水处理材料：超滤膜简介及超滤运行方式

文章录入：卫生安全检测评价网   文章来源：卫生安全检测评价网   添加时间：2021-7-26

一、什么是超滤膜
超滤膜是最早开发的高分子膜之一，是一种额定孔径范围为0.001~0.02微米的微孔过滤膜。在膜的一侧施加适当压力，溶液中的溶剂以及一部分分子量较低的溶质从超滤膜的微小孔隙中穿透到膜的另一边，而分子量较高的溶质或一些乳化胶束团被截留，从而达到过滤分离的效果。

在水处理领域，超滤膜技术相对于其他过滤技术来说，过滤杂质的效率更高，其过滤精度可达99.99%，能有效去除水中的绝大部分有害物质；并且使用很少或不使用化学药剂，有效避免水质受到二次污染，因此处理后的水质更好。从操作层面来说，基于超滤膜技术的过滤系统自动化程度高，运行简单可靠，只有开、关两种操作。由于超滤膜的材料化学稳定性强，抗酸碱腐蚀，耐高温，因此可以高温杀菌消毒，适用性很广。
1、超滤膜技术及特点 超滤膜技术是一种膜透过分离技术，其滤过能力介于纳滤和微滤之间，其工作原理是：
在溶液通过一种半透膜的时候，在压力的作用下，溶剂和溶质中的小分子物质可通过滤膜到达膜的另一侧，而溶质中的大分子物质和胶体则由于无法通过滤膜孔洞而被拦截下来，随着溶液不断流过，膜上被拦截的物质也越来越多，因此要想实现超滤作用就得对溶剂施加更大的压力，与此同时在膜的表面形成的物质也展现出一定的化学特性，对于一些污染物也具有截留和分解的作用，从而实现水的净化。
随着大分子物质不断高集在膜表面滤过的速度不断降低，出现“浓度极化”的现象，为使超滤能够持续有效地进行，实际工作中常使用搅排式超滤装置来消除”浓度极化”的现象。 相对于其他水处理技术而言，超滤膜技术具有很多无可比拟的优势：
第一，超滤膜化学稳定性高，可耐高温、耐酸、耐碱，因此对进水水质要求不高，通用性强；
第二，超滤膜技术原理简单，容易实现自动化运转，节约劳动力，且操作简便、易于维护，运行安全稳定；
第三，超滤膜技术属于物理方法，在水处理过程中并不需加任何化学药剂，因此可有效的防止水体的出现二次污染的情况；
第四，超滤膜技术效率高，处理水量大，尤其是对污染较小的城市饮用水处理，展现出极高的作效率； 随看社会的发展，人们对饮用水安全要求越来越高，但与此同时我国城市用水源地的污染也日益严重，直接取水的水质越来越无法满足饮用水的标准，因此必需要对城市饮用水进行净化。
城市饮用水主要来源于地下水和地面水两种，两种水源的污染机理不同，饮用水的来源主要但据地下水和地面水两种，两种水源的污染机理不同，但污染物都主要为无性生物、细菌，真菌、病毒、悬浮物等。
传统的饮用水净化方法可实现对微生物和菌类的灭活净化，以及对微米级悬浮物颗粒的净化，而超滤膜技术在此基础上还可实现对纳米级颗粒的有效去除，因此出水水质更高，对城市居民饮水健康具有重要意义。 不可再生资源，地球上可供人类饮用的淡水资源日益枯竭，水资源短缺已经成为当代人类面临的最紧迫问题之一。海水淡化被认为是解决饮用水危机的有效途径，目前在世界范围内研究较多的海水谈化技术是电渗析技术，虽然电滲析被认为是可以使海水淡化的有效方法，但其运行成本高昂且回收率低，随着技术的发展，超滤膜技术开始被用于反透海水淡化中，其优异的分离性能和物化性能使得海水淡化的效率进一步提升，同时将耗能大幅降低。 电工业产生的废水量巨大，而且含有大量的六价铬、铜、镍等重金属，危害性极强，可生化性极低，实际工作中常采用铁氧化法电解法等等，但铁氧化法会产生大量的污泥，这些污泥还需进一步处理：电解法虽然可以很好地处理电废水，但运行成本较高，不适合大范围推广。而将超滤购技术和反渗透技术联合使用被认为是电废水处理的有效方法，其利用两种膜技术能够使电镀废水中大部分的重金属、有机碳和硝酸盐被去除，并且超滤膜的使用也降低了渗透膜的污染，提高使用寿命。 含油废水的主要来源包括原油泄漏、屠宰场废水以及生活废水等，其主要成分是浮油、分散油、乳化油和重油等，常用的含油废水处理装置是隔油池，但其对乳化油却无法处理，因此常采用气浮法进行轴助处理。由于乳化油分子一般较大，因此可采用超滤膜技术使含油废水在加压的条件下通过超滤膜，乳化油及其他大分子污染物就会被截留下来，去除效率较高。 城市污水回用是缓解城市用水压力的重要措施，将城市生活污水经过处理达到回用标准后将其用于城市绿化用水以及城市中水系统。使用超滤膜技术可快速将城市污水处理达标，由于城市污水一股可生化性较好，在实际工作中，为了提高出水水质，常将周期循环活性污泥法（CASS）与超滤膜技术同时使用。在水力作用时间为12小时的条件下，该法COD去除率达到86％以上．氨氮的去除率达到90％以上，出水的pH值范围为7.25－7.89，达到了城市水回用标准。 超滤膜技术除了可以提高出水水质外，还能将大量的有用固态物质浓缩回收，最典型的应用就是在食品工业领域。食品工业产生的废水中含有大量的脂肪、蛋白质、淀粉、酵母等，这些物质如果排放到外界环境中不但会造成环境的污染，而且还会造成大量的浪费，因此采用超滤模技术将废水中的有用成分截留下来，同时水中的BOD和COD等也从水中被分离出来，将分离出的周态物质经过提取回收，可为企业带来较大的经济效益。
3、结束语
综上所述，超滤膜技术是环保工程水处理的一项重要技术，其在城市污水处理和各种工业废水处理以及有用物质回收等方面都具有极为广阔的应用前景。目前，超滤膜技术的研究方向一个是发明更高效的超滤装置，另一个是根据进水水质特点与其他水处理技术相结合，提高出水质量。
二、超滤的运行方式 1.1.2 错流过滤
当超滤进水悬浮物、浊度较高时，比如污水或者污水回用处理应用，超滤可按照错流过滤模式运行。进水进入超滤膜组件，部分透过膜表面成为产水，另一部分则夹带悬浮物等杂质排出膜组件成为浓水，排出的浓水重新加压后又循环回到膜组件内，保持膜表面较高流速产生的剪切力，把膜表面上截流的悬浮物等杂质带走，从而使超滤膜组件的污染层保持在一个较薄的水平。
1.1.3 浓水排放过滤
当超滤进水悬浮物含量较低时，超滤可按照浓水排放过滤模式来操作。进水进入超滤膜组件，以较低比例的浓水量排出膜组件，通常5-10%的进水量，大部分的进水透过膜表面成为产水产出。
浓水排放过滤和错流过滤模式操作同样需要定时水反洗、化学加强反洗以及定期的化学清洗来恢复超滤膜过滤性能。全流过滤模式能耗低、操作压力低，因而运行成本更低；而错流过滤模式则能处理悬浮物含量更高的进水。具体模式的选择需要根据进水中的悬浮物含量、浊度和COD来确定。

