超滤技术及其在水处理中的应用

徐跃卫 董一华

(1.中国·城市建设研究院，北京 100000; 2.国家林业局林产工业规划设计院，北京 100000)

水资源短缺问题是人类社会生存和发展的瓶颈:一方面，随着经济社会的发展，人们对水资源水质和需求量的要求都在不断提高;另一方面，随着环境污染的加剧，可供人们利用的水资源却越来越少。

要破解水资源短缺的困局，一方面，开发新型的水处理技术，提高处理水水质;另一方面，不断开发新的水资源，如海水淡化、废水循环利用等。超滤技术作为一种新型高效的水处理技术应运而生。

超滤概念是Schmidt在1861年首次提出的[1]，进入工业应用后发展迅速，已成为应用领域最广的膜技术。

20世纪70年代我国超滤的膜及组件相继得到开发，80年代进入推广应用阶段，在苦咸水和海水淡化，纯水、超纯水和饮用水处理，食品加工，药品制造，工业废水处理等领域已有了较大规模的应用[1]。

1 超滤技术基本原理

超滤膜对溶质的分离机理为[2]:一次吸附、阻塞、筛分。其中，筛分是在压力作用下，溶剂和小分子的溶质透过膜到低压侧，而被膜阻挡，料液逐渐被浓缩而后以浓缩液排出。因此，可以用微孔模型表示超滤的传递过程。

2 超滤膜系统工艺运行特性

2.1 超滤系统的运行方式

超滤系统的运行方式有全量过滤和错流过滤两种[3]:

全量过滤是料液全部流过超滤膜，溶剂及小分子物质透过膜，大分子的组分被截留在膜表面。全量过滤回收率高，但膜污染严重。

错流过滤是料液主体平行于膜面流动，透过液透过超滤膜。高速流动的料液能将沉积在膜面的物质冲走。错流过滤能减少污染，但回收率较低。

2.2 超滤装置的运行模式

连续超滤装置的运行模式有正常运行模式、反冲洗模式、化学清洗模式等[3]。

2.2.1 正常运行模式

当来水悬浮物浓度或粘度较低时可采用全量过滤模式，在正常过滤运行中，原水从膜过滤装置下部的进水管进入膜纤维的内表面。正常情况下操作压力控制在0.25 MPa以下，过膜压差控制在0.1 MPa～0.15 MPa。出水经上部的过滤出水管汇集后流入出水罐。

当来水悬浮物浓度或粘度高时可采用错流过滤方式，此时进水进入膜纤维内部后，一部分由垂直膜壁方向穿过膜壁，并由正常过滤出水管汇集后成为产品水，另一部分浓缩后的水则顺着膜纤维轴线方向由上部反冲洗排水管汇集后排出。

生产中可根据需要交错使用全量过滤和错流过滤两种形式，例如高藻期和高浊期采用错流过滤，平时采用全量过滤。

2.2.2 反冲洗模式

在超滤过程中，预处理只是延缓了膜污染的速度，膜污染仍不可避免。因此，定期对膜进行适当的清洗是非常必要的。

反冲洗过程包括:正方向冲洗(滤过水从膜组件原水入口进入，用高速水流的剪切作用将膜面上的污染物从膜组件浓水出口冲走)、反方向冲洗(滤过水透过侧被反向压入原水侧或浓水侧，将膜面上的污染物从原水侧或浓水侧冲走)、变方向冲洗(正反向冲洗交替进行)、气水混合冲洗(在冲洗水流中加入空气，使气—水界面产生湍流作用)。

2.2.3 化学清洗模式

当膜通量由于不可逆污染的影响下降到一定程度后，需要进行化学清洗。化学清洗是利用化学药品与膜面有害杂质进行化学反应来达到清洗膜的目的。选择化学药品的原则，一是不能与膜及其他组件材质发生化学反应，二是不能引起二次污染[3]。

常用的有酸溶液清洗法(去除无机杂质)、碱溶液清洗法(去除有机杂质及油脂)、氧化性清洗法(H2O2，NaClO，既去除了污垢，又杀灭了细菌)、加酶洗涤法(去除蛋白质、多糖、油脂)。

化学清洗主要采用在线浸泡的方式，当在线化学浸泡不能很好地恢复透水通量、降低过膜压差时，可对膜组件进行离线清洗。所谓离线清洗，就是根据膜组件的污染情况，选择一定化学药剂并结合适当物理清洗方式，对膜组件进行循环清洗。

2.3 超滤效果的影响因素

超滤的操作压力在0.1 MPa～0.6 MPa之间，当温度为60℃时，超滤的透过通量为1 L/(m2·h)～500 L/(m2·h)，一般为1 L/(m2·h)～100 L/(m2·h)。超滤透过通量的影响因素主要有[3]:流速(1 m/s～3 m/s)、压力(0.5 MPa ～0.6 MPa)、温度、运行周期、进料浓度、料液的预处理、超滤膜的清洗。

