANETS 等[9]發現，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，水力可逆阻力和生物濾餅層阻力減小[17]，穩定通量增大，膜性能提高。

　　3.5 膜和膜組件配置

　　WU等[18-19]發現膜的性質對GDM的性能影響有限，但是膜組件和反應器的結構對GDM的性能有顯著的影響。對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效率，且濾餅層污染可能性明顯低于平板膜組件。當反應器空間有限時，由于單位面積的生產率較高，具有較高填充密度的中空纖維膜組件是合適的選擇。

　　3.6 運行方式

　　間歇運行可提高 GDM 的穩定通量水平。間歇過程可使生物濾餅層內污染物反向擴散到溶液中，降低生物濾餅層內的污染物濃度，濾餅層經歷松弛再壓縮的過程，緩解生物濾餅層污染。雖然增加間歇運行時間可以增加通量水平，但過長時間(超過 12 h)的停滯期會造成產水率降低[12]。因此，可以通過適宜的間歇運行時間(6～12 h)來有效提高 GDM 系統的效能[5]。

　　3.7 剪切應力

　　在GDM體系中，單次剪切應力作用在短時間內能使生物結垢層變薄、變光滑，但DANTING SHI等[11]發現，剪切應力和膜松弛單獨作用對生物結垢層內部結構影響不大，但剪切應力與膜松弛共同作用可改變生物結垢層的特性，可使膜的穩定通量提高70%。

　　4 GDM效能調控策略 4.1 生物濾餅層結構的調控

　　研究發現，GDM系統的穩定通量水平與生物濾餅層的粗糙多孔性顯著相關[5-6]，GDM 系統通量可在長時間內保持穩定與粘蟲、橈足類和翼狀綱動物的運動和捕食行為有關[18，20-21]。KLEIN 等[22]發現，向 GDM 系統中加入后生動物如線蟲、寡毛類動物可以使濾餅層結構發生變化，實現穩定通量的改善。 DING 等[23-24]在處理雨水的 GDM 系統中添加顆粒活性炭(GAC)或粉末活性炭(PAC)或砂層，以改善濾餅層的粗糙多孔性，發現雖然 GDM 系統的穩定通量水平出現下降，但可以提高色氨酸蛋白質和腐殖質等特定物質的去除率。TANG等[25-26]在中空纖維膜填充的 GDM 系統上涂覆 GAC 層，改變膜生物濾餅層結構，發現涂覆GAC層可以在膜表面形成一種“多功能雙層”的擬多孔結構，使膜的穩定通量水平提高30%～120%。

　　4.2 膜前進水水質的改善由于在不同的原水水質條件下，GDM系統的穩定通量水平不同[5]，因此可以將GDM系統與一些預處理工藝集成，通過生物降解、化學氧化或物理吸附、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 器 -GDM[19]、緩 速 濾 池 - GDM[27]、混凝-GDM[28]、預氧化-GDM[29]等。通過與預處理工藝集成可以有效提高 GDM 進水水質，減輕 GDM 的處理負荷，降低膜污染，提高 GDM 系統的膜通量和有機物去除率，提高出水水質。

　　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鍵因素，采用一些物理或化學手段改變超濾膜的表面性質(如親疏水性、粗糙度、電荷性質等)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用于各種膜技術中，例如超濾[30]、納濾[31]、反滲透[32]和正滲透[33]等，但用于GDM技術的膜材料改性的研究尚比較罕見。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PVDF膜進行改性，并與混凝技術耦合用于處理松花江水，發現經過改性后 GDM 系統對污染物的截留效果明顯增強，穩定通量水平得到提高。LIU等[35]采用原子轉移自由基聚合法(ATRP)將親水性兩性離子聚合物接枝到PVDF膜上，發現膜經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 操作參數的優化大量研究表明，運行參數能夠顯著影響傳統超濾工藝的通量。GDM作為一種特殊的超濾技術，故優化運行條件也能提高其處理效能。研究發現，GDM 的通量穩定水平受工作壓力、溫度、溶解氧濃度、曝氣條件、定期排泥、系統有效容積、膜和膜組件配置以及運行方式等操作參數的影響[7]，可以通過優化系統的操作參數來實現通量水平和處理效果的提高。

