重力驱动型膜滤技术在水处理中的应用研究进展

　　摘 要: 作为第三代水处理技术的核心，超滤膜分离技术因其出色的净水效能及安全便捷的特点，在21世纪水处理行业占有重要地位。重力驱动超滤膜(GDM)技术采用重力作为推动力，在长期运行过程中，可同时实现双重截留作用及对水中有机污染物和致病微生物的强化去除，具有通量稳定、低成本、低能耗、出水水质高等优点，在水处理领域中具有广泛的应用前景。本文综述了GDM技术的应用及研究现状，分析了影响GDM技术处理效能的相关因素，提出了GDM技术效能调控策略，展望了该技术的应用前景。

　　关键词: 超滤;重力驱动膜;生物滤饼层;水处理

　　鹿晓菲; 王晨熹; 马放; 李亚峰; 潘俊; 郭晶辉 水处理技术2022-01-20

　　随着净水技术的发展，超滤(Ultrafiltration，UF)膜分离技术已经成为一种成熟的水处理技术，能有效截留去除水中的悬浮物、胶体、颗粒物等物质，尤其是对病原微生物(如“两虫”)具有出色的去除效果，且具有集成化程度高、占地面积小等优点，已成为第三代水处理技术的核心。李圭白院士[1]指出，以超滤为核心的组合工艺能够从生物和化学两方面保障饮用水的安全，获得优质的饮用水，是 21 世纪水源水净化工艺新的重要研究方向。近年来，科研工 作 者 研 发 了 重 力 驱 动 型 膜(Gravity-driven membrane，GDM)过滤技术。GDM工艺最早由瑞士联邦水科学与技术研究所(EAWAG)提出，2010年， PETER-VARBANETS 等人首次发表重力驱动型超滤膜系统的通量稳定现象[2]，在不通过任何化学或液压控制污垢和生物污垢的情况下，系统能在较长的时间内保持稳定的通量值。加上其具有不需要清洗和周期性的反冲洗、驱动压力低、操作运行简单等特点，在水处理领域中具有广阔的应用前景。

　　1 GDM技术的基本原理

　　重力驱动膜过滤系统是一种由静水压力(<100cm 水头)驱动的超滤类型。GDM 技术利用重力作为驱动力，使原水流入超滤膜组件中进行过滤处理，截留进水中的微生物、有机凝聚胶体物质、颗粒有机物和无机物。膜表面生物滤饼层的形成被认为是 GDM 技术的关键[3-4]。由于其存在，可在水处理过程中同时执行双重过滤截留和生物降解的作用。据报道，生物滤饼层的粗糙度越大，内部孔隙越发达，微生物胞外聚合物(EPS)含量越低，稳定通量水平则越高[5-6]。图1为GDM技术净水机制示意图。

　　2 GDM技术的优势与不足 2.1 GDM技术的优势

　　1)通量稳定。在没有任何化学或液压控制污垢和生物污垢的情况下，GDM 系统可在较长的时间内(一年)保持通量稳定，通量水平范围为 4～10 L/(m2 ·h)(LMH)[2，7]，但在不同的原水水质条件下， GDM系统的稳定通量水平不同[2]。 2)运行成本与能耗低。区别于传统的超滤处理技术，GDM技术以重力为驱动力，其过程不需要外加压力运行，不需要清洗和周期性的反冲洗来控制膜污染，所需附属设备较少，大大降低了运行成本和能耗[7]。 3)出水水质高。GDM技术形成了超滤膜截留、生物滤饼层截留及生物降解的耦合，大大加强对浊度、胶体、微生物、溶解性有机物以及可生物同化有机碳(AOC)、氨氮的去除能力[2，5，8-9]，对生物可降解溶解有机碳(BODC)的去除效果较强[10]。与普通超滤技术相比，出水水质显著提高。 4)具有普遍适用性。针对多种类型的原水，例如河水、湖水、水库水、雨水、江水、海水等，在长期运行后，通量稳定现象普遍存在[5]，说明 GDM 技术对不同的水源具有普遍适用性。

