超濾技術(shù)及其在水處理中的應(yīng)用

徐躍衛(wèi) 董一華

(1.中國·城市建設(shè)研究院，北京 100000; 2.國家林業(yè)局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100000)

水資源短缺問題是人類社會(huì)生存和發(fā)展的瓶頸:一方面，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對水資源水質(zhì)和需求量的要求都在不斷提高;另一方面，隨著環(huán)境污染的加劇，可供人們利用的水資源卻越來越少。

要破解水資源短缺的困局，一方面，開發(fā)新型的水處理技術(shù)，提高處理水水質(zhì);另一方面，不斷開發(fā)新的水資源，如海水淡化、廢水循環(huán)利用等。超濾技術(shù)作為一種新型高效的水處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

超濾概念是Schmidt在1861年首次提出的[1]，進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用后發(fā)展迅速，已成為應(yīng)用領(lǐng)域最廣的膜技術(shù)。

20世紀(jì)70年代我國超濾的膜及組件相繼得到開發(fā)，80年代進(jìn)入推廣應(yīng)用階段，在苦咸水和海水淡化，純水、超純水和飲用水處理，食品加工，藥品制造，工業(yè)廢水處理等領(lǐng)域已有了較大規(guī)模的應(yīng)用[1]。

1 超濾技術(shù)基本原理

超濾膜對溶質(zhì)的分離機(jī)理為[2]:一次吸附、阻塞、篩分。其中，篩分是在壓力作用下，溶劑和小分子的溶質(zhì)透過膜到低壓側(cè)，而被膜阻擋，料液逐漸被濃縮而后以濃縮液排出。因此，可以用微孔模型表示超濾的傳遞過程。

2 超濾膜系統(tǒng)工藝運(yùn)行特性

2.1 超濾系統(tǒng)的運(yùn)行方式

超濾系統(tǒng)的運(yùn)行方式有全量過濾和錯(cuò)流過濾兩種[3]:

全量過濾是料液全部流過超濾膜，溶劑及小分子物質(zhì)透過膜，大分子的組分被截留在膜表面。全量過濾回收率高，但膜污染嚴(yán)重。

錯(cuò)流過濾是料液主體平行于膜面流動(dòng)，透過液透過超濾膜。高速流動(dòng)的料液能將沉積在膜面的物質(zhì)沖走。錯(cuò)流過濾能減少污染，但回收率較低。

2.2 超濾裝置的運(yùn)行模式

連續(xù)超濾裝置的運(yùn)行模式有正常運(yùn)行模式、反沖洗模式、化學(xué)清洗模式等[3]。

2.2.1 正常運(yùn)行模式

當(dāng)來水懸浮物濃度或粘度較低時(shí)可采用全量過濾模式，在正常過濾運(yùn)行中，原水從膜過濾裝置下部的進(jìn)水管進(jìn)入膜纖維的內(nèi)表面。正常情況下操作壓力控制在0.25 MPa以下，過膜壓差控制在0.1 MPa～0.15 MPa。出水經(jīng)上部的過濾出水管匯集后流入出水罐。

當(dāng)來水懸浮物濃度或粘度高時(shí)可采用錯(cuò)流過濾方式，此時(shí)進(jìn)水進(jìn)入膜纖維內(nèi)部后，一部分由垂直膜壁方向穿過膜壁，并由正常過濾出水管匯集后成為產(chǎn)品水，另一部分濃縮后的水則順著膜纖維軸線方向由上部反沖洗排水管匯集后排出。

生產(chǎn)中可根據(jù)需要交錯(cuò)使用全量過濾和錯(cuò)流過濾兩種形式，例如高藻期和高濁期采用錯(cuò)流過濾，平時(shí)采用全量過濾。

2.2.2 反沖洗模式

在超濾過程中，預(yù)處理只是延緩了膜污染的速度，膜污染仍不可避免。因此，定期對膜進(jìn)行適當(dāng)?shù)那逑词欠浅１匾摹?/p>

反沖洗過程包括:正方向沖洗(濾過水從膜組件原水入口進(jìn)入，用高速水流的剪切作用將膜面上的污染物從膜組件濃水出口沖走)、反方向沖洗(濾過水透過側(cè)被反向壓入原水側(cè)或濃水側(cè)，將膜面上的污染物從原水側(cè)或濃水側(cè)沖走)、變方向沖洗(正反向沖洗交替進(jìn)行)、氣水混合沖洗(在沖洗水流中加入空氣，使氣—水界面產(chǎn)生湍流作用)。

