更严格的饮用水标准的实施，促使人们对应用膜工艺产生兴趣，如反渗透（RO），超滤（UF），微过滤（MF）和毫微过滤（NF）。在市政给水处理中，膜已应用在除盐，去除溶解有机物和软化等领域。本文将讨论膜在饮用水处理中的发展趋势，并确定改进膜过程效率研究的长期目标。

1 背景

膜工艺能从砂滤、活性炭吸附和离子交换处理出水中去除许多物质。压力驱动的膜过程，通常用膜能有效地去除的污染物的大小来分类。MF膜能从水中去除微米级大小的物质；UF膜去除毫微米级大小的物质。UF和NF膜更常根据其所截留的物质的分子量（MWCO）来分级。RO膜能去除离子态的物质，如钠、氯、钙和硫酸根离子以及小的非极性的有机分子。

人工合成膜可以由有机聚合物，多孔碳，陶瓷和其它材料制成。由有机聚合物制成的膜是较普通的。陶瓷膜造价高于有机聚合物膜，但有更高的机械强度，对氯、pH和温度有更大的忍耐性。

在水处理应用中，膜系统要有特殊的构造，以便供水进入后与膜的一侧相接触，渗出水从另一侧收集。供水经膜单元的人口进入，浓水和渗出水经单元出口分别排出。在膜的浓水侧，水流对膜表面沿切线方向流动，以冲刷沉淀物，减少物质在膜表面的累积。

2 污染，淤塞和膜性能

把膜工艺进一步应用到给水处理的一个重要障碍是待处理水的污染物造成渗流量抑制的问题。在过程中，污染物被切向水流所携带，而从膜表面冲走，其速度是污染物颗粒（或分子）直径的函数。如贴附在膜表面的污物数量大于被水流带走的，则靠近膜表面可能产生污物的堆积，这种现象称为浓缩极化。

由于浓缩极化引起的渗流量的降低，通过水力扰动或化学方法，可以得到恢复，这种现象称为“淤塞”。而膜“污染”，主要是对膜渗流量的“不可逆”损失的描述，即膜渗流量不能靠水力或化学方法所恢复。

2.1 膜的胶体污染

在膜组件中的水流，常常是层流。此时通过布朗扩散，内惯性力侧向迁移和剪切诱导扩散，使回流传输可能发生。对中空纤维膜中回流传输数量级估算，约≤0.3μm颗粒的回流传输由布朗扩散所控制，而更大的则由内惯性力和剪切诱导所控制。典型的超滤，其传输流速为10^-2.5cm/s，微过滤约为10^-0.5cm/s。大于10μm的颗粒不污染UF膜，大于45μm的颗粒才不会污染MF膜。

溶解有机物可在膜表面形成一层凝胶层，或吸附到膜的基质内。因此原水的总有机碳（TOC）是污染膜的有机物浓度的一个重要度量。在决定无机胶体对膜污染的影响时，钙与有机物的相互作用是很重要的。因为吸收了有机分子的钙铬合物，降低了颗粒的稳定性。同时，正电荷的钙离子与负电荷的羧基团相结合，降低了胶体表面的电荷。实验表明，具有同样固体浓度的地面水对膜的污染，比“硬”的地下水要轻些。

2.2 有机物的吸附和膜污染

人们认为，大多数的膜污染是膜的多孔基质中吸附了有机物的结果。天然水中含有的污染膜的有机物可分为四类：多糖类，聚羧基芳香类，蛋白质和氨基糖。每种都有不同的滞留特性，当一起出现在水中时，其对膜的综合性影响将明显地超过各自的影响。二价阳离子的存在和低pH，会增加天然有机物的吸附性。

有机物对膜的污染，有两个途径，即吸附到膜内和在膜表面形成凝胶层。为了减轻污染，可对膜和原水进行预处理。用来预处理膜的物质，应强有力地吸附到膜内，而对膜本身的渗出量影响很小。对原水预处理，经常使用酸，抗垢剂和隔离剂，以排除无机离子在膜表面的结垢。

2.3 在RO和NF中无机物沉淀的污染

在RO和NF系统中，浓缩极化可导致无机物在膜面的沉淀。为此，可对原水进行预处理，一般有两种方法，即除去一种多多种沉淀盐类的离解成分或添加化学药品以抑制沉淀。去除碳酸盐阴离子，其沉淀就可预防，方法是使原水酸化，pH降至4～6之间。为了预防硫酸盐和氟化钙的沉淀，通常需加抑垢剂，以通过溶液中的离子隔离来抑制沉淀结垢。

2.4 生物污染

微生物既能产生淤塞也能造成污染。膜面微生物的沉积和生长，形成一层增加渗透阻力的物质。微生物也释放有机溶质，被膜截留而形成凝胶层。此外，细菌能降解纤维素，造成膜性能的下降而产生质差的渗出水。为控制微生物的生长，在供水中维持一定浓度的剩余氯，但这给对氯具有敏感性的一些聚合物膜，又造成了不利的影响。

3 膜过滤的运行经验

饮用水处理的膜工艺的大多数运行经验表明，它对颗粒，微生物和有机物的去除，都有很好的效果。

研究表明，UF能显著地降低浊度，使之满足“地面水处理法规”（SWTR）的要求，处理浊度高达25NTU的地面原水，可降至0.04NTU，同时，对病毒、细菌，贾第鞭毛虫属和其它微生物，有很好的截留作用。

实验室和中试研究，评估了MWCOS从100～40000的膜堆DOC和THM（三卤甲烷）前兆物的去除。为对前兆物有把握的去除，建议使用MWCO400或更少的NF膜。

用RO和NF，从饮用水中去除农用污染物，去除率达53%～95%。

4 今后研究方向

膜技术委员会确定的研究方向，总括如下：

研究膜被天然有机物污染的机理和范围；建立膜孔吸附产生的阻力，胶体层形成，浓缩极化与膜和原水特性，运行条件的关系；对胶体在膜面的沉积和传输进行定量的描述。

细菌沉积和从膜表面冲刷的水动力学应予研究；膜系统中溶液化学，停留时间和可能影响微生物生长的产物和状态的其它因素的有关规则也应评价；对无机物沉淀和污染膜的机理的基本了解可以导致抑垢剂的改进。

膜的排斥性及其预测手段应予研究；对膜工艺去除有机污染物的潜力和确定排斥的原理需要调研；同样，膜对细菌和病毒的去除以及在非化学药品消毒中膜的应用应予探讨。

膜处理前对原水的各种预处理的效果，需做更多的研究。应用吸附，混凝，离子交换，化学氧化和生物处理与膜处理相结合，以改善膜的流通量或使整个系统达到更好的去除效果，需要在实验室和中试里加以评价；膜系统费用和性能应模型化，以便识别膜处理工艺中有发展潜力的构型及其应用；另外，为改进膜系统的可靠性，在检测和自动控制仪表方面需要研究并加以改进。

RO和NF的浓缩液可能明显地不同于UF和MF或常规给水处理站所产生的废水流，其处理仍是一个问题。因此，描述RO和NF浓缩液特性和决定其处理方法，也需要做大量的研究工作。