超濾膜分離技術在中水深度凈化中的應用
1、應用背景
超濾膜過濾是將液體中兩相物質分離的過程，用于中水深度凈化可進行分子級別的物質分離，在將細菌、病毒、各類膠體污染物濾除之后，實現一定程度上的深度凈化，但由于超濾膜分離是一種雙向濃縮的過程，處理后水中仍會有小分子物質存在，其水質特點使得回用受到了一定的局限；
另外，在常規的膜分離工藝設計中，往往不太注重原水水質的針對性，結果使分離設備的使用壽命及用戶資金投入受到較大影響。為此我公司根據客戶需求，針對不同的原水水質及處理后水質要求提供最合理的設計配置。在常規逆滲透處理系統設計中，一般性水質的原水進入逆滲透系統前只配置簡單的微米級過濾和軟化工藝，由于逆滲透產水過程中，濃水側由于水的不斷濃縮，當無機鹽達到飽和狀態時鹽容易析出，在膜表面形成結晶，如不能及時沖洗掉就會結垢，長期使用會使逆滲透膜的脫鹽率下降，工作壓力升高，導致系統停機或膜損傷；為了防止這種現象的產生，可應用超濾膜分離系統對原水進行分子級凈化處理，提高逆滲透系統的進水質量。
2、超濾膜種類及應用技術
2.1 不同種類的超濾膜
超濾膜的截留率并非絕對值，而是相對截留指標，截留率不僅與分子量有關，還與分子的形狀、分子的可變性及分子與膜的相互作用等因素有關，當分子量一定時，膜對球形分子團的截留率遠大于線形分子團，所以超濾膜針對原水的不同污染性狀所表現出的僅是一種截留范圍；
針對不同的膜材料和制備工藝，膜的斷面結構和微孔結構也不同，大致可分為以下幾種：
2.1.1 單表皮層的不對稱膜
單表皮曾的不對稱膜（多為外壓膜），其表面為遍布微孔的致密層，支撐膜表面的基層近似海綿結構；特點是截留精度高，操作壓力稍大，機械強度較高，可通過反向沖洗清除進入膜微孔的溶質粒子，但對反沖洗液的純凈度要求極高，不潔凈的沖洗液會直接污染膜的支撐層，影響清洗后的通量恢復，且由于支撐層的抗化學性能不及表面致密層，不宜進行反向地化學清洗；
2.1.2 雙表皮層的對稱膜
雙表皮層的對稱膜，其內外表皮層遍布微孔，近乎對稱結構，表面微孔微孔為致密結構，夾層的支撐層為交錯或直通的指狀孔；特點是用于內壓式操作時，截留精度會在出現機械疲勞時有所降低，過大的操作壓力會使膜受到破裂等機械性損傷，可通過反沖洗清除膜表面或微孔表面的污染物，對清洗液的純凈度要求較低，可進行化學清洗，但其對稱結構使得進入膜內部的壓密性溶質污染難以被反向清除；
2.1.3 均質膜
均質膜整體為均質結構，截留精度一般，機械強度大，抗污染及可恢復性較差，多數膜產品通量較小，一般不為采用，在此不作贅述；
2.2 臨界截留點
不同的膜品種和微孔結構體現了各自的臨界截留點，在確定選擇不同截留效果的超濾膜時，一定要注意避開膜的臨界截留點，才能保證膜系統長期穩定的運行；所謂臨界截留點是指膜表面微孔的絕對（較小的截留范圍）截留值，也就是說微孔的幾何尺度；對于超濾這種表面過濾來講，較大的溶質可被截留在膜表面，隨原料液沖走，同時小分子的溶質可以透過膜表面微孔，進入透過液；然而，與膜表面微孔尺度近似（臨界截留尺度）的溶質則會進入微孔，一部分在壓力作用下可以透過，另一部分滯留在微孔內造成堵塞，直接影響膜通量；
2.3 超濾膜的清洗
2.3.1超濾膜的清洗方式：
按照進液方向分為正向和反向清洗兩種，正向清洗為清洗液進入膜組件的進料側，通過組件內循環的方式，使清洗液流經膜表面，適當的流速在膜表面形成一定的沖刷力，將系統內和膜表面的污染物清除排出；反向清洗為清洗液進入膜組件的透過液側，在壓力作用下，使清洗液反向透過膜本體，將膜微孔及膜本體內的污染物沖出；
