膜處理技術是近幾十年發展起來的水處理技術。其能夠快速凈化分離水質顆粒態污染物，還能夠防止賈第蟲和隱孢子蟲孢子進入供水系統，保障飲用水生物安全性。目前，常用的膜是有機膜，包括聚偏氟乙烯（PVDF）和聚氯乙烯（PVC）。但是，在水源受到污染情況下，自來水凈化過程中通常需要預氧化，這會損壞有機膜，縮短其使用壽命。陶瓷膜具有優良的耐酸耐堿性、機械強度高、使用壽命長等優點，已經成為近幾年水處理技術研究的熱點，國外也在嘗試在飲用水處理中應用。陶瓷膜孔徑可以控制在很窄的范圍，其在水處理應用中顯著的優點是對顆粒物有很高的截留率，目前國內外初步研究陶瓷膜與傳統工藝的結合，但是對于陶瓷膜去除濁度顆粒的特性和規律還沒有深入研究。隨著國家水質標準的提高和人們對引用水質要求越來越高，飲用水中顆粒物含量將會越來越受關注。本文采用先進的顆粒計數儀器，研究陶瓷膜對濁度顆粒的去除規律，對于提高水質的表征水平具有指導意義。

1 試驗方法

1.1 原水的配制

在自來水的基礎上用相同的泥土進行配水試驗。配制濁度分別為：10NTU、50NTU、100NTU、500NTU、1000NTU的原水。要求原水中各粒徑范圍包括＞2μm、＞3μm、＞5μm、＞7μm、＞10μm、＞15μm、＞20μm、＞25μm等都有一定數量顆粒。例如，對于濁度1000NTU原水，各通道顆粒數較多，粒徑為3～5μm的顆粒數約4.5×10⁵個mol/L，對于濁度10NTU原水，粒徑為20～25μm的顆粒數223個/mL，粒徑介于3～5μm的顆粒數量較多。

1.2 試驗工藝

采用陶瓷膜小試裝置進行試驗，陶瓷膜平均孔徑分別是200nm和50nm。試驗采取的過濾方式是死端過濾。手動關閥門，將配制好的原水加入至原水箱，由離心泵輸送到陶瓷膜組件，進行過濾操作，由水壓表讀出膜前壓力。濾后水經管路流至清水箱，對濾后水進行檢測。

試驗堆配制的不同濁度（10NTU、50NTU、100NTU、500NTU、1000NTU）原水在相同壓力下分別試驗；對同一濁度原水，改變離心泵轉速以改變膜前壓力（0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa）和更換不同膜孔（選用50nm和200nm）陶瓷膜分別進行試驗。每組試驗完成后，進行錯流反沖。手動打開閥門，將原水箱換成自來水，由離心泵提供動力，經陶瓷膜組件和循環側流量計后，回到原水箱；自動控制單元控制反沖電磁閥和排氣電磁閥關閉，打開空壓機端電磁閥。由空壓機提供高壓氣體。自陶瓷膜組件滲透側進入，將堵塞物沖出膜孔，與切向水流混合，共同將膜內部管壁雜質帶至原水箱。反沖5min后，空壓機端電磁閥關閉，排氣電磁閥打開排氣，再打開反沖電磁閥完成一次反沖洗。

反沖洗切向水流速1.68m/s，反沖氣壓6.5～8bar。離心泵轉速5～50Hz，死端過濾能提供的膜前壓力0～0.3MPa；空壓機壓力8bar；所用陶瓷膜：19通道、外徑φ30mm、內徑φ4mm，管長240mm，過水面積0.045㎡。

1.3 分析方法

采用IBR在線顆粒計數儀在線測定陶瓷膜濾后水的顆粒數，采用IBR便攜式顆粒計數儀測定原水顆粒數。采用哈希2100P便攜式濁度計測定配制原水和陶瓷膜濾后水濁度。1000mL量筒和秒表測定膜后流量，再換算出通量。

