全國多數地表飲用水源受到不同程度污染，例如約55%地表水水源中有機物含量超標。傳統的飲用水處理工藝不能有效去除有機物，其出水很難滿足《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）的要求。膜技術是新型處理工藝，具有顯著的技術可行性，已經在各個領域成功應用多年。膜一般分為有機膜和無機膜。多孔陶瓷膜是無機膜的一種，具有較高的機械強度、化學穩定性和熱穩定性等優點，但是由于其成本和加工技術等原因制約，主要在化工、制藥等領域應用。隨著陶瓷膜制備技術的發展和經濟條件的改善，陶瓷膜的應用范圍越來越廣，而且在飲用水處理中的研究也逐漸增加。當前陶瓷膜在飲用水處理中的研究主要集中在分離作用，而且多與混凝等工藝聯用，以達到去除有機物、濁度和細菌的目的。

1 單獨陶瓷膜工藝

陶瓷膜微濾膜和超濾膜處理地表水在歐洲應用多年。自1984年，法國就開始用陶瓷膜進行工業規模的飲用水生產。單獨利用陶瓷膜進水飲用水處理的研究主要集中于膜的改性以及膜周邊水力條件的改善，以達到期望的處理效果和防止膜污染。

普通陶瓷膜具有較好的去除濁度等污染物的能力。已有中試研究表明，0.1μm的陶瓷膜在過濾粒徑為0.5μm、含量為0.1%～1.0%的懸浮固體顆粒物時，能夠將懸浮物完全去除，而且經過一定間隔的反沖洗，可以非常有效地降低膜污染，進行死端過濾時原水的回收率達95%以上，表明陶瓷膜在去除原水中的顆粒物方面具有很強的能力。

單獨利用陶瓷膜過濾存在過濾壓力上升太快、膜污染清除困難等問題，因此有研究者希望通過改變膜周邊的水力條件，達到減輕膜污染、維持通量的目的。目前采用的方法主要有加裝湍流促進器、增加攪拌裝置、改變膜在流體中的放置方法、動態膜過濾、超聲等。水力條件的改善不利于膜表面污染層的形成，因此對控制膜污染和維持通量有較好的效果，但是超聲不利于膜通量的恢復，因為超聲可能會導致較小的顆粒物進入膜孔內部造成不可逆的膜污染。水力條件的改善有助于膜污染的控制和通量的維持，但是均增加了能耗，而且設備的穩定性和成本也是制約其廣泛應用的因素。因此，通過改變膜表面的水力條件改善過濾效果還有待進一步研究。

Lv等用一種新方法將納米顆粒的銀粘連在多孔陶瓷膜表面，利用其中間耦合劑的氨基與納米銀的表面形成N-Ag鍵，與陶瓷膜表面形成Si-O-Si鍵，從而將納米銀顆粒粘附于陶瓷膜表面。試驗表明，改性后的陶瓷膜對埃希氏大腸桿菌具有抑制性，可能是溶液中的銀離子直接殺死細菌，亦可能是抑制了細菌的繁殖。但是此種改性膜的主要問題是成本高，而且改性后陶瓷膜的穩定性應該進一步研究，這也是所有改性工藝應該考慮的問題。因為陶瓷膜的使用壽命至少為10～15年，所以改性后的陶瓷膜也應達到此壽命，但是粘合在陶瓷膜表明的銀能夠在長期的使用過程中保持其穩定性有待商榷。另外銀離子對人體的影響也應進一步研究。

隋賢棟等采用硅藻土梯度陶瓷微濾膜對自來水的凈化進行了研究，平均孔徑為0.1μm的梯度陶瓷膜，可完全濾除水中的大部分致病菌以及鐵銹、紅蟲和各種懸浮微粒。污染后的膜通過簡單的機械清刷，通量可完全恢復。雖然機械清刷能夠較好地恢復膜通量，但是操作難度較大，特別是工程應用中的膜組件更是不易清洗。

2 陶瓷膜與混凝組合工藝

混凝是傳統水處理工藝中必不可少的環節，混凝與膜處理的組合工藝也多有應用。投加絮凝劑可以使較小的顆粒形成大顆粒，進而形成一層多孔的濾餅，可以減少膜的堵塞和延長使用周期，降低運行成本。由于陶瓷膜本身就有很好的去除濁度的作用，因此對陶瓷膜與混凝組合工藝的研究主要集中在對有機物的去除方面。