膜系統按照正常操作時不同的施壓方式，分為內壓操作（內壓膜）和外壓操作（外壓膜）兩種，不同的膜對正、反向清洗有不同的清洗要求，正反向清洗操作可單一進行，也可交替進行，為取得更好的清洗效果，必須結合實際情況選擇相應的清洗方式；
2.3.2由清洗液確定的清洗方式
根據清洗液的不同，分為原料液沖刷、清洗液（水）清洗，化學清洗等方式，原料液沖刷指在系統正常運行過程中，定期的提高系統內循環流速，以提高原料液對膜表面形成的沖刷力，將系統內被濃縮的污染物排出；清洗液清洗一般用潔凈的水，通過正向或反向操作對膜表面和膜本體內部的污染物進行清除；化學清洗針對系統內污染性狀的不同，配制相應的化學清洗劑，將化學藥劑與污染物產生的化學反應作用于膜，使膜在特定的化學條件下恢復原有的性能；
2.3.3清洗液的潔凈度要求
清洗液的潔凈度直接影響清洗效果，清洗液中較多的雜質及顆粒物在對膜系統造成二次污染的同時還會對膜表面造成一定的機械性損傷；用于反向清洗的清洗液中小分子雜質應盡可能的少，由于超過濾是一種對溶質的雙向濃縮行為，不能被超濾膜截留的小分子物質透過膜被濃縮富集，所以，用同等截留精度的超濾透過液作為膜系統的反向清洗液并不理想；
2.3.4清洗溫度對清洗效果的影響
清洗液的溫度條件對清洗效果的影響極大，在合理的溫度范圍中，盡可能的提高清洗液溫可更有效地恢復超濾膜的原有性能；首先，較高的清洗溫度可以使清洗液的溶解度和洗潔力有所提高，再者，高于正常工作溫度的清洗液有助于膜微孔的擴張，促進微孔內容污物的排出；
2.3.5清洗操作壓力及背壓對清洗效果的影響
傳統的清洗多采用開放式操作，即一端施壓，另一端開放，清洗效果往往不盡人意；合理的操作壓力應區別正、反向清洗，在原有基礎上確定是否系統背壓，從而改變清洗過程中的動態環境；
2.3.5.1 正向清洗時的背壓行為：
關閉膜組件或系統的透過液出口（背壓），一開始，膜本身只承受膜兩側的壓差，待系統壓力達到穩定的預定壓力值，膜兩側的壓差幾乎為0，此時，膜本身不承受額外壓力；由于膜本身材質的導熱性能較差，較高的清洗液進入膜內部后，其表面微孔和內部結構在較高的環境溫度下會有所擴張，使得膜內部的污物更容易清除排出，但過高的壓差會阻礙這種熱脹行為，所以盡可能的降低膜兩側壓差會收到更好的清洗效果；
中空纖維外壓膜在較高的環境溫度下，柔韌性有所提高，但內應強度會減弱；正向清洗時膜的兩側的壓差過高會引起膜變形，繼而被壓癟、壓實，使得清洗變成了得不償失的行為；
中空纖維內壓膜在執行正向清洗時，由于膜中空芯內部堵塞后的流通不暢，膜兩側的壓差過大會出現膜破裂；所以，在內壓膜執行正向清洗時，必須予以系統被壓，根據清洗液回流的情況逐步加壓，隨著污物的排出，系統壓力和回流流速會有所下降，此時再增加壓力提高回流流速，直至清洗完成；
2.3.5.2 反向清洗時的背壓行為：
在正向清洗的熱脹原理基礎上，反向清洗時，對壓差的要求更高，壓差過高會造成膜本體的嚴重變形、破壞；
中空纖維外壓膜在進行反向清洗時，由于系統內的濃縮污染物必須通過膜外側外排，限流背壓勢必影響排污效果，所以，膜兩側會存在一定的壓差，過大的壓差會造成膜的變形、破裂等不可恢復的損傷；
