全国多数地表饮用水源受到不同程度污染，例如约55%地表水水源中有机物含量超标。传统的饮用水处理工艺不能有效去除有机物，其出水很难满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）的要求。膜技术是新型处理工艺，具有显著的技术可行性，已经在各个领域成功应用多年。膜一般分为有机膜和无机膜。多孔陶瓷膜是无机膜的一种，具有较高的机械强度、化学稳定性和热稳定性等优点，但是由于其成本和加工技术等原因制约，主要在化工、制药等领域应用。随着陶瓷膜制备技术的发展和经济条件的改善，陶瓷膜的应用范围越来越广，而且在饮用水处理中的研究也逐渐增加。当前陶瓷膜在饮用水处理中的研究主要集中在分离作用，而且多与混凝等工艺联用，以达到去除有机物、浊度和细菌的目的。

1 单独陶瓷膜工艺

陶瓷膜微滤膜和超滤膜处理地表水在欧洲应用多年。自1984年，法国就开始用陶瓷膜进行工业规模的饮用水生产。单独利用陶瓷膜进水饮用水处理的研究主要集中于膜的改性以及膜周边水力条件的改善，以达到期望的处理效果和防止膜污染。

普通陶瓷膜具有较好的去除浊度等污染物的能力。已有中试研究表明，0.1μm的陶瓷膜在过滤粒径为0.5μm、含量为0.1%～1.0%的悬浮固体颗粒物时，能够将悬浮物完全去除，而且经过一定间隔的反冲洗，可以非常有效地降低膜污染，进行死端过滤时原水的回收率达95%以上，表明陶瓷膜在去除原水中的颗粒物方面具有很强的能力。

单独利用陶瓷膜过滤存在过滤压力上升太快、膜污染清除困难等问题，因此有研究者希望通过改变膜周边的水力条件，达到减轻膜污染、维持通量的目的。目前采用的方法主要有加装湍流促进器、增加搅拌装置、改变膜在流体中的放置方法、动态膜过滤、超声等。水力条件的改善不利于膜表面污染层的形成，因此对控制膜污染和维持通量有较好的效果，但是超声不利于膜通量的恢复，因为超声可能会导致较小的颗粒物进入膜孔内部造成不可逆的膜污染。水力条件的改善有助于膜污染的控制和通量的维持，但是均增加了能耗，而且设备的稳定性和成本也是制约其广泛应用的因素。因此，通过改变膜表面的水力条件改善过滤效果还有待进一步研究。

Lv等用一种新方法将纳米颗粒的银粘连在多孔陶瓷膜表面，利用其中间耦合剂的氨基与纳米银的表面形成N-Ag键，与陶瓷膜表面形成Si-O-Si键，从而将纳米银颗粒粘附于陶瓷膜表面。试验表明，改性后的陶瓷膜对埃希氏大肠杆菌具有抑制性，可能是溶液中的银离子直接杀死细菌，亦可能是抑制了细菌的繁殖。但是此种改性膜的主要问题是成本高，而且改性后陶瓷膜的稳定性应该进一步研究，这也是所有改性工艺应该考虑的问题。因为陶瓷膜的使用寿命至少为10～15年，所以改性后的陶瓷膜也应达到此寿命，但是粘合在陶瓷膜表明的银能够在长期的使用过程中保持其稳定性有待商榷。另外银离子对人体的影响也应进一步研究。

隋贤栋等采用硅藻土梯度陶瓷微滤膜对自来水的净化进行了研究，平均孔径为0.1μm的梯度陶瓷膜，可完全滤除水中的大部分致病菌以及铁锈、红虫和各种悬浮微粒。污染后的膜通过简单的机械清刷，通量可完全恢复。虽然机械清刷能够较好地恢复膜通量，但是操作难度较大，特别是工程应用中的膜组件更是不易清洗。

2 陶瓷膜与混凝组合工艺

混凝是传统水处理工艺中必不可少的环节，混凝与膜处理的组合工艺也多有应用。投加絮凝剂可以使较小的颗粒形成大颗粒，进而形成一层多孔的滤饼，可以减少膜的堵塞和延长使用周期，降低运行成本。由于陶瓷膜本身就有很好的去除浊度的作用，因此对陶瓷膜与混凝组合工艺的研究主要集中在对有机物的去除方面。