2、超滤膜污染
2.1 超滤膜运行中的检测
为了检验超滤装置的运行效果和膜发生污堵的可能性，需要在超滤装置的运行过程中监测一些关键性参数。
2.1.1 浊度：是指水中的泥砂、粉尘、细微有机物、浮游生物等悬浮性物质及胶体物质等，都会导致水质变得浑浊而呈现出的一定程度的浑浊度。通常这些悬浮性物质及胶体物质也会寄生细菌和病毒等。例如生活饮用水的浊度一般要求不得超过1 NTU，超滤膜的出水浊度一般要求不得超过0.1 NTU。
2.1.2 TSS（总悬浮固体）：是指水样通过孔径为0.45μm 的滤膜，截留在滤膜上并于103℃～105℃烘干至恒重的固体物质。总悬浮固体是衡量水体水质污染程度的重要指标之一，该参数一般比浊度更加精确（浊度通常无法检测出极细微的颗粒）。
2.1.3 SDI（淤积密度指数）：是反渗透水处理系统的重要水质指标参数之一，SDI 值代表了水中颗粒、胶体和其他能阻塞各种水净化设备的物质含量，通常采用该参数来判断水中颗粒及胶体等物质阻塞各种水净化设备的可能性（见下图）。
SDI 的测定是在直径为47mm 孔径为0.45μm 的微孔滤膜上连续加入一定压力（30PSI，相当于2.1kg/cm）的被测定水样，记录滤得500ml 水所需的时间Ti（秒）和连续过滤15 分钟(T)后再次滤得500ml 水所需的时间Tf（秒），通过公式计算SDI 值；一般要求反渗透入口（即超滤产水）的SDI数值不得超过5。 2.1.4 TOC（总有机碳）：该参数最常用于测定水中的有机物含量，指水体中溶解性和悬浮性有机物含碳的总量，包括天然有机物和合成有机物。总有机碳一般用来评估超滤进水中可能导致膜发生有机污堵和生物污堵的可能性和趋势。当超滤膜进水TOC 大于2 mg/L 时，则表示超滤膜表面发生生物污堵的可能性很高。
2.1.5 DOC（溶解有机碳）：总有机碳（TOC）中能溶解于水的部分，一般指能通过孔径为0.45微米滤膜、并在分析过程中未蒸发失去的有机碳。除污水外，大部分自然水体溶解有机碳（DOC）占总有机碳（TOC）的比例约为80~95%。
2.1.6 铁和锰：铁和锰的氧化形态可以被超滤膜系统截留，但同时也会造成膜的污堵。铁离子一般天然存在（如地下水等）、或由超滤前处理管道或设备的腐蚀产生，或在超滤预处理的混凝澄清设备中投加絮凝剂残留造成等。
2.1.7 钙和镁：水的硬度主要来自钙离子和镁离子。根据硬度的不同可将水分为软水（以CaCO3 计最高不超过60mg/L）、硬水（以CaCO3 计最高不超过180mg/L）和极硬水（以CaCO3 计超过180mg/L）。硬度对人体健康没有危害，但水中硬度过高，水处理过程中会导致管道、设备或膜表面结垢。
2.1.8 电导率：水的电导率与总溶解固体(TDS)呈线性关系，表示水的导电能力。
2.1.9 pH 值：用于表示水的酸碱值的大小。pH 值小于7 为酸性，pH 值大于7 为碱性。纯水的pH 值是7为中性。高pH值会导致水有苦味，并容易导致水管和设备结垢，pH值低的水会腐蚀或溶解金属和其它设备。
2.1.10 二氧化硅：分为活性二氧化硅（溶解硅）或非活性二氧化硅（胶体硅）。一般情况下胶体硅会加速造成超滤膜的污堵。