對每組試驗開始后5min、10min、15min、20min、25min，5個時間點采樣測定。測定5個時間點陶瓷膜濾后水的濁度，通過在線顆粒計數儀讀出每個時間點各粒徑范圍，包括：＞2μm、＞3μm、＞5μm、＞7μm、＞10μm、＞15μm、＞20μm、＞25μm的顆粒數。在配制原水時，完成原水濁度和顆粒數的測定。

2 結果與討論

2.1 濁度對膜通量的影響

配制濁度為10NTU、50NTU、100NTU、500NTU、1000NTU的原水，在膜前壓力為0.1MPa，膜平均孔徑為200nm，初始通量都是708L/（㎡·h）的條件下開始過濾。

當原水濁度10NTU，過濾時間為25min時，膜通量的下降不明顯，膜通量隨過濾時間的延長變化不大。隨著原水濁度升高，相同的過濾時間，膜通量下降速度增加。原水濁度越高，通量下降越快。從500NTU和1000NTU的曲線可以看出，試驗開始后5min，通量曲線迅速下降，然后逐漸平緩，濁度對膜通量的影響隨過濾時間延長而變緩。可見，濁度顆粒對膜通量影響顯著，膜通量的下降可能主要由顆粒物堵塞膜孔引起。顆粒物數量越多，對膜孔的堵塞越嚴重，通量隨時間下降越快。

2.2 陶瓷膜過濾出水濁度的變化

在0.2MPa膜前壓力下進行過濾試驗。配制不同濁度包括10NTU、50NTU、100NTU、500NTU、1000NTU等，在0.2MPa壓力下，分別采用200nm和50nm陶瓷膜進行過濾，試驗開始后5min、10min、15min、20min、25min取膜后水樣測定膜后水濁度。

膜后水濁度在試驗開始10min以后基本沒有變化，僅在0.7NTU和0.12NTU之間無規律變動。無論原水濁度高低，膜后出水濁度均很穩定。測量過程中發現，所使用的便攜式濁度計在測量膜后水這種顆粒少、濁度低的水樣時，容易出現偏差。這可能是由光學式濁度計自身原理的局限性所引起的。

2.3 陶瓷膜過濾后出水顆粒數分布特征

選擇孔徑為200nm的陶瓷膜，膜前壓力0.2MPa的條件下，對不同濁度包括10NTU、50NTU、100NTU、500NTU、1000NTU等原水進行過濾試驗。試驗開始后5min、10min、15min、20min、25min，通過在線顆粒計數儀讀出每個時間點在各粒徑范圍，包括：＞2μm、＞3μm、＞5μm、＞7μm，＞10μm、＞15μm，＞20μm、＞25μm的顆粒數，可換算出2～3μm、3～5μm、5～7μm、7～10μm、10～15μm、15～20μm、20～25μm之間的顆粒分布。

從不同濁度原水經陶瓷膜過濾后，出水中＞2μm總顆粒數隨時間的變化情況可以看出，經陶瓷膜過濾后，出水并沒有隨原水濁度升高出水顆粒明顯增多，而是保持相對穩定。甚至原水濁度為1000NTU，膜后出水＞2miu總顆粒數比原水濁度為10NTU時的出水＞2μm總顆粒數每個時間都要低。可能是因為1000NTU原水更容易形成厚厚的濾餅層，對小顆粒攔截更有效。

采用孔徑為50nm的陶瓷膜，重復上述試驗，從試驗結果可以看出，原水濁度從10NTU到1000NTU，膜后出水顆粒數同樣保持相對穩定，沒有隨原水濁度升高出水顆粒數增多。這說明，陶瓷膜出水顆粒數受原水濁度影響不顯著。