大量研究表明，在膜過濾前添加絮凝劑可以改善有機物和消毒副產物的去除率，并維持膜通量。Konieczny等利用陶瓷膜處理模擬高有機物含量（10～20mg/L）的原水，經過混凝后，膜過濾通量幾乎與單獨過濾去離子水時相同，這說明膜過濾高有機物含量的原水時，混凝對維持較高的膜過濾通量很重要。混凝后，大量可能在膜表面形成污染層或者造成膜孔內堵塞的有機物在沉淀作用下去除，延長了化學清洗的周期和膜的使用壽命。經過混凝與膜聯用工藝，可大量去除模擬原水中的有機物。盡管單獨的膜工藝亦可得到較高的有機物去除率，但是其過濾通量下降很快。研究的不足之處在于研究中采用的水為去離子水配置的模擬原水，與地表水的真實情況有較大差距。

Barbot和Jacangelo等對不同絮凝劑與陶瓷膜組合工藝對有機物和消毒副產物的去除效果進行了研究。Barbot發現絮凝與膜過濾相結合后，三氯化鐵絮凝劑對膜的過濾通量沒有顯著影響，而有另外兩種絮凝劑分別將膜的通量增加20%和降低50%。研究者還對礬花的抗剪切力進行了研究，結果發現三氯化鐵絮凝劑的強度較低，在利用離心泵作為過濾壓力時容易使礬花破碎，可能造成膜孔堵塞。因此，利用三氯化鐵做絮凝劑時，可考慮用其他增壓方式（如負壓）進行膜過濾，減小對礬花的影響。Jacangelo認為可以通過去除TOC（總有機碳）達到去除某些污染物的目的。采用陶瓷管無機膜處理河水時，對TOC的去除率約為30%，THMFP（三鹵甲烷生成潛能）減少10%～20%。添加絮凝劑后，對TOC的去除率提高到60%左右，THMFP也減少了將近30%。說明陶瓷膜與混凝組合工藝在去除有機物和消毒副產物方面有較好的效果。

Konieczny等利用陶瓷膜/混凝組合工藝，研究了絮凝劑用量、膜孔徑、混凝時間等對地表水中病毒去除效果的影響。膜孔和絮凝劑的用量都能夠影響對病毒的去除效果，利用管線靜態混合器以后，混凝時間比傳統工藝大大縮短。利用組合工藝后，較小的礬花即可滿足膜過濾的要求，因此提高混凝效果可以節約混凝時間，減小構筑物的體積。

3 陶瓷膜與活性炭組合工藝

活性炭由于其優良的吸附性能在飲用水處理中多有應用。活性炭對小分子有機物如嗅味物質等有較好的吸附作用。利用陶瓷膜與活性炭組合工藝可以實現污染物從水體中的吸附和分離，并可以防止膜污染，延長過濾時間和增加過濾通量。

Lohwacharin等利用非穩態過濾理論和阻力串聯模型，分析了超濾過程中膜通量的下降原因。膜孔的特殊結構導致過濾初期小分子質量的NOM（天然有機物）吸附在膜孔表面并能進入膜孔，使膜孔堵塞。添加PAC（粉末活性炭）可以吸附小分子量的NOM，從而減緩膜的堵塞。根據非穩態過濾理論預測，膜過濾過程以濾餅過濾為主，陶瓷膜與PAC組合工藝進行時，弱結合的濾餅阻力是總阻力的主要部分。由于濾餅本身的密實程度和濾餅與膜的結合力都比較弱，因此在使用大顆粒PAC時，形成的濾餅層很容易進行水力清洗以恢復通量。而且由于PAC的存在使形成的濾餅較為松散，因此阻力較弱，有助于維持較高的過濾通量。

日本的研究者利用SPAC（超級活性炭）和微濾陶瓷膜工藝處理水中的土臭素。SPAC的粒徑遠小于普通粉末活性炭，在比普通PAC使用劑量低90%的情況下，其處理效果遠高于普通PAC。使用普通PAC去除嗅味物質時，需要較長的接觸時間，而且效果不理想。利用SPAC可將模擬原水中500ng/L的土臭素降至10ng/L，顯示了其強大的吸附能力。但是當處理湖泊原水時效果明顯下降，說明SPAC與微濾陶瓷膜組合工藝在去除水中嗅味物質時受原水水質影響較大。

PAC與陶瓷膜組合工藝能夠較好地實現污染物的吸附并從水體分離的效果。但是此工藝存在的問題是PAC存在吸附飽和的情況，吸附飽和的PAC后續處理是一項龐大的工程，而且PAC可能滋生微生物，雖然微生物可能對污染物的去除有一定貢獻，但是應注意其對出水水質的影響。

4 陶瓷膜與臭氧組合工藝

傳統飲用水處理工藝中，臭氧一般作為消毒劑或生物活性炭過濾的預處理氧化劑使用。陶瓷膜與臭氧組合工藝中，臭氧的主要目的是將有機物氧化為無機物和水，或者將有害有機物降解為無害物質，同時減少膜的污染并提高膜通量。