2.2.3 化學(xué)清洗模式

當(dāng)膜通量由于不可逆污染的影響下降到一定程度后，需要進(jìn)行化學(xué)清洗。化學(xué)清洗是利用化學(xué)藥品與膜面有害雜質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來達(dá)到清洗膜的目的。選擇化學(xué)藥品的原則，一是不能與膜及其他組件材質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，二是不能引起二次污染[3]。

常用的有酸溶液清洗法(去除無機(jī)雜質(zhì))、堿溶液清洗法(去除有機(jī)雜質(zhì)及油脂)、氧化性清洗法(H2O2，NaClO，既去除了污垢，又殺滅了細(xì)菌)、加酶洗滌法(去除蛋白質(zhì)、多糖、油脂)。

化學(xué)清洗主要采用在線浸泡的方式，當(dāng)在線化學(xué)浸泡不能很好地恢復(fù)透水通量、降低過膜壓差時(shí)，可對膜組件進(jìn)行離線清洗。所謂離線清洗，就是根據(jù)膜組件的污染情況，選擇一定化學(xué)藥劑并結(jié)合適當(dāng)物理清洗方式，對膜組件進(jìn)行循環(huán)清洗。

2.3 超濾效果的影響因素

超濾的操作壓力在0.1 MPa～0.6 MPa之間，當(dāng)溫度為60℃時(shí)，超濾的透過通量為1 L/(m2·h)～500 L/(m2·h)，一般為1 L/(m2·h)～100 L/(m2·h)。超濾透過通量的影響因素主要有[3]:流速(1 m/s～3 m/s)、壓力(0.5 MPa ～0.6 MPa)、溫度、運(yùn)行周期、進(jìn)料濃度、料液的預(yù)處理、超濾膜的清洗。

膜的使用壽命，短的只有幾個(gè)月，但通常是3年～7年，有的管式膜系統(tǒng)甚至可超過15年。影響膜使用壽命的因素通常有加料貯槽和泵的性能匹配、預(yù)處理效果(如是否投加合適的殺菌劑、混凝劑、pH調(diào)節(jié)劑等)、滲透液的貯存裝置以及膜的清洗系統(tǒng)和效果等。膜污染通常是影響膜應(yīng)用的重要因素，因?yàn)槲酃笇⒔档湍さ耐炕蛟黾幽さ膫鬟f壓力。

3 超濾技術(shù)在水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用

超濾技術(shù)在水處理領(lǐng)域主要應(yīng)用在飲用水深度處理、地表水處理、海水淡化、中水回用等方面。

超濾技術(shù)能有效去除水中的微粒、膠體、細(xì)菌及部分有機(jī)物[4]，具有占地面積小、處理效率高等特點(diǎn)。而且，近年來由于膜組件中膜表面積的增長以及膜組件的大規(guī)模生產(chǎn)，超濾膜價(jià)格在逐年降低，1999年超濾膜價(jià)格比1989年降低近1/2[5]，幾乎可以與傳統(tǒng)的預(yù)處理方法相競爭。

近年來，超濾技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。2002年，全世界超濾裝置的生產(chǎn)能力為4.917×106m3/d，2003年全世界裝機(jī)生產(chǎn)能力達(dá)到 10 ×106m3/d[5]。

3.1 飲用水深度處理

飲用水的質(zhì)量直接影響人們的健康，水中的懸浮物、細(xì)菌、病毒、重金屬、氟化物、氯化物、消毒副產(chǎn)物和農(nóng)藥殘留物等都可能對健康構(gòu)成威脅。在水的凈化方面，超濾技術(shù)可去除水中懸浮物、細(xì)菌、病毒等[6]。

1988年法國Amoncourt市建成了使用醋酸纖維素中空纖維UF膜的膜分離凈水廠，處理能力為240 m3/d;1989年，荷蘭應(yīng)用UF膜建立凈水廠，用以去除濁度并消毒，處理能力為1 200 m3/d[7]。

