更嚴格的飲用水標準的實施，促使人們對應用膜工藝產生興趣，如反滲透（RO），超濾（UF），微過濾（MF）和毫微過濾（NF）。在市政給水處理中，膜已應用在除鹽，去除溶解有機物和軟化等領域。本文將討論膜在飲用水處理中的發展趨勢，并確定改進膜過程效率研究的長期目標。

1 背景

膜工藝能從砂濾、活性炭吸附和離子交換處理出水中去除許多物質。壓力驅動的膜過程，通常用膜能有效地去除的污染物的大小來分類。MF膜能從水中去除微米級大小的物質；UF膜去除毫微米級大小的物質。UF和NF膜更常根據其所截留的物質的分子量（MWCO）來分級。RO膜能去除離子態的物質，如鈉、氯、鈣和硫酸根離子以及小的非極性的有機分子。

人工合成膜可以由有機聚合物，多孔碳，陶瓷和其它材料制成。由有機聚合物制成的膜是較普通的。陶瓷膜造價高于有機聚合物膜，但有更高的機械強度，對氯、pH和溫度有更大的忍耐性。

在水處理應用中，膜系統要有特殊的構造，以便供水進入后與膜的一側相接觸，滲出水從另一側收集。供水經膜單元的人口進入，濃水和滲出水經單元出口分別排出。在膜的濃水側，水流對膜表面沿切線方向流動，以沖刷沉淀物，減少物質在膜表面的累積。

2 污染，淤塞和膜性能

把膜工藝進一步應用到給水處理的一個重要障礙是待處理水的污染物造成滲流量抑制的問題。在過程中，污染物被切向水流所攜帶，而從膜表面沖走，其速度是污染物顆粒（或分子）直徑的函數。如貼附在膜表面的污物數量大于被水流帶走的，則靠近膜表面可能產生污物的堆積，這種現象稱為濃縮極化。

由于濃縮極化引起的滲流量的降低，通過水力擾動或化學方法，可以得到恢復，這種現象稱為“淤塞”。而膜“污染”，主要是對膜滲流量的“不可逆”損失的描述，即膜滲流量不能靠水力或化學方法所恢復。

2.1 膜的膠體污染

在膜組件中的水流，常常是層流。此時通過布朗擴散，內慣性力側向遷移和剪切誘導擴散，使回流傳輸可能發生。對中空纖維膜中回流傳輸數量級估算，約≤0.3μm顆粒的回流傳輸由布朗擴散所控制，而更大的則由內慣性力和剪切誘導所控制。典型的超濾，其傳輸流速為10^-2.5cm/s，微過濾約為10^-0.5cm/s。大于10μm的顆粒不污染UF膜，大于45μm的顆粒才不會污染MF膜。

溶解有機物可在膜表面形成一層凝膠層，或吸附到膜的基質內。因此原水的總有機碳（TOC）是污染膜的有機物濃度的一個重要度量。在決定無機膠體對膜污染的影響時，鈣與有機物的相互作用是很重要的。因為吸收了有機分子的鈣鉻合物，降低了顆粒的穩定性。同時，正電荷的鈣離子與負電荷的羧基團相結合，降低了膠體表面的電荷。實驗表明，具有同樣固體濃度的地面水對膜的污染，比“硬”的地下水要輕些。

2.2 有機物的吸附和膜污染

人們認為，大多數的膜污染是膜的多孔基質中吸附了有機物的結果。天然水中含有的污染膜的有機物可分為四類：多糖類，聚羧基芳香類，蛋白質和氨基糖。每種都有不同的滯留特性，當一起出現在水中時，其對膜的綜合性影響將明顯地超過各自的影響。二價陽離子的存在和低pH，會增加天然有機物的吸附性。

有機物對膜的污染，有兩個途徑，即吸附到膜內和在膜表面形成凝膠層。為了減輕污染，可對膜和原水進行預處理。用來預處理膜的物質，應強有力地吸附到膜內，而對膜本身的滲出量影響很小。對原水預處理，經常使用酸，抗垢劑和隔離劑，以排除無機離子在膜表面的結垢。

2.3 在RO和NF中無機物沉淀的污染

在RO和NF系統中，濃縮極化可導致無機物在膜面的沉淀。為此，可對原水進行預處理，一般有兩種方法，即除去一種多多種沉淀鹽類的離解成分或添加化學藥品以抑制沉淀。去除碳酸鹽陰離子，其沉淀就可預防，方法是使原水酸化，pH降至4～6之間。為了預防硫酸鹽和氟化鈣的沉淀，通常需加抑垢劑，以通過溶液中的離子隔離來抑制沉淀結垢。

2.4 生物污染

微生物既能產生淤塞也能造成污染。膜面微生物的沉積和生長，形成一層增加滲透阻力的物質。微生物也釋放有機溶質，被膜截留而形成凝膠層。此外，細菌能降解纖維素，造成膜性能的下降而產生質差的滲出水。為控制微生物的生長，在供水中維持一定濃度的剩余氯，但這給對氯具有敏感性的一些聚合物膜，又造成了不利的影響。

3 膜過濾的運行經驗

飲用水處理的膜工藝的大多數運行經驗表明，它對顆粒，微生物和有機物的去除，都有很好的效果。

研究表明，UF能顯著地降低濁度，使之滿足“地面水處理法規”（SWTR）的要求，處理濁度高達25NTU的地面原水，可降至0.04NTU，同時，對病毒、細菌，賈第鞭毛蟲屬和其它微生物，有很好的截留作用。

實驗室和中試研究，評估了MWCOS從100～40000的膜堆DOC和THM（三鹵甲烷）前兆物的去除。為對前兆物有把握的去除，建議使用MWCO400或更少的NF膜。

用RO和NF，從飲用水中去除農用污染物，去除率達53%～95%。

4 今后研究方向

膜技術委員會確定的研究方向，總括如下：

研究膜被天然有機物污染的機理和范圍；建立膜孔吸附產生的阻力，膠體層形成，濃縮極化與膜和原水特性，運行條件的關系；對膠體在膜面的沉積和傳輸進行定量的描述。

細菌沉積和從膜表面沖刷的水動力學應予研究；膜系統中溶液化學，停留時間和可能影響微生物生長的產物和狀態的其它因素的有關規則也應評價；對無機物沉淀和污染膜的機理的基本了解可以導致抑垢劑的改進。

膜的排斥性及其預測手段應予研究；對膜工藝去除有機污染物的潛力和確定排斥的原理需要調研；同樣，膜對細菌和病毒的去除以及在非化學藥品消毒中膜的應用應予探討。

膜處理前對原水的各種預處理的效果，需做更多的研究。應用吸附，混凝，離子交換，化學氧化和生物處理與膜處理相結合，以改善膜的流通量或使整個系統達到更好的去除效果，需要在實驗室和中試里加以評價；膜系統費用和性能應模型化，以便識別膜處理工藝中有發展潛力的構型及其應用；另外，為改進膜系統的可靠性，在檢測和自動控制儀表方面需要研究并加以改進。

RO和NF的濃縮液可能明顯地不同于UF和MF或常規給水處理站所產生的廢水流，其處理仍是一個問題。因此，描述RO和NF濃縮液特性和決定其處理方法，也需要做大量的研究工作。