2.3 超滤膜污染的种类
2.3.1 胶体污染：胶体主要是存在于地表水中，特别是随着季节的变化，水中含有大量的悬浮物如粘土、淤泥等胶体，均存在于水体中，它对超滤膜的危害性极大。因为在过滤过程中，大量胶体微粒随透过膜的产水流涌至膜表面，被膜截留下来的微粒容易形成凝胶层，更有一部分与膜孔径大小相当及小于膜孔径的粒子会渗入膜孔内部堵塞流水通道而产生不可逆的变化现象。另外，水中铁、锰以及在超滤预处理中加入铁或者铝系混凝剂形成的胶体，都有可能在膜表面形成凝胶层。
2.3.2 有机物污染：水中的有机物，有的是在水处理过程中人工加入的，如表面活性剂、清洁剂和高分子聚合物絮凝剂等，有的则是天然水中就存在的；这些物质也可以吸附于膜表面而损害膜的性能。
2.3.3微生物污染：微生物污染对超滤膜的安全运行也是一个危险因素。一些营养物质被膜截留而积聚于膜表面，细菌在这种环境中迅速繁殖，活的细菌连同其排泄物质，形成微生物粘液而紧紧粘附于膜表面，这些粘液与其他沉淀物相结合，构成了一个复杂的覆盖层，其结果不但影响到膜的透水量，也包括使膜产生不可逆的污堵。