3.2 地表水處理

超濾技術(shù)主要去除地表水中的濁度和病毒等，但幾乎不能去除無機(jī)離子。為達(dá)到飲用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)或提高超濾膜的運(yùn)行狀況，往往還需與其他如混凝或者反滲透等技術(shù)組合起來。其中管式組件的最主要優(yōu)點(diǎn)是能處理含有較大顆粒懸浮雜質(zhì)的原水而不會(huì)堵塞膜通道，適用于地表水處理。

在日本和荷蘭等地，出現(xiàn)了越來越多的超濾膜工廠[5]。

今市市瀨尾給水廠位于日本著名的觀光區(qū)日光附近，采用了超濾技術(shù)，是目前日本最大的膜處理給水廠。膜過濾設(shè)施于2001年3月開始建設(shè)，8月正式運(yùn)行。該給水廠采用中空醋酸纖維UF膜過濾系統(tǒng)，產(chǎn)水能力1萬m3/d，產(chǎn)水率85%～90%。工藝流程如圖1所示。

該水廠出水水質(zhì)安全可靠，自動(dòng)化管理，運(yùn)行成本低，平均成本約為18.56日元/m3。

3.3 海水淡化

超濾系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定，并且適用于各種海水淡化，在海水淡化中常用作反滲透系統(tǒng)的預(yù)處理。從19世紀(jì)60年代開始，超濾技術(shù)被用于解決中東地區(qū)國家的缺水問題。

3.4 中水回用

將城市污水處理廠出水和工廠中排出的廢水深度處理后回用，可以為工業(yè)用水甚至是飲用水提供非常好的水源。

由于超濾技術(shù)不能去除水中色度、有機(jī)物等，常常投加粉末活性炭(PAC)到超濾系統(tǒng)中組成PAC超濾工藝。超濾膜可以阻礙粉末活性炭的透過，同時(shí)粉末活性炭反復(fù)吸附水中有機(jī)物，其協(xié)同作用降低了有機(jī)物對超濾膜表面的吸附。該工藝可以直接應(yīng)用于原水處理，也可應(yīng)用于水的深度凈化。

目前，在歐洲有12個(gè)采用PAC超濾工藝的大型水廠，總處理能力達(dá)到 20 ×104m3/d[9]。

4 討論與展望

超濾技術(shù)雖然越來越多的應(yīng)用于水處理領(lǐng)域，但超濾技術(shù)仍處于初步發(fā)展階段。對于膜污染的機(jī)理以及預(yù)防膜污染的有效的措施有待深入的研究。此外，還需探索針對不同的處理對象及處理要求的最佳工藝組合和最佳運(yùn)行參數(shù)。

相信隨著超濾膜技術(shù)研究的深入以及超濾技術(shù)的工程經(jīng)驗(yàn)的積累，人們對于膜污染機(jī)理會(huì)有更加深入的認(rèn)識(shí)，會(huì)開發(fā)出更加穩(wěn)定和更加高效的超濾水處理技術(shù)，也會(huì)開發(fā)出適用于不同水源和處理要求的超濾水處理工藝。

[1] 王 湛.膜分離技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[2] 任建新.膜分離技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[3] 劉茉娥.膜分離技術(shù)應(yīng)用手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[4] 邵 剛.膜法水處理技術(shù)及工程實(shí)例[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[5] 王從厚，陳 勇，吳 鳴.新世紀(jì)膜分離技術(shù)市場展望[J].膜科學(xué)與技術(shù)，2003(4):54-59.

[6] 王 琳，王寶貞.優(yōu)質(zhì)飲用水凈化技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，2000.

[7] 張捍民，張 威，王寶貞.膜技術(shù)處理飲用水的研究[J].給水排水，2002(3):51-53.

[8] 張 昱，楊 敏，郭召海，等.日本幾種不同類型的飲用水深度處理技術(shù)[J].給水排水，2005(5):31-32.

[9] Ch.F.Lin，S.H.Liu，OJ.Hao.Effect of Functional Groups of Humic Substances on UF Performance[J].Water Research，2001(35):2395-2402.