中空纖維內壓膜在進行反向清洗時，過大的膜兩側壓差會使膜變形，繼而被壓癟、壓實，雖然在清洗結束，膜內側施以正常的操作壓力后，膜的性狀得以恢復，但如此反復操作會對膜本身造成不可逆的機械性損傷；同樣，限流背壓也會影響內壓膜系統的排污效果；
可以通過內外（正、反）雙向清洗的方法降低膜兩側壓差解決上述問題，具體方法是：內側施以反向清洗，外側施以正向清洗，反向清洗是一種緩慢溶解滲透的過程，主要目的是將膜表面微孔內和膜本體支撐層內的溶質粒子溶出，再通過外側的正向清洗將污物沖出；
2.3.6 較為合理的科學清洗方式
系統清洗可有效地清除堆積滯留在膜表面或微孔表面的污染物，但對于透過膜表面微孔滯留在支撐層內的溶質（多位膠體粒子），則難以透過膜本體或通過沖洗清除，造成不可逆的堵塞：
根據膜分離的特性，在靜態恒壓條件下，溶液中的溶質作用于膜表面時，首先表現出基本吸附，對于膜表面微孔則體現為大于微孔尺度的溶質被截留（篩分）；小于微孔尺度的溶質粒子進入微孔，一部分（如膠體粒子）滯留于表皮層內，另一部分隨溶劑透過膜；然而，處于臨界截留范圍內的溶質粒子接觸微孔后，會直接污堵微孔，且逐漸在壓力作用下深入沉積；
溶液中的溶劑作用于膜表面時，首先是溶解，繼而滲透的過程，提高微孔對溶液的切割線速可有效地降低溶質對膜的污染，同樣使膜清洗變得相對容易；值得注意的是：不論內壓膜還是外壓膜，過高的膜兩側壓差會對膜造成一定損傷，同時，在進行反向清洗時，不潔的清洗液都還會對膜本體造成二次污染！
2.4 超濾膜分離技術用于中水深度凈化的優缺點
前文中講過，超濾膜分離過程實際是一種對溶質的雙向濃縮過程，不能被超濾膜截留的小分子物質透過膜被濃縮富集！經超濾處理后，單位體積內的溶劑中，透過膜的小分子溶質數倍于原料液，這就是超濾截留效果不能用透過液的電導值（或TDS值）說明的原因；將超濾系統用于高濃度有機廢水處理，可在降低濁度、色度，去除SS，降低COD等方面有著明顯地效果，但濾后出水中小分子物質過多，為避免小分子物質間產生化學反應，致使水質再次劣化，處理后的水應及時回用；此間，由于超濾系統去除了水中的細菌、病毒等微生物，處理后水質的繼發性（還原性）生物污染得以有效控制，使回用變得更為安全；
在實際應用過程中，超濾行為將污染物濃縮，但由于超濾對鹽類的脫除濾極低，故濃縮液中的含鹽量變化不大，個別情況下出現的含鹽量降低現象，是因為過多的小分子鹽類物質透過膜所致；部分超濾膜的脫鹽行為是由于超濾分子級過濾使得單位體積的透過液中鹽類物質的比重降低；再有，采用改性后的原料制備和表面二次處理后的超濾膜，如磺化聚砜或經表面磺化處理的超濾荷電膜，其膜表面存在電性，在原料液流經膜表面時，所產生的道南（Donnan）效應會使少部分鹽類無法透過膜，但不同的荷電膜，其脫鹽效果差異較大，例如：采用在原料中加入羧酸基或磺酸基的方法改性膜原料，所制成的高截留荷電膜脫鹽效果較為穩定；如果是采用表面磺化處理的超濾膜，其脫鹽效果會隨著使用時間的延長而衰減；超濾膜的最高脫鹽率一般不會超過30％；
應用超濾膜分離系統實現對高濃度有機廢水的深度凈化，可有效地濾除廢水中大量的有機污染物，在一定程度上提高水質，在原水水質條件較好的前提下，超濾出水多數可以達標排放；同時由于超濾沒有太高的脫鹽效果，不會產生因濃水含鹽量倍增而無法處理的結果。
當原水水質條件較差時，完全應用超濾膜實施污物分離不能取得較好的處理后水質，可以在此基礎上，增加配置逆滲透系統，進一步實現固液分離……