3.1 气泡观察法
将膜组件中充满测试所用的液体，使膜丝完全浸润，膜丝所有的孔中都充满了液体。在膜组件的进水侧缓慢通入无油压缩空气，且逐渐提高进气压力，同时通过观察产水侧是否有气泡连续溢出（产水阀门处于打开状态）。通常通入空气的压力从0bar 开始，逐渐增大到1.5bar。如果在1.5bar 的条件下，有连续的气泡产生，表明膜组件存在缺陷。 3.2压力衰减法
将膜组件中充满测试所用的液体，使膜丝完全浸润，膜丝所有的孔中都充满了液体。在膜组件的进水侧缓慢通入无油压缩空气，且逐渐提高进气压力至设定值（产水阀门处于打开状态），对于外压式超滤膜组件，测试压力的设定值为2.0bar。
最初时，进气侧的液体会在压力作用下透过膜丝进入产水侧，因此会有一定量的液体排出（大约会持续2 分钟）。等待压力稳定在设定值时，停止进气（产水侧阀门处于打开状态），并密封进气侧保持测试压力，静止保持压力10 分钟。
此时膜组件的进水侧充满带压的空气，并与外界隔绝；产水侧充满液体，且与大气相通。如果保持压力测试10 分钟后进气侧压力降不大于0.2bar，表明膜组件完整；如果压力降大于0.2bar，则表明膜组件有缺陷（断丝或泄漏等）。
压力衰减测试即可以针对单个膜组件进行，也可以针对整套膜装置进行，是一种在现场简便易行的方法。
4、结束语
4.1 超滤系统的运行管理
4.1.1 至少每周监测并记录超滤预处理的进出水COD、浊度以及铁/锰金属等；
4.1.2 每周查看一次预处理所用絮凝剂、助凝剂及其他化学药品的消耗量；
4.1.3 至少每三个月校正一次各种仪表；
4.2 超滤系统的保养
4.2.1 超滤系统短期停运1-2天，可每天运行30-60 分钟或者进行一次单独的反洗；
4.2.2 超滤系统停运2-7天，进行彻底的反洗后，关闭进出口阀门保存；每天可运行30-60 分钟或者进行一次反洗后，注入保护液（0.5-1.0%NaHSO3 溶液），关闭进出口阀门保存；
4.2.3 超滤系统长期停用7 天以上，停机前进行一次加强反洗后，注入保护液（0.5-1.0%NaHSO3 溶液），关闭进出口阀门保存。每月检查一次保护液的pH值，如果pH<3 时应及时更换保护液；
4.2.4 超滤系统长时间停机后重新投入运行时，应将超滤装置进行连续冲洗至排放水无泡沫，将保护液冲洗干净。
4.3 化学清洗的注意事项
化学清洗是解决膜污染问题最有效的方法，针对特定的污染，只有采取相应的清洗方法，才能达到好的效果，若错误地选择清洗化学药品和方法，有时会使情况恶化。因此，在清洗之前需先确定膜表面的污垢物种类。
日常操作时必须严格监控超滤系统的运行性能，包含运行压差和产水流量，随着超滤膜的污染，压差将升高，产水流量下降。当标准化产水量下降25%，或标准化跨膜压差上升1.0-2.0bar时，就必须要进行化学清洗来恢复其性能；但是需要注意的是，如果进水温度下降，超滤膜产水流量也会下降，这是正常现象并非膜污染所致，此时超滤膜可能并不需要清洗。
总之超滤装置是迄今为止最有效的反渗透预处理技术，只有在实际运行的过程中得到了合理的运行控制，以遏制膜污堵现象的发生，才能有效保证超滤膜的使用寿命。

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