超濾膜技術在21世紀水處理領域的展望

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摘要： 本文介紹了半死端超濾膜技術的典型設備，和運行工藝及其優(yōu)化。并且介紹了在世界范圍內此項技術在地下水，地表水，等常規(guī)水源處理，以及海水和污水回用等非常規(guī)水源方面的應用。

關鍵詞： 超濾 半死端 水處理 應用

在20世紀的最后10年，世界范圍內水處理設施的擁有者開始出現(xiàn)了轉變。（可飲用）供水開始逐漸由大規(guī)模的，政府控制運營的方式轉變?yōu)樗饺藫碛械?，多個國家共同參與的事業(yè)，并且也被視為本世紀的下一個商業(yè)機會。由此，出現(xiàn)了對新的水處理技術以及降低水處理成本的需求。此種需求必然導致膜技術的興起。從60年代開始，膜技術最早起源于海水淡化的反滲透膜。而后膜技術得到了非常迅速的發(fā)展，并且被廣泛應用于越來越多的領域。既脫鹽反滲透后，一系列更疏松的滲透膜被開發(fā)出來，包括從納濾（疏松反滲透），到超濾（去除細菌和病毒），到微濾（去除懸浮固體）。并且任何一種應用都有其獨特的，可以特殊設計的膜來滿足要求。在早期大部分膜過濾采用錯流過濾的形式，即液體沿與膜面水平的方向流動，這樣的過濾形式可以防止“膜垢”的產(chǎn)生，但卻僅有一小部分的液體真正能夠過濾出來。因此這種過濾形式導致非常高的能耗，從而阻礙了膜在大規(guī)模水處理設施上的應用。

1 綜述

于水處理，尤其是大規(guī)模的水處理設施，能耗已經(jīng)成為一個非常明顯的重要指標。如果膜技術要成為大規(guī)模的水處理設施的主要技術之一，就一定要降低能耗。因此，許多膜制造商開始開發(fā)低能耗的膜過濾系統(tǒng)，即所謂的死端過濾或半死端過濾。

此系統(tǒng)的工作原理類似咖啡過濾機，水中的固體懸浮物沉降在膜的表面。這部分固體通常被成為“污垢”，只要水中含有固體懸浮物，就必然會有“污垢”產(chǎn)生。為保證膜的產(chǎn)水量保持不變，膜過濾壓力必然不斷增加，因此運行一段時間后需要從與過濾相反的方向對膜進行清洗，因此有時我們也稱為“半死端過濾”。沉積在膜表面的固體被清洗排出，從而膜又恢復了最初設計的性能。雖然反沖洗能夠去除系統(tǒng)中大部分的膜污染，但有時仍然需要更有效的辦法對膜進行徹底清洗。因為許多物質黏附在膜表面，僅通過機械力無法將其去除。這部分物質通常為有機物或微生物有機物，經(jīng)過較長時間的運行，這部分物質會堵塞膜孔。膜的堵塞問題應該被稱為“污垢”，它是運行過程不希望發(fā)生的情況。堵塞物可以溶解（對于一些小分子有機物）并通過膜，如果其對膜表面的黏附不是非常強的情況下；或者被膜截留，對于一些微生物有機物，當它們附著在膜表面后，還會進一步繁殖。這種膜污染的主要通過化學清洗去除，也是一種可逆污染。膜污染真正的問題是那些無法去除的不可逆的污染。

2 半死端超濾技術

近幾年發(fā)展的發(fā)展的半死端過濾技術是XIGATM的核心技術，它是根據(jù)8寸半死端過濾超濾膜組件發(fā)展起來的。XIGATM的核心技術采用8寸壓力容器，這是通常反滲透的標準設計。在每個壓力容器中，可以放入多個膜組件。每個膜組件為1.5米長，毛細管式膜，膜絲內徑0.8或1.5mm，每個膜組的膜面積為22或35m2。膜過濾的過程分為過濾、反洗、和化學加強反洗三個步驟。

成功應用半死端過濾技術的關鍵，是將過濾、反洗、化學加強反洗三個過程合理設計，從而使最終用戶獲得最低的運行費用。因此沒有必要將單位膜面積的出水率總是保持在盡可能大的水平上。因為反沖洗不必加入任何化學藥劑，并且進行時間很短（通常為20～60秒）因此反沖洗的費用遠遠低于化學加強反洗，我們認為反沖洗是去除膜表面沉積污垢的首選方法。

為了更清楚的解釋這個問題，下圖表示系統(tǒng)運行過程中膜兩端壓力的變化。圖中A段表示過濾過程，B段表示反洗過程，C短表示化學加強反洗過程（CEB）。

A過程進行中，對于特定的水質，需要保證的關鍵指標是膜通量和膜過濾壓力。因此若降低反洗和化學加強反洗的頻率，就將影響膜的通量。同時就將使系統(tǒng)的投資增加。另外一個方法是改善入水的水質，通過加藥或進行化學預處理。這同樣要增加投資和運行費用，因此通常要根據(jù)實際在這兩種辦法中進行權衡。