　　5 重力驅動膜技術在水處理領域的應用 5.1 農村飲用水我國廣大農村地區人口具有居住分散程度高的特點，尤其在經濟發展較為落后的農村地區，普及集中供水成本高、難度大，農村人口飲水安全問題不能得到有效保障。鑒于 GDM 技術的特點，其成為農村分散型飲用水處理的理想選擇。陳楠等[8]采用 GDM 技術對農村飲用水進行處理，發現 GDM 技術大大提高了對濁度、微生物、氨氮和UV254的去除率，出水濁度始終穩定在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題加劇與飲用水水質標準的提升，許多飲用水廠都有要改造的需求。胡長鑫等[36]在唐山某自來水廠的改擴建工程中提出使用混凝沉淀—重力驅動膜技術。改造后，系統的能耗大幅降低，占地面積減小，實現了土地的有效利用，大大降低成本。JONGHUN LEE等[37]對重力驅動膜系統在供給城市家庭飲用水的處理廠提出了優化建議。

　　5.3 含鐵錳地表/地下水近年來，工業污染引起的鐵、錳污染越來越受到人們的重視，給飲用水供應提出了新的挑戰，需要一些新的方法來縮短甚至完全消除鐵和錳的成熟期。 TANG 等[38]使用 GDM 系統(在膜表面預涂氧化錳)直接處理高濃度(0.4～0.7 mg/L)錳污染地表水，發現 GDM 過濾對鐵、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 系統處理含鐵、錳地下水，發現 GDM 系統對鐵錳的去除效果完全滿足我國生活飲用水衛生標準(GB 5749-2006)的規定。

　　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]采用簡單的GDM過濾工藝對雨水進行處理，發現該工藝操作簡單、能耗低和通量長時間保持穩定等特點適用于發展中國家分散式雨水或窖水循環利用。陳仕光等[41]采用深圳中清環境科技有限公司生產的板式陶瓷膜利用 GDM 技術對屋面雨水進行處理，發現 GDM 工藝通量高、運行穩定、無能耗，對懸浮固體和濁度有很高的去除率。

　　5.5 水庫水/江水水庫水在我國是比較常見的水源。在北方夏季，水庫水中有機物濃度和濁度較高，柳斌等[4]采用微絮凝-GDM 工藝探究了對引黃水庫水的處理效能，發現可顯著提高水中有機物的去除效果，對 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有機結合，結果表明，該裝置能有效去除水中的有機物，對濁度的去除率高達99.8%。

　　5.6 海水預處理海水淡化作為一種高質量飲用水的替代供應方式正受到全球的關注。WU 等[19]用 GDM 系統做海水預處理并對系統優化進行了研究，發現 GDM 技術可以有效去除海水中的污染物質，為有意義地減少整個海水處理系統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，包括工業發達國家都受到越來越多的重視。在灰水的諸多再利用方法(包括物理、化學和生物過程)中，由于出水水質高、占地面積小、能耗低，GDM技術是一種非常有競爭力的解決方案。DING等[17]采用非充氣低壓重力驅動膜生物反應器來處理灰水，發現該工藝比傳統的MBR或活性污泥工藝所需的能源要少得多，適用于發展中國家的非集中式灰水處理。

　　5.8 污水回用 GDM作為一種節能方法，在污水深度處理中發揮重要作用。WANG 等[42]使用超濾膜的浸沒式 GDM系統來進行污水回用的研究，發現系統具有較好的去除效率，特別是隨著污染層的發展，出水水質得到了改善，展現出 GDM 在維持通量和長期運行等方面的優越性和可持續性。

　　6 結語與展望重力驅動膜技術有機地結合了超濾膜和生物濾餅層的雙重截留作用，能有效截留進水中的有機和無機污染物并對污染物進行生物降解，大大加強對濁度、有機凝聚膠體物質、微生物、溶解性有機物以及可生物同化有機碳、氨氮等的去除能力，提高出水安全性。其具有通量穩定且不需要周期性反沖洗和化學清洗、運行成本與能耗低、出水水質高等優點，在上述水處理領域中具有廣泛的應用前景。但由于其存在穩定通量水平較普通超濾低、對小分子污染物去除效果欠佳、工業尚難實現大規模應用等問題，在未來的研究中，可以針對以下方面進行深入探討： 1)如何有效提高超濾膜的穩定通量水平;2)探討提高對小分子污染物去除效率的方法以及如何在較長的運行期間維持較高的 AOC 去除率;3)優化 GDM 工藝的操作和維護方法，并提高膜的使用壽命;4)如何在大規模工業應用中替代傳統的超濾技術，降低水處理工藝成本。隨著技術的發展和研究的深入，未來以 GDM 為核心的超濾凈水工藝勢必會在生態環境領域發揮舉足輕重的重要作用。