大量研究表明，在膜过滤前添加絮凝剂可以改善有机物和消毒副产物的去除率，并维持膜通量。Konieczny等利用陶瓷膜处理模拟高有机物含量（10～20mg/L）的原水，经过混凝后，膜过滤通量几乎与单独过滤去离子水时相同，这说明膜过滤高有机物含量的原水时，混凝对维持较高的膜过滤通量很重要。混凝后，大量可能在膜表面形成污染层或者造成膜孔内堵塞的有机物在沉淀作用下去除，延长了化学清洗的周期和膜的使用寿命。经过混凝与膜联用工艺，可大量去除模拟原水中的有机物。尽管单独的膜工艺亦可得到较高的有机物去除率，但是其过滤通量下降很快。研究的不足之处在于研究中采用的水为去离子水配置的模拟原水，与地表水的真实情况有较大差距。

Barbot和Jacangelo等对不同絮凝剂与陶瓷膜组合工艺对有机物和消毒副产物的去除效果进行了研究。Barbot发现絮凝与膜过滤相结合后，三氯化铁絮凝剂对膜的过滤通量没有显著影响，而有另外两种絮凝剂分别将膜的通量增加20%和降低50%。研究者还对矾花的抗剪切力进行了研究，结果发现三氯化铁絮凝剂的强度较低，在利用离心泵作为过滤压力时容易使矾花破碎，可能造成膜孔堵塞。因此，利用三氯化铁做絮凝剂时，可考虑用其他增压方式（如负压）进行膜过滤，减小对矾花的影响。Jacangelo认为可以通过去除TOC（总有机碳）达到去除某些污染物的目的。采用陶瓷管无机膜处理河水时，对TOC的去除率约为30%，THMFP（三卤甲烷生成潜能）减少10%～20%。添加絮凝剂后，对TOC的去除率提高到60%左右，THMFP也减少了将近30%。说明陶瓷膜与混凝组合工艺在去除有机物和消毒副产物方面有较好的效果。

Konieczny等利用陶瓷膜/混凝组合工艺，研究了絮凝剂用量、膜孔径、混凝时间等对地表水中病毒去除效果的影响。膜孔和絮凝剂的用量都能够影响对病毒的去除效果，利用管线静态混合器以后，混凝时间比传统工艺大大缩短。利用组合工艺后，较小的矾花即可满足膜过滤的要求，因此提高混凝效果可以节约混凝时间，减小构筑物的体积。

3 陶瓷膜与活性炭组合工艺

活性炭由于其优良的吸附性能在饮用水处理中多有应用。活性炭对小分子有机物如嗅味物质等有较好的吸附作用。利用陶瓷膜与活性炭组合工艺可以实现污染物从水体中的吸附和分离，并可以防止膜污染，延长过滤时间和增加过滤通量。

Lohwacharin等利用非稳态过滤理论和阻力串联模型，分析了超滤过程中膜通量的下降原因。膜孔的特殊结构导致过滤初期小分子质量的NOM（天然有机物）吸附在膜孔表面并能进入膜孔，使膜孔堵塞。添加PAC（粉末活性炭）可以吸附小分子量的NOM，从而减缓膜的堵塞。根据非稳态过滤理论预测，膜过滤过程以滤饼过滤为主，陶瓷膜与PAC组合工艺进行时，弱结合的滤饼阻力是总阻力的主要部分。由于滤饼本身的密实程度和滤饼与膜的结合力都比较弱，因此在使用大颗粒PAC时，形成的滤饼层很容易进行水力清洗以恢复通量。而且由于PAC的存在使形成的滤饼较为松散，因此阻力较弱，有助于维持较高的过滤通量。

日本的研究者利用SPAC（超级活性炭）和微滤陶瓷膜工艺处理水中的土臭素。SPAC的粒径远小于普通粉末活性炭，在比普通PAC使用剂量低90%的情况下，其处理效果远高于普通PAC。使用普通PAC去除嗅味物质时，需要较长的接触时间，而且效果不理想。利用SPAC可将模拟原水中500ng/L的土臭素降至10ng/L，显示了其强大的吸附能力。但是当处理湖泊原水时效果明显下降，说明SPAC与微滤陶瓷膜组合工艺在去除水中嗅味物质时受原水水质影响较大。

PAC与陶瓷膜组合工艺能够较好地实现污染物的吸附并从水体分离的效果。但是此工艺存在的问题是PAC存在吸附饱和的情况，吸附饱和的PAC后续处理是一项庞大的工程，而且PAC可能滋生微生物，虽然微生物可能对污染物的去除有一定贡献，但是应注意其对出水水质的影响。

4 陶瓷膜与臭氧组合工艺

传统饮用水处理工艺中，臭氧一般作为消毒剂或生物活性炭过滤的预处理氧化剂使用。陶瓷膜与臭氧组合工艺中，臭氧的主要目的是将有机物氧化为无机物和水，或者将有害有机物降解为无害物质，同时减少膜的污染并提高膜通量。