　　2.2 GDM技术的不足

　　1)稳定通量水平待提升。虽然 GDM 技术在没有任何物理或化学清洗的情况下，GDM系统的通量可以稳定几个月到一年，但这种稳定的通量比典型的压力驱动的 UF 工艺要低一个数量级[11]，短期内的工程处理水量受到限制，这是 GDM 系统推广应用的一大障碍。 2)小分子污染物去除能力较低。有研究者发现，虽然GDM系统对AOC的去除率可达23%[5]，较普通超滤有所提高，但对 DOC、氨氮等有机小分子污染物的去除效率仍较低[11]。 3)大规模工业实施尚存在困难。采用 GDM 技术的水厂，若想达到与压力驱动型超滤工艺相同的处理量，通常需要增加 GDM 膜面积或增设设备组件，这就会增加建设成本和占地面积;且由于 GDM 技术仅靠重力作为驱动力，要想将 GDM 技术应用于大规模工业用水，需要较高的水头条件以获得足够的驱动力，但随之会增加建设难度和费用。

　　3 GDM技术的影响因素 3.1 给水水质

　　GDM系统可用于处理分散饮用的河水、分散非饮用的雨水和灰水、安全排放的废水以及脱盐的预处理海水。GDM 系统中的稳定通量水平与给水类型有关，含有较高有机物的给水会形成阻力较高的生物膜。渗透通量的大小顺序如下：河水/海水>雨水 > 灰 水(/ 稀 释 )废 水 。 2011 年 PETERVARBANETS等[9]发现向河水中加入废水会导致通量水平下降，这一发现证实了上述排序。

　　3.2 工作压力

　　在传统的超滤工艺中，膜通量几乎随着驱动压力的增加呈线性增加，而在GDM系统中，当跨膜压差超过某一值时，稳定通量随着跨膜压差的变化并无显著差异[12]。这是由于在较高压力下，膜面滤饼层结构压缩，孔隙率降低，导致在膜过滤过程中生物滤饼层的总阻力随着压力的增加而增加[5]。因此，难以通过提高驱动压力来增加GDM系统的稳定通量水平。

　　3.3 温 度

　　唐小斌等[5]发现，在一定温度内(5～30 ℃)， GDM 系统长期运行，其通量均可达到稳定水平，随着温度的升高，通量达到稳定水平的时间显著减少， GDM 系统稳定通量显著增加。AKHONDI 等[13]发现，在较高温度(29±10)℃下，随着过滤时间的延长，生物滤饼层体积减小，孔隙率增加。

　　3.4 溶解氧浓度

　　溶解氧(DO)浓度不仅影响膜上细菌的生长，还影响系统中悬浮生物的絮体结构、粒径分布、EPS含量和膜通量[14-16]。PETER-VARBANETS 等[9]发现，原水中溶解氧浓度的提高有利于膜性能的提高。随着溶解氧浓度增加，滤饼层生物活性增强，水力可逆阻力和生物滤饼层阻力减小[17]，稳定通量增大，膜性能提高。

　　3.5 膜和膜组件配置

　　WU等[18-19]发现膜的性质对GDM的性能影响有限，但是膜组件和反应器的结构对GDM的性能有显著的影响。对比中空纤维膜组件和平板膜组件，虽然平板膜组件比中空纤维膜组件具有更高的渗透通量[18-19]，但中空纤维膜组件能提供更高的生产效率，且滤饼层污染可能性明显低于平板膜组件。当反应器空间有限时，由于单位面积的生产率较高，具有较高填充密度的中空纤维膜组件是合适的选择。

　　3.6 运行方式

　　间歇运行可提高 GDM 的稳定通量水平。间歇过程可使生物滤饼层内污染物反向扩散到溶液中，降低生物滤饼层内的污染物浓度，滤饼层经历松弛再压缩的过程，缓解生物滤饼层污染。虽然增加间歇运行时间可以增加通量水平，但过长时间(超过 12 h)的停滞期会造成产水率降低[12]。因此，可以通过适宜的间歇运行时间(6～12 h)来有效提高 GDM 系统的效能[5]。

　　3.7 剪切应力

　　在GDM体系中，单次剪切应力作用在短时间内能使生物结垢层变薄、变光滑，但DANTING SHI等[11]发现，剪切应力和膜松弛单独作用对生物结垢层内部结构影响不大，但剪切应力与膜松弛共同作用可改变生物结垢层的特性，可使膜的稳定通量提高70%。