從0.2MPa下，采用50nm陶瓷膜過濾25min時，不同出水顆粒對應粒徑的顆粒數可以看出，濾后水中顆粒數小于20，＞18μm的顆粒數均為0.除10NTU以外，出水中2μm顆粒數相差不多，＞6μm顆粒只有1～2個/mL。對于10NTU、50NTU、100NTU，膜后出水較多的是4μm的顆粒，其次是2μm顆粒。而500NTU和1000NTU出水中2μm顆粒較4μm顆粒多。可見陶瓷膜對小顆粒去除效果較大顆粒差。高濁度水對4μm小顆粒去除效果較低濁度水好，可能是由于濾餅層的形成加強了對4μm小顆粒的截留作用。高濁度各粒徑顆粒數含量高，對各粒徑顆粒物截留量大，可能是高濁度水對膜通量影響更顯著的原因。

上述試驗中發現，所使用的便攜式濁度計在測量膜后水時容易出現偏差。出水中各通道顆粒數相差數倍的水樣，測量的濁度常常結果相同；甚至顆粒數少的水樣濁度反而高。通過濁度跟顆粒數的比對更進一步說明濁度不能精確反映膜后水中顆粒物含量。顆粒計數儀能精確反映膜后水中＞2μm顆粒的粒徑分布。陶瓷膜對水中顆粒物的去除效果明顯且穩定，膜后出水顆粒少；出水顆粒數受原水濁度影響不顯著，不會隨原水濁度升高出水顆粒數明顯增多。

2.4 膜前壓力對濾后水顆粒數的影響

原水濁度100NTU的條件下，采用200nm和50nm的陶瓷膜，在膜前壓力分別為0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa下進行過濾。結果顯示，膜前壓力的提高均會導致出水＞2μm總顆粒數的升高。膜前壓力增大，離心泵的擾動加劇可能導致出水部分小粒徑顆粒物增加。

在陶瓷膜過濾穩定的情況下，對粒徑2μm和4μm顆粒數，隨壓力升高而增加。粒徑＞12μm顆粒數在三個壓力下均相等。對于200nm陶瓷膜，8μm顆粒數在0.2MPa下比在0.3MPa下略高。

以上試驗說明，膜前壓力的提高會導致出水中2～6μm顆粒數增加。膜前壓力的變化對于出水中其他粒徑顆粒數影響不明顯。

2.5 陶瓷膜孔徑對濾后水顆粒數的影響

0.1MPa下陶瓷膜對顆粒數去除效果較好。在膜前壓力為0.1MPa的條件下，考察陶瓷膜孔徑對濾后水顆粒數的影響。原水濁度100NTU，膜前壓力0.1MPa的條件下，用200nm和50nm的陶瓷膜分別進行過濾試驗。

原水濁度100NTU，膜前壓力0.1MPa條件下，200nm和50nm陶瓷膜，過膜25min時各粒徑的顆粒數。出水中粒徑＞2μm總顆粒數，在每個時間點上，50nm均明顯小于200nm。出水中2～18μm顆粒數，50nm均明顯小于200nm，22μm顆粒數均為0。

以上試驗說明，陶瓷膜孔徑對出水顆粒數有明顯影響。相同條件下，50nm陶瓷膜出水各通道顆粒數均小于200nm。

3 結語

原水濁度對膜通量有明顯影響。原水濁度越高，陶瓷膜通量下降越快。濁度對膜通量的影響隨時間延長而變緩。

在原水濁度為10～1000NTU時，200nm和50nm陶瓷膜對濁度的去除效率高，出水穩定在0.12NTU以下。但是，濁度指標不能精確表征膜后水顆粒物的含量，顆粒數相對于濁度指標更加準確和可靠。在陶瓷膜過濾過程中，出水顆粒數保持相對穩定，出水顆粒數沒有隨原水濁度變化而呈規律性變化。

膜前壓力的提高會導致出水2～6μm顆粒數增加。膜前壓力的變化對于其他通道顆粒數影響不明顯。陶瓷膜孔徑對出水顆粒數有明顯影響。相同條件下，50nm陶瓷膜出水各通道顆粒數均小于200nm陶瓷膜。