因为NOM易与消毒剂反应并形成有害副产物，因此常引起人们的关注。腐殖质类物质是NOM的重要组成部分。Karnik等利用陶瓷膜与臭氧组合工艺，研究了臭氧浓度、膜孔大小及氧化时间对水中有机物去除效果的影响，研究了滤后水氯消毒及其在模拟配水系统中TTHMs（总三卤甲烷）和HAAs（卤代乙酸）的浓度变化。臭氧和膜过滤可以去除50%的溶解性有机物，而且水中的腐殖质类物质被部分氧化后，其产物不易与氯反应，能够将配水系统中TTHMs和HAAs的浓度分别降低80%和65%。研究还发现，臭氧与TTHMs和HAAs前体物的反应比臭氧与UV吸收物质的反应慢，说明臭氧与不同类型有机物的反应速率不同。低pH条件下，对DOC（溶解性有机物）的去除率更高，因此在此条件下臭氧比较稳定，溶解态的臭氧浓度也较高，增加了臭氧或次生氧化剂与有机物的接触几率。研究表明，有效的溶解态臭氧浓度和臭氧与天然有机物的接触几率是工艺效果的主要影响因素。但是研究都发现，仅通过增加臭氧浓度并不能显著增大对DOC的去除率，而且有可能使膜对有机物的截留效率降低，因为臭氧仅能使小部分DOC被矿化为水和二氧化碳，大部分的大分子DOC被转化为小分子并透过膜。

在泰国，研究者利用示范工程，研究了热带气候条件下陶瓷膜与臭氧活性炭组合工艺处理地表水的效果，在水质随季节变化有明显变化的条件下，组合工艺过滤污染严重的地表水时，都可维持纯水过滤通量的70%和35%，而且部分原水能够达到当地饮用水的标准，说明此工艺适合在热带气候下的分散供水。研究发现，较高温度使膜表面形成大量生物膜，生物膜不仅能覆盖膜表面，而且能够进入膜的支撑层，使其紧紧地附着于陶瓷膜表面，反冲洗对此无能为力。但臭氧的存在使生物膜在简单的反冲洗下去除。因为臭氧一方面可以抑制微生物的生长，另一方面溶解的分子态臭氧附着于膜面或膜孔，阻止了污染物在膜孔或膜面的聚集，而且臭氧对污染物进行氧化和自身分解产生的氧气都能阻止污染物在膜上沉积；另外臭氧能够将由有机物和无机物形成的覆盖层逐渐矿化并生成气态二氧化碳。这都有利于对膜污染的控制。

综上所述，臭氧与陶瓷膜组合工艺是一种有效的处理地表水的工艺，能够防止膜污染。但是其对有机物的去除效果还有待进一步研究，如何更好地发挥工艺中臭氧的氧化能力是后续研究的重点。

5 陶瓷膜与光催化氧化组合工艺

目前，陶瓷膜与光催化氧化组合工艺主要有两种形式：一种是将催化剂分散于水中进行光催化氧化，利用陶瓷膜截留回收催化剂；另一种是将催化剂负载与陶瓷膜的表面进行光催化氧化。

陶瓷膜与光催化氧化组合工艺可以大量催化降解有机物，并能防止膜污染。研究发现，不同特性的NOM在催化剂上的吸附和降解能力也不尽相同。利用分散于水中的TiO₂粉末对水中的有机物进行光催化氧化，光催化作用导致有机物的化学性质发生了变化，吸附到粉末上的腐殖酸脱附后很难再次被吸附，而且被部分氧化的腐殖酸也很难再次被氧化。这可能与光催化产生的强氧化剂量有关。光催化作用的反应器中，有机物的光催化降解使维持在较高通量的陶瓷膜基本污染。

另有研究者利用硅改性后的TiO₂负载于商品陶瓷膜的表面，形成具有光催化作用的复合膜，在紫外辐照条件下，掺杂硅的复合膜对活性红染料的降解速率常数是普通TiO₂膜的2.7倍，显示了强大的催化氧化能力。改性后的锐钛矿晶体孔隙率和表面积增大，较大的表面积和孔隙率可以增加过滤通道中染料与锐钛矿晶体的接触几率，而紫外辐照下，锐钛矿晶体正是催化降解染料的部位。因此，传统的陶瓷膜过滤在经过膜面功能化或与其他 技术相结合后能实现更强大的处理能力。

6 结语

陶瓷膜及其组合工艺在饮用水的应用正在日益增多。陶瓷膜组合工艺的效果优于单独陶瓷膜工艺的。陶瓷膜与混凝组合工艺是目前研究较多、应用较广泛的工艺之一。陶瓷膜与臭氧联用的组合工艺代表了当前研究和应用的热点，具有巨大的发展潜力。陶瓷膜与光催化氧化组合工艺是较新的研究方向，其在大规模工程应用可能还需要进一步创新。