　　4 GDM效能调控策略 4.1 生物滤饼层结构的调控

　　研究发现，GDM系统的稳定通量水平与生物滤饼层的粗糙多孔性显著相关[5-6]，GDM 系统通量可在长时间内保持稳定与粘虫、桡足类和翼状纲动物的运动和捕食行为有关[18，20-21]。KLEIN 等[22]发现，向 GDM 系统中加入后生动物如线虫、寡毛类动物可以使滤饼层结构发生变化，实现稳定通量的改善。 DING 等[23-24]在处理雨水的 GDM 系统中添加颗粒活性炭(GAC)或粉末活性炭(PAC)或砂层，以改善滤饼层的粗糙多孔性，发现虽然 GDM 系统的稳定通量水平出现下降，但可以提高色氨酸蛋白质和腐殖质等特定物质的去除率。TANG等[25-26]在中空纤维膜填充的 GDM 系统上涂覆 GAC 层，改变膜生物滤饼层结构，发现涂覆GAC层可以在膜表面形成一种“多功能双层”的拟多孔结构，使膜的稳定通量水平提高30%～120%。

　　4.2 膜前进水水质的改善由于在不同的原水水质条件下，GDM系统的稳定通量水平不同[5]，因此可以将GDM系统与一些预处理工艺集成，通过生物降解、化学氧化或物理吸附、沉淀、拦截等方法有效去除原水中的部分污染物 。 例 如 ：生 物 膜 反 应 器 -GDM[19]、缓 速 滤 池 - GDM[27]、混凝-GDM[28]、预氧化-GDM[29]等。通过与预处理工艺集成可以有效提高 GDM 进水水质，减轻 GDM 的处理负荷，降低膜污染，提高 GDM 系统的膜通量和有机物去除率，提高出水水质。

　　4.3 膜材料改性膜的性能是水处理效果、膜污染控制成效的关键因素，采用一些物理或化学手段改变超滤膜的表面性质(如亲疏水性、粗糙度、电荷性质等)或膜孔径可以有效提高渗透通量、控制膜污染。目前，膜材料的改性已广泛应用于各种膜技术中，例如超滤[30]、纳滤[31]、反渗透[32]和正渗透[33]等，但用于GDM技术的膜材料改性的研究尚比较罕见。孙卓[34]采用表面涂覆的方法分别用粉末活性炭和粉末沸石对PVDF膜进行改性，并与混凝技术耦合用于处理松花江水，发现经过改性后 GDM 系统对污染物的截留效果明显增强，稳定通量水平得到提高。LIU等[35]采用原子转移自由基聚合法(ATRP)将亲水性两性离子聚合物接枝到PVDF膜上，发现膜经改性后不仅可以抑制污染物的粘附，而且具有“自清洁”特性，从而有效地提高 GDM操作的水通量和膜选择性。

　　4.4 操作参数的优化大量研究表明，运行参数能够显著影响传统超滤工艺的通量。GDM作为一种特殊的超滤技术，故优化运行条件也能提高其处理效能。研究发现，GDM 的通量稳定水平受工作压力、温度、溶解氧浓度、曝气条件、定期排泥、系统有效容积、膜和膜组件配置以及运行方式等操作参数的影响[7]，可以通过优化系统的操作参数来实现通量水平和处理效果的提高。

　　5 重力驱动膜技术在水处理领域的应用 5.1 农村饮用水我国广大农村地区人口具有居住分散程度高的特点，尤其在经济发展较为落后的农村地区，普及集中供水成本高、难度大，农村人口饮水安全问题不能得到有效保障。鉴于 GDM 技术的特点，其成为农村分散型饮用水处理的理想选择。陈楠等[8]采用 GDM 技术对农村饮用水进行处理，发现 GDM 技术大大提高了对浊度、微生物、氨氮和UV254的去除率，出水浊度始终稳定在0.07 NTU以下，使饮用水安全性得到有效保证。

　　5.2 城市饮用水随着水源水污染问题加剧与饮用水水质标准的提升，许多饮用水厂都有要改造的需求。胡长鑫等[36]在唐山某自来水厂的改扩建工程中提出使用混凝沉淀—重力驱动膜技术。改造后，系统的能耗大幅降低，占地面积减小，实现了土地的有效利用，大大降低成本。JONGHUN LEE等[37]对重力驱动膜系统在供给城市家庭饮用水的处理厂提出了优化建议。