因為NOM易與消毒劑反應并形成有害副產物，因此常引起人們的關注。腐殖質類物質是NOM的重要組成部分。Karnik等利用陶瓷膜與臭氧組合工藝，研究了臭氧濃度、膜孔大小及氧化時間對水中有機物去除效果的影響，研究了濾后水氯消毒及其在模擬配水系統中TTHMs（總三鹵甲烷）和HAAs（鹵代乙酸）的濃度變化。臭氧和膜過濾可以去除50%的溶解性有機物，而且水中的腐殖質類物質被部分氧化后，其產物不易與氯反應，能夠將配水系統中TTHMs和HAAs的濃度分別降低80%和65%。研究還發現，臭氧與TTHMs和HAAs前體物的反應比臭氧與UV吸收物質的反應慢，說明臭氧與不同類型有機物的反應速率不同。低pH條件下，對DOC（溶解性有機物）的去除率更高，因此在此條件下臭氧比較穩定，溶解態的臭氧濃度也較高，增加了臭氧或次生氧化劑與有機物的接觸幾率。研究表明，有效的溶解態臭氧濃度和臭氧與天然有機物的接觸幾率是工藝效果的主要影響因素。但是研究都發現，僅通過增加臭氧濃度并不能顯著增大對DOC的去除率，而且有可能使膜對有機物的截留效率降低，因為臭氧僅能使小部分DOC被礦化為水和二氧化碳，大部分的大分子DOC被轉化為小分子并透過膜。

在泰國，研究者利用示范工程，研究了熱帶氣候條件下陶瓷膜與臭氧活性炭組合工藝處理地表水的效果，在水質隨季節變化有明顯變化的條件下，組合工藝過濾污染嚴重的地表水時，都可維持純水過濾通量的70%和35%，而且部分原水能夠達到當地飲用水的標準，說明此工藝適合在熱帶氣候下的分散供水。研究發現，較高溫度使膜表面形成大量生物膜，生物膜不僅能覆蓋膜表面，而且能夠進入膜的支撐層，使其緊緊地附著于陶瓷膜表面，反沖洗對此無能為力。但臭氧的存在使生物膜在簡單的反沖洗下去除。因為臭氧一方面可以抑制微生物的生長，另一方面溶解的分子態臭氧附著于膜面或膜孔，阻止了污染物在膜孔或膜面的聚集，而且臭氧對污染物進行氧化和自身分解產生的氧氣都能阻止污染物在膜上沉積；另外臭氧能夠將由有機物和無機物形成的覆蓋層逐漸礦化并生成氣態二氧化碳。這都有利于對膜污染的控制。

綜上所述，臭氧與陶瓷膜組合工藝是一種有效的處理地表水的工藝，能夠防止膜污染。但是其對有機物的去除效果還有待進一步研究，如何更好地發揮工藝中臭氧的氧化能力是后續研究的重點。

5 陶瓷膜與光催化氧化組合工藝

目前，陶瓷膜與光催化氧化組合工藝主要有兩種形式：一種是將催化劑分散于水中進行光催化氧化，利用陶瓷膜截留回收催化劑；另一種是將催化劑負載與陶瓷膜的表面進行光催化氧化。

陶瓷膜與光催化氧化組合工藝可以大量催化降解有機物，并能防止膜污染。研究發現，不同特性的NOM在催化劑上的吸附和降解能力也不盡相同。利用分散于水中的TiO₂粉末對水中的有機物進行光催化氧化，光催化作用導致有機物的化學性質發生了變化，吸附到粉末上的腐殖酸脫附后很難再次被吸附，而且被部分氧化的腐殖酸也很難再次被氧化。這可能與光催化產生的強氧化劑量有關。光催化作用的反應器中，有機物的光催化降解使維持在較高通量的陶瓷膜基本污染。

另有研究者利用硅改性后的TiO₂負載于商品陶瓷膜的表面，形成具有光催化作用的復合膜，在紫外輻照條件下，摻雜硅的復合膜對活性紅染料的降解速率常數是普通TiO₂膜的2.7倍，顯示了強大的催化氧化能力。改性后的銳鈦礦晶體孔隙率和表面積增大，較大的表面積和孔隙率可以增加過濾通道中染料與銳鈦礦晶體的接觸幾率，而紫外輻照下，銳鈦礦晶體正是催化降解染料的部位。因此，傳統的陶瓷膜過濾在經過膜面功能化或與其他 技術相結合后能實現更強大的處理能力。

6 結語

陶瓷膜及其組合工藝在飲用水的應用正在日益增多。陶瓷膜組合工藝的效果優于單獨陶瓷膜工藝的。陶瓷膜與混凝組合工藝是目前研究較多、應用較廣泛的工藝之一。陶瓷膜與臭氧聯用的組合工藝代表了當前研究和應用的熱點，具有巨大的發展潛力。陶瓷膜與光催化氧化組合工藝是較新的研究方向，其在大規模工程應用可能還需要進一步創新。