随着饮用水水源污染的日趋严重以及新的《生活饮用水卫生标准》的实施，对饮用水的净化技术提出了新的要求。陶瓷超滤膜能有效去除微生物、悬浮物等污染物，提高出水水质。20世纪80年代起，欧洲各国、美国、日本等开始采用陶瓷膜进行工业规模的饮用水生产，保证了出水具有更好和更可靠的水质，但我国尚未有大规模的陶瓷膜法引用水生产工艺及应用。

混凝-膜过滤工艺在地表水净化过程中得到了广泛的应用。Lerch等研究表明陶瓷膜净化地表水能够在恒通量80L/(㎡·h)下稳定运行。Li等发现在线絮凝不仅可以将通量提高近2.5倍，同时浊度的去除率液可以由97.2%提高到99.5%。隋贤栋等认为膜过滤的压力与膜通量呈线性关系。Chellam等认为在高跨膜压差（△p）时滤饼会压实，污染也会加剧。采用陶瓷膜处理地表水的研究较多集中在原水中有机物、操作模式等对膜污染及渗透性能的影响。因此，工艺条件的选择和优化能有效提高膜过滤的性能。

膜过滤的操作方式对膜过滤性能同样存在较大的影响。Lee等发现恒通量和恒压力2种操作方式获得的结果相似。提高恒压力过程的操作压力或者提高恒通量过程的过滤通量则膜污染都会加速发生。大孔径微滤膜在应用过程中发生的膜污染主要以不可逆污染为主，因为水中的有机物等极容易堆积在膜孔内部。Chae等认为外压式比浸没式产生的污染更严重，在外压式过滤时产生滤饼的厚度和滤饼的压缩程度都要大于浸没式。因此，合适的操作条件可有效控制膜污染，提高渗透通量。

本文以兴化横泾河水为处理对象，研究陶瓷膜构型、操作模式等对陶瓷膜过滤性能的影响。本研究陶瓷膜的连续运行实验可为陶瓷膜净化地表水的工业化应用提供参考。

1 实验部分

1.1 膜材料与膜组件

实验所用陶瓷膜采用恒压力操作和恒通量操作模式。恒压力操作使用膜孔径分别为20、50、200和500nm的19通道陶瓷膜，膜面积均为0.1㎡。

1.2 主要分析仪器

实验过程中，对原水和产品水的部分水质指标进行检测分析。浊度采用美国HACH公司的2100N型浊度仪分析；pH采用上海雷磁有限公司的pHS-25型pH计分析；总有机碳（TOC）采用日本岛津公司的TOC-VCPH型TOC分析仪分析；电导率采用上海雷磁有限公司的DDS-307型电导率仪分析；金属离子浓度采用美国Perkin Elmer公司的OPTIMA 2000DV型等离子发射光谱仪分析；吸收254nm波长紫外线的有机物（UV₂₅₄）含量采用上海棱光有限公司的GOLDS54型紫外可见分光光度计分析。

1.3 工艺流程

实验采用预处理耦合陶瓷膜组合工艺对原水进行深度净化处理。预处理采用兴化市自来水厂已有工艺，主要包括栅格、混凝和沉降过程。该过程先后投加Al₃Cl₃（25～30mg/L）、FeCl₃（15～20mg/L）2种絮凝剂，混凝沉降时间为30min，然后取沉淀池出水进行陶瓷膜过滤制取成品水。

2 结果与讨论

2.1 操作压力对过滤性能的影响

在终端过滤的模式下，考察不同跨膜压差（△p）对膜过滤拟稳态通量（J）的影响。J与△p不呈线性关系，J随△p增大呈现先增大后减小的趋势，0.075MPa为压力拐点。这是因为混凝产生的絮状物以及膜面形成的滤饼均具有可压缩性，增大△p会使滤饼压实，导致膜过滤阻力增大，渗透性能下降。由于原水中的有机物和Ca²⁺含量均比较高，而Ca²⁺又会同水中的有机物作用，形成更加致密的滤饼层。

2.2 膜孔径对过滤性能的影响

在跨膜压差为0.05MPa时，终端过滤和错流过滤2种操作方式下，考察膜平均孔径对地表水净化过程的影响，连续过滤6h可以看出：在终端过滤下，平均膜孔径为50、200和500nm的J大致相当，均高于孔径为20nm的陶瓷膜；错流过滤下，J随着孔径增大而增大。这是因为终端过滤时，膜污染严重，对孔径＞50nm的陶瓷膜来说，形成了相同阻力的污染层，且污染阻力占主导地位，孔径为20nm的膜由于其自身膜阻力大于污染阻力，因此其J较小；而低膜面流速（0.5m/s）的错流过滤，由于流体带走部分膜面的沉积物，使污染阻力发生变化，总体呈现出随孔径增大，总阻力下降的趋势。比较终端过滤和错流过滤，错流过滤膜J是终端过滤的1.5～2.2倍，因此对陶瓷膜处理地表水工艺来说，保持膜面微错流有利于膜过滤的长期稳定运行。