　　5.3 含铁锰地表/地下水近年来，工业污染引起的铁、锰污染越来越受到人们的重视，给饮用水供应提出了新的挑战，需要一些新的方法来缩短甚至完全消除铁和锰的成熟期。 TANG 等[38]使用 GDM 系统(在膜表面预涂氧化锰)直接处理高浓度(0.4～0.7 mg/L)锰污染地表水，发现 GDM 过滤对铁、锰的去除效果较好，平均去除率分别为 90% 和 58%，且成熟期极短(不到 10d)。黄凯杰[39]使用 GDM 系统处理含铁、锰地下水，发现 GDM 系统对铁锰的去除效果完全满足我国生活饮用水卫生标准(GB 5749-2006)的规定。

　　5.4 雨 水雨水收集与回用是缓解排涝与城市供水压力的有效方法。DING等[40]采用简单的GDM过滤工艺对雨水进行处理，发现该工艺操作简单、能耗低和通量长时间保持稳定等特点适用于发展中国家分散式雨水或窖水循环利用。陈仕光等[41]采用深圳中清环境科技有限公司生产的板式陶瓷膜利用 GDM 技术对屋面雨水进行处理，发现 GDM 工艺通量高、运行稳定、无能耗，对悬浮固体和浊度有很高的去除率。

　　5.5 水库水/江水水库水在我国是比较常见的水源。在北方夏季，水库水中有机物浓度和浊度较高，柳斌等[4]采用微絮凝-GDM 工艺探究了对引黄水库水的处理效能，发现可显著提高水中有机物的去除效果，对 DOC、UV254 和 CODMn 的去除率分别提高 16.6%、 18.2%和10.6%。王美莲等[28]使用混凝-重力流超滤一体化装置处理松花江水，将混凝和超滤两种技术有机结合，结果表明，该装置能有效去除水中的有机物，对浊度的去除率高达99.8%。

　　5.6 海水预处理海水淡化作为一种高质量饮用水的替代供应方式正受到全球的关注。WU 等[19]用 GDM 系统做海水预处理并对系统优化进行了研究，发现 GDM 技术可以有效去除海水中的污染物质，为有意义地减少整个海水处理系统能源的使用提供了支持。

　　5.7 灰 水由于水资源的短缺，灰水的再利用在世界许多地区，包括工业发达国家都受到越来越多的重视。在灰水的诸多再利用方法(包括物理、化学和生物过程)中，由于出水水质高、占地面积小、能耗低，GDM技术是一种非常有竞争力的解决方案。DING等[17]采用非充气低压重力驱动膜生物反应器来处理灰水，发现该工艺比传统的MBR或活性污泥工艺所需的能源要少得多，适用于发展中国家的非集中式灰水处理。

　　5.8 污水回用 GDM作为一种节能方法，在污水深度处理中发挥重要作用。WANG 等[42]使用超滤膜的浸没式 GDM系统来进行污水回用的研究，发现系统具有较好的去除效率，特别是随着污染层的发展，出水水质得到了改善，展现出 GDM 在维持通量和长期运行等方面的优越性和可持续性。

　　6 结语与展望重力驱动膜技术有机地结合了超滤膜和生物滤饼层的双重截留作用，能有效截留进水中的有机和无机污染物并对污染物进行生物降解，大大加强对浊度、有机凝聚胶体物质、微生物、溶解性有机物以及可生物同化有机碳、氨氮等的去除能力，提高出水安全性。其具有通量稳定且不需要周期性反冲洗和化学清洗、运行成本与能耗低、出水水质高等优点，在上述水处理领域中具有广泛的应用前景。但由于其存在稳定通量水平较普通超滤低、对小分子污染物去除效果欠佳、工业尚难实现大规模应用等问题，在未来的研究中，可以针对以下方面进行深入探讨： 1)如何有效提高超滤膜的稳定通量水平;2)探讨提高对小分子污染物去除效率的方法以及如何在较长的运行期间维持较高的 AOC 去除率;3)优化 GDM 工艺的操作和维护方法，并提高膜的使用寿命;4)如何在大规模工业应用中替代传统的超滤技术，降低水处理工艺成本。随着技术的发展和研究的深入，未来以 GDM 为核心的超滤净水工艺势必会在生态环境领域发挥举足轻重的重要作用。