作者：朱添1 邹小芳2 钟承锦2 黄在恒2 甘卫星2 农光再1,2* （1.广西大学轻工与食品工程学院 广西 530004 2.广西大学资源环境与材料学院 广西 530004）

摘要：反渗透（RO）技术广泛应用于海水淡化、自来水软化和各类废水处理，但是，在反渗透处理废水过程中存在膜污染的问题，从 而，严重影响过滤效率阻碍反渗透膜技术推广。为了研究、控制膜污染问题，科学工作者进行了大量的研究和实践，发表大量文献。本 文基于反渗透膜污染的文献整理得出以下观点：（1）在处理废水过程中，不同的废水具有不同的污染组分，会引起不同的污染现象。 （2）膜污染的类型复杂，可归纳为生物污染、有机污染、无机污染和胶体污染，其中，生物污染对膜污染的贡献最大。（3）通过废水预 处理、膜清洗和表面改性等方法，可以控制RO膜污染；特别是采用生物处理法去除废水中的大部分有机物，有利于减少生物效应，从而减 少RO膜污染。

关键词：废水；反渗透；膜污染

反渗透（RO）过滤是在外部压力作用下，使水透过半透 膜而形成净化水的过程。RO膜是RO过滤的核心材料，是一种 特殊的无孔或小孔径半透膜材料；在外部压力作用下，水能 够透过RO膜，而水溶液中的溶质（包括单电荷离子）不能透 过。由此，实现水和溶质的分离，得到净化水。 RO过滤技术被应用于海水淡化、饮用水生产和废水处 理。RO处理废水存在膜污染的技术问题，影响过滤效率，阻 碍RO过滤技术的推广。为了解决RO膜污染问题，科学工作者 进行了大量的研究工作。因此，本文进行有关RO膜污染的文 献整理，论述RO膜污染的成因、污染机制和减少膜污染的方 法，以提高读者对RO膜污染的认识。

1.RO膜污染因素分析 在处理废水过程中，水中的颗粒会在RO膜表面堆积，形 成膜污染；导致膜压差增大，水通量降低，脱盐率降低。为 了找到膜污染的成因，科学工作者进行污染机制研究。 清华大学黄霞教授和中国科学院大学肖康副教授，以煤 化工的实际二次废水为原料，通过RO膜过滤，得到渗透液[1]。 结果表明，二次工业废水的中性成分对RO膜的污染有很大的 影响，膜表面的主要有机污染物是废水中所含的多糖和无 机硅。 日本Kiso等人用RO处理轧钢工艺废水，发现膜表面的污 染主要是CaSO4 ·2H2 O，有机污染物含量很低[2]。但是，污垢 层中的有机物质充当了无机污垢的粘合剂和保护膜，导致能 有效去除钙盐的沉积。 清华大学胡洪营教授，研究了不同性质的物质对RO膜污染 情况[3]。研究发现：污水中含有铁、钙和硅元素，容易在膜表 面堆积，并有助于废水中物质的沉积；无机污染主要与Fe元素 有关，Fe元素比其他元素更容易在膜表面发生沉积；含有P、N 等元素的废水有利于微生物的繁殖，加快膜的生物污染。

2.膜污染机制 膜污染的机制很复杂，根据污染组分将膜污染分为胶体 污染、无机污染、有机污染和生物污染四种污染机制。 (1)生物污染 生物污染是膜过滤技术的致命弱点[4]；其主要表现为细菌在膜表面的粘附和增殖，形成生物膜，导致膜的水通量降 低。生物污染的主要成分是微生物和细胞外聚合物，细胞外 聚合物主要由多糖、蛋白质、糖蛋白、脂蛋白或脂质和核酸 组成。