膜的使用寿命，短的只有几个月，但通常是3年～7年，有的管式膜系统甚至可超过15年。影响膜使用寿命的因素通常有加料贮槽和泵的性能匹配、预处理效果(如是否投加合适的杀菌剂、混凝剂、pH调节剂等)、渗透液的贮存装置以及膜的清洗系统和效果等。膜污染通常是影响膜应用的重要因素，因为污垢将降低膜的通量或增加膜的传递压力。

3 超滤技术在水处理领域中的应用

超滤技术在水处理领域主要应用在饮用水深度处理、地表水处理、海水淡化、中水回用等方面。

超滤技术能有效去除水中的微粒、胶体、细菌及部分有机物[4]，具有占地面积小、处理效率高等特点。而且，近年来由于膜组件中膜表面积的增长以及膜组件的大规模生产，超滤膜价格在逐年降低，1999年超滤膜价格比1989年降低近1/2[5]，几乎可以与传统的预处理方法相竞争。

近年来，超滤技术越来越广泛的应用于水处理领域。2002年，全世界超滤装置的生产能力为4.917×106m3/d，2003年全世界装机生产能力达到 10 ×106m3/d[5]。

3.1 饮用水深度处理

饮用水的质量直接影响人们的健康，水中的悬浮物、细菌、病毒、重金属、氟化物、氯化物、消毒副产物和农药残留物等都可能对健康构成威胁。在水的净化方面，超滤技术可去除水中悬浮物、细菌、病毒等[6]。

1988年法国Amoncourt市建成了使用醋酸纤维素中空纤维UF膜的膜分离净水厂，处理能力为240 m3/d;1989年，荷兰应用UF膜建立净水厂，用以去除浊度并消毒，处理能力为1 200 m3/d[7]。

3.2 地表水处理

超滤技术主要去除地表水中的浊度和病毒等，但几乎不能去除无机离子。为达到饮用水的水质标准或提高超滤膜的运行状况，往往还需与其他如混凝或者反渗透等技术组合起来。其中管式组件的最主要优点是能处理含有较大颗粒悬浮杂质的原水而不会堵塞膜通道，适用于地表水处理。

在日本和荷兰等地，出现了越来越多的超滤膜工厂[5]。

今市市濑尾给水厂位于日本著名的观光区日光附近，采用了超滤技术，是目前日本最大的膜处理给水厂。膜过滤设施于2001年3月开始建设，8月正式运行。该给水厂采用中空醋酸纤维UF膜过滤系统，产水能力1万m3/d，产水率85%～90%。工艺流程如图1所示。

该水厂出水水质安全可靠，自动化管理，运行成本低，平均成本约为18.56日元/m3。

3.3 海水淡化

超滤系统出水水质稳定，并且适用于各种海水淡化，在海水淡化中常用作反渗透系统的预处理。从19世纪60年代开始，超滤技术被用于解决中东地区国家的缺水问题。

3.4 中水回用

将城市污水处理厂出水和工厂中排出的废水深度处理后回用，可以为工业用水甚至是饮用水提供非常好的水源。

由于超滤技术不能去除水中色度、有机物等，常常投加粉末活性炭(PAC)到超滤系统中组成PAC超滤工艺。超滤膜可以阻碍粉末活性炭的透过，同时粉末活性炭反复吸附水中有机物，其协同作用降低了有机物对超滤膜表面的吸附。该工艺可以直接应用于原水处理，也可应用于水的深度净化。

目前，在欧洲有12个采用PAC超滤工艺的大型水厂，总处理能力达到 20 ×104m3/d[9]。

4 讨论与展望

超滤技术虽然越来越多的应用于水处理领域，但超滤技术仍处于初步发展阶段。对于膜污染的机理以及预防膜污染的有效的措施有待深入的研究。此外，还需探索针对不同的处理对象及处理要求的最佳工艺组合和最佳运行参数。

相信随着超滤膜技术研究的深入以及超滤技术的工程经验的积累，人们对于膜污染机理会有更加深入的认识，会开发出更加稳定和更加高效的超滤水处理技术，也会开发出适用于不同水源和处理要求的超滤水处理工艺。

[1] 王 湛.膜分离技术基础[M].北京:化学工业出版社，2000.

[2] 任建新.膜分离技术及其应用[M].北京:化学工业出版社，2002.

[3] 刘茉娥.膜分离技术应用手册[M].北京:化学工业出版社，2001.

[4] 邵 刚.膜法水处理技术及工程实例[M].北京:化学工业出版社，2002.

[5] 王从厚，陈 勇，吴 鸣.新世纪膜分离技术市场展望[J].膜科学与技术，2003(4):54-59.

[6] 王 琳，王宝贞.优质饮用水净化技术[M].北京:科学出版社，2000.

[7] 张捍民，张 威，王宝贞.膜技术处理饮用水的研究[J].给水排水，2002(3):51-53.

[8] 张 昱，杨 敏，郭召海，等.日本几种不同类型的饮用水深度处理技术[J].给水排水，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.