對于B過程，膜過濾壓降取決于膜表面垢層的厚度，和反洗時的機械壓力。反洗應盡可能充分，保證能夠被反洗掉的污垢充分去除，這是推遲化學加強反洗的頻率的一種有效方法。另外這個過程中也存在反洗的機械壓力（如反洗水的流量）和改變垢層厚度（加入預處理）這兩種方案之間的權衡的問題。

C過程，化學加強反洗（CEB），僅在進行了反沖洗后膜兩端的過濾壓降仍然達到了預定值后，或者在預先設定的較長的反洗次數(shù)以后。所使用的化學清洗劑是一些常規(guī)化學藥劑的混合物，包括次氯酸鈉、雙氧水、次氯酸等，可以非常地容易的處理掉污垢層。

3． 超濾技術在水處理領域中的應用

雖然超濾可以有很多的應用領域，但大規(guī)模的水處理通常集中在以下方面：

( 飲用水供水終端

( 地表水處理

( 海水處理

( 流體的回用

3．1飲用水處理

由于對飲用水的質量要求越來越嚴格，水處理公司投入越來越大的精力來控制供水管網(wǎng)中存在的微生物的量。為了做到這一點，因此一種方法是進行昂貴、頻繁的水質檢驗，或者在供水終端設置防止細菌和病毒進入的屏障。

采用UF系統(tǒng)，可以非常方便的建成這樣的屏障。超濾膜對細菌的去除率可以達到6log，對于病毒的去除率達到4log，因此水廠和用水者都不必在擔心細菌和病毒的問題。由于飲用水的質量本身就很高（濁度和懸浮固體都非常低），因此此時的膜系統(tǒng)可以可以采用很高的膜通量，可以達到135升/平米.小時。同時較高的入水條件，因此反沖頻率和化學加強反洗的頻率都可以非常低，產(chǎn)水量可以達到99％。如果需要還可以設立二級超濾系統(tǒng)，將第一級的反洗水進一步回用。

3．2地表水處理

UF系統(tǒng)非常多的應用在地表水處理上，處理后的水用于灌溉或作為反滲透的入水，來制備工業(yè)用水。

在荷蘭，出現(xiàn)了越來越多的這類工廠。這種技術提供了一種新型的工業(yè)用水的方式，即不必在購買越來越貴的飲用水，而是就近取用地表水處理后使用。

3．3海水淡化

中東地區(qū)是水資源缺乏最嚴重的地方。為了解決這個問題，最早人們通常采用蒸餾技術。從十九世紀60年代，膜技術被用于解決這些國家的缺水問題。但是，許多反滲透海水淡化系統(tǒng)面臨著膜污染嚴重的問題。主要因為反滲透系統(tǒng)的傳統(tǒng)的預處理方法無法提供可靠的入水水質。因此絕大多數(shù)淡化工廠，在遠遠低于其設計出水量的情況下工作，甚至有些工廠的出水量達不到最初設計的30％。

小型淡化裝置的研究非常清楚的表明，超濾系統(tǒng)可以非常有把握的控制海水的水質，為反滲透系統(tǒng)提供高質量的入水。長期試驗也表明，超濾系統(tǒng)的出水SDI值可以非常好的控制在2以下。這些測試在超濾系統(tǒng)前不必用任何預處理，并且適用各種海水水質。

3．4污水回用

西方國家費了很大的精力處理廢水，處理后確僅僅是將其通過排水管網(wǎng)排到地表水源中，這種作為非常不合理。再一次，超濾因為其價格方面的優(yōu)勢為污水的回用提供了一種有吸引力的解決辦法。

其實，從城市污水處理廠和工廠中排出的廢水，是作為工業(yè)用水，甚至是飲用水的一種非常好的水資源。這在技術上是完全可以實現(xiàn)的，但西方用戶確非常難以相信這種做法。與其說這是技術上的難題，不如說是一個心理的難題。但是，目前在納米比亞的Windhoek，已經(jīng)在建設一個850噸/小時的水廠，就是采用膜技術將污水處理廠的出水回用為飲用水。

4．結論

半死端超濾是一種絲毫不必懷疑的技術。它具有廣泛的應用，有些用于小型的項目，但另外一些，象我們上面提到的一些項目規(guī)模很大，甚至非常大。這種技術關系到人類必須面臨的一個問題，如果世界仍然按目前的速度發(fā)展的話。即可飲用水資源，它是每個人的生活的一個重要部分。發(fā)展一種技術保持飲用水資源，是維持人類生活的唯一辦法，也是保證下個世紀水不會像油一樣的唯一方法。