生物污染膜的形成可以分为有机物附着、微生物繁殖 和生物膜传播等三个阶段[4]。生物污染的具体过程：第一阶 段，存在于废水中的有机物在膜表面堆积形成有机膜，有机 膜的存在改变了膜表面的亲疏水性，疏水性导致随机漂浮的 微生物在膜表面附着。第二阶段，微生物以有机物为食，繁 殖形成生物膜，该生物膜基本是由蛋白质和碳水化合物构 成，污染基质来源于胞外聚合物。第三阶段，生物膜生长成 熟，形成生物污垢，并在流体剪切力作用下，发生部分开 裂、脱落和向外传播，加快膜体的污染速率。 (2)有机污染 有机污染主要是有机物附着在膜表面而形成污染层。有 机污染组分通常分为两类：天然有机物包括各种类型的不可 生物降解有机物，其粒径分布为从纳米到微米，主要包括： 包括腐植酸、富里酸、胡敏素、碳水化合物、蛋白质、肽 类、氨基酸、脂肪和色素等许多小分子有机物[5]；二级生化 有机物，是指经二级生物处理产生的有机物，包括多糖、蛋 白质、胺糖、核酸、腐植酸、富里酸及细胞组成物[6]。 废水中含有的有机物种类和浓度不同，导致形成有机物 污染层的机制所差异。研究发现，在未污染膜上观察到芳族 聚酰胺的结构；在污染开始后，有机物逐渐附着到膜表面， 在50min内，单层污染覆盖在膜表面；此时，在膜表面观测 不到芳香族聚酰胺的结构，表明膜表面变为了污染层。基于 上述分析，反渗透膜的有机污染机制如图2所示，首先，有 机物质之间的相互作用，导致有机物在液体中团聚；其次， 团聚物在膜表面堆积，形成膜的有机污染层；最后，有机污 染物直接附着在膜表面而形成污染层[7]。 (3)无机污染 无机污染是无机物沉积在RO膜的孔隙和表面。CaSO4 、 CaCO3 、BaSO4 和SiO2 是膜表面主要的无机污染[8]。 无机污染形成过程中，结晶起到主要作用[9]。无机盐的 结晶分为在液体中结晶、在膜表面堆积然后结晶两种形式， 如图3所示。

胶体污染是指由胶体或颗粒引起的膜污染。常见的胶体 污染可分为无机颗粒和有机大分子两类。天然水中的主要无 机污染物包括二氧化硅、硅酸铝矿物、氧化铁和氢氧化物， 而水中的有机大分子污染物与有机污染成分相似[10]。这些 无机污染物和有机污染物可以结合形成胶体，而沉积在膜的 表面形成膜污染，如图4所示。

3.减少反渗透膜污染的方法 (1)预处理 RO膜污染与废水特性密切相关，对废水进行提前预处 理，有利于减缓膜污染速率，延长膜的使用寿命。过滤前， 废水需要通过微生物发酵、沉淀过滤和灭活等预处理，以满 足RO进水要求（SDI＜3），这些措施可以有效减缓膜污染的 速率。 生物发酵预处理：主要是采用厌氧和好养发酵消除废水 中的有机质。 沉淀过滤预处理：一般放在生物发酵预处理之后，目的 是去除沉淀物和悬浮胶体颗粒。 灭活预处理：利用灭活剂的作用杀死引起膜污染的微生 物。游离氯、二氧化氯和臭氧是常用的灭活剂。此外，也可 以采用紫外线灭活。 (2)膜清洗 在废水净化过程中，定期清洗反渗透膜是一项非常重要 的操作，包括化学清洗、物理清洗以及两者协同清洗。选用 化学试剂一般是酸、碱和络合溶解剂，对污垢具有分散和溶 解作用；物理清洗，主要是大量水冲洗，结合机械振动，利 用流体剪切力去除污染物。 (3)表面改性 通过对传统反渗透膜的表面进行改性，可以有效克服抗 污染性差、抗氧化剂能力差、水通量低等缺点。目前，研究 者主要通过表面包覆、表面接枝、包埋亲水单体或纳米粒子 改性等方法，改变薄膜的表面性质（表面电荷、形貌、亲疏 水性）达到减缓污染的目的。 例如，在复合薄膜的聚酰胺活性层中加入氧化石墨烯， 提高薄膜的亲水性，从而提高薄膜的水通量、脱盐率和防 污性能。将具有杀菌功能的阳离子聚合物掺入表面，制备出 具有杀菌功能的改性RO膜；因而，反渗透膜本身具有杀菌功 能，可以抗生物污染。

4.小结 RO技术在处理废水时，由于废水组分复杂，膜污染现 象是难以避免的。膜污染可归纳为生物污染、有机污染、无 机污染和胶体污染等四种机制，其中生物污染对膜的影响最 大；所以，需要通过生物处理去除废水中的大部分有机物， 需要通过自然沉降、吸附和过滤等方法，去除的残留有机 物；在进入RO过滤装置之前，必须对废水进行充分灭活；以 减少膜的生物污染的可能性，从而提高反渗透过滤的工作 效率。