2.3 陶瓷膜构型对操作压差的影响

实验考察19通道陶瓷膜组件与蜂窝陶瓷膜组件的过滤性能，均采用内压终端式过滤方式，设定组件在恒通量100L/(㎡·h)下运行，反冲洗周期为60min。

19通道陶瓷膜和蜂窝陶瓷膜的过滤性能比较如下：

随着过滤时间的延长，2种构型陶瓷膜组件的跨膜压差均呈增大趋势，但19通道陶瓷膜组件的压差增大幅度小，反冲洗可以使△p有一定的降低，但不能抑制压差总体增长趋势。在相同条件下，蜂窝陶瓷膜组件的生产能力高于19通道构型，水的回收率也高，这表明高装填密度的组件产能高，但运行稳定性（△p增长较快）略差。从总体工艺设计考虑，产能相同的情况下，蜂窝陶瓷膜组件构成的整体设备占地面积小，更适合工业化应用。

2.4 渗透通量对操作压差的影响

水温15℃时考察蜂窝陶瓷膜渗透通量（100、150和200L/(㎡·h)对跨膜压差的影响。预设的渗透通量愈大，初始△p也愈大，这与Darcy定律相吻合，即渗透通量与△p成正比。当渗透通量预设大于150L/(㎡·h)时，周期反冲洗的作用效果不明显，这主要是在高渗透通量的情况下，浓差极化现象加重，导致反冲洗不能克服溶质在膜面的积累，要保持通量不变只能升高△p，污染加重导致反冲洗水量加大，使得水回收率降低（仅为92%作用）。当渗透通量为100L/(㎡·h)时，初始跨膜压差较低，周期反冲洗效果较明显，产水回收率较高（大于94%）。在相同运行时间内（660min），高渗透通量意味着高生产能力，但由于设定高渗透通量，意味着需要在较高的△p下操作，对于本实验体系，3种通量的运行过程中，压差增大趋势相当，可以按渗透通量150L/(㎡·h)进行工艺设计。

2.5 连续运行实验结果

蜂窝陶瓷膜组件在恒通量100L/(㎡·h)下连续运行33d，设备运行过程中水温变化较大，从开始运行时水温16℃降到5℃，陶瓷膜设备均能稳定运行。当温度降低，△p变化幅度增大；当水温较高时，△p变化相对稳定，上升的幅度较小。这表明水的温度变化对过滤性能的影响不容忽视，因为当温度变化时，体系黏度发生改变，导致过滤阻力发生变化，因此如果采用恒压力操作就会出现不同季节水处理设备运行生产能力亦不相同，夏季偏高，冬季偏低。

在恒通量运行过程中，温度改变△p，只要控制△p在许可的范围内，设备的处理能力是不会改变的。随着膜组件运行时间的延长，过滤过程中的可逆阻力即膜面形成的滤饼阻力可以通过周期正反冲洗有效去除，设备基本处于稳态运行。

2.6 水质分析

实验对原水以及膜渗透出水水质进行分析比较，从比较结果得知：膜过滤不能去除水中的Ca²⁺和Mg²⁺，也不能降低水的电导率。膜对浊度的去除率可以维持在99%以上，对UV₂₅₄的去除率大于47.7%，但对TOC的去除率较低，这主要是因为地表水中的总有机碳以相对分子质量小于500的溶解有机物为主，主要依靠臭氧氧化或活性炭吸附等方法去除。膜过滤可以大幅降低水中的Fe³⁺和Al³⁺的含量，渗透液中的Fe³⁺和Al³⁺含量均低于国标的要求，且未检出Al³⁺。这一方面可以说明作为絮凝剂加入的Al³⁺可以被膜完全截留，另一方面可以说明Al₂O₃陶瓷膜错流不会溶出，可保证膜渗透出水的安全性。

3 结论

（1）终端过滤时，膜操作压差应小于0.075MPa，进一步增大操作压力不利于通量提高；在终端过滤时孔径为50、200和500nm的陶瓷膜的渗透通量基本相当，而错流过滤条件下，膜通量随孔径增大而增大。

（2）高装填面积的蜂窝陶瓷膜比19通道陶瓷膜具有更大的优势，可降低设备投资成本，减少占地，提高水回收率，适宜工业化应用。恒通量150L/(㎡·h)，微错流（0.5m/s）的膜过程能保持长期稳定运行。

（3）实验研究的混凝沉淀与陶瓷膜组合工艺能够满足自来水生产的需要，对地表水中浊度、Fe³⁺和Al³⁺等基本去除，对UV₂₅₄的去除率大于47.7%，不同孔径的陶瓷膜出水水质相差不大。陶瓷膜材料在水中不会溶出，保证了出水安全。