超濾膜在水處理應(yīng)用中的工藝
1 前處理
超濾法在水處理及其他工業(yè)凈化、濃縮、分離過程中，可以作為工藝過程的預(yù)處理，也可以作為工藝過程的深度處理。在廣泛應(yīng)用的水處理工藝過程中，常作為深度凈化的手段。根據(jù)中空纖維超濾膜的特性，有一定的供水前處理要求。因?yàn)樗械膽腋∥?、膠體、微生物和其他雜質(zhì)會附于膜表面，而使膜受到污染。由于超濾膜水通量比較大，被截留雜質(zhì)在膜表面上的濃度迅速增大產(chǎn)生所謂濃度極化現(xiàn)象，更為嚴(yán)重的是有一些很細(xì)小的微粒會進(jìn)入膜孔內(nèi)而堵塞水通道。另外，水中微生物及其新陳代謝產(chǎn)物生成粘性物質(zhì)也會附著在膜表面。這些因素都會導(dǎo)致超濾膜透水率的下降以及分離性能的變化。同時(shí)對超濾供水溫度、PH值和濃度等也有一定限度的要求。因此對超濾供水必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理和調(diào)整水質(zhì)，滿足供水要求條件，以延長超濾膜的使用壽命，降低水處理的費(fèi)用。
A、微生物（細(xì)菌、藻類）的殺滅：
當(dāng)水中含有微生物時(shí)，在進(jìn)入前處理系統(tǒng)后，部分被截留微生物可能粘附在前處理系統(tǒng)，如多介質(zhì)過濾器的介質(zhì)表面。當(dāng)粘附在超濾膜表面時(shí)生長繁殖，可能使微孔完全堵塞，甚至使中空纖維內(nèi)腔完全堵塞。微生物的存在對中空纖維超濾膜的危害性是極為嚴(yán)重的。除去原水中的細(xì)菌及藻類等微生物必須重視。在水處理工程中通常加入NaClO、O3等氧化劑，濃度一般為1～5mg/l。此外，紫外殺菌也可使用。在實(shí)驗(yàn)室中對中空纖維超濾膜組件進(jìn)行滅菌處理，可以用雙氧水（H2O2）或者高錳酸鉀水溶液循環(huán)處理30～60min。殺滅微生物處理僅可殺滅微生物，但并不能從水中去除微生物，僅僅防止了微生物的滋長。
 B、降低進(jìn)水混濁度：
 當(dāng)水中含有懸浮物、膠體、微生物和其他雜質(zhì)時(shí)，都會使水產(chǎn)生一定程度的混濁，該混濁物對透過光線會產(chǎn)生阻礙作用，這種光學(xué)效應(yīng)與雜質(zhì)的多少，大小及形狀有關(guān)系。衡量水的混濁度一般以蝕度表示，并規(guī)定1mg/lSiO2所產(chǎn)生的濁度為1度，度數(shù)越大，說明含雜量越多。在不同領(lǐng)域?qū)┧疂岫扔胁煌囊螅纾瑢σ话闵钣盟?，濁度不?yīng)大于5度。由于濁度的測量是把光線透過原水測量被水中顆粒物反射出的光量、顏色、不透明性，顆粒的大小、數(shù)量和形狀均影響測定，濁度與懸浮物固體的關(guān)系是隨機(jī)的。對于小于若干微米的微粒，濁度并不能反映。
在膜法處理中，精密的微結(jié)構(gòu)，截留分子級甚至離子級的微粒，用濁度來反映水質(zhì)明顯是不精確的。為了預(yù)測原水污染的傾向，開發(fā)了SDI值試驗(yàn)。
SDI值主要用于檢測水中膠體和懸浮物等微粒的多少，是表征系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)的重要指標(biāo)。SDI值的確定方法一般是用孔徑為0.45μｍ微孔濾膜在0.21MPa恒定水流壓水力下，首先記錄通水開始濾過500ml水樣所需的時(shí)間t0，然后在相同條件下繼續(xù)通水15min，再次記錄濾過500ml 水樣所需時(shí)間t15，然后根據(jù)下式計(jì)算：    SDI=（1-t0/t15）×100/15
水中SDI的值的大小大致可反映膠體污染程度。井水的SDI＜3，地表水SDI在5以上，SDI極限值為6.66……，即需進(jìn)行預(yù)處理。
超濾技術(shù)對SDI值的降低最為有效，經(jīng)中空纖維超濾膜處理水的SDI=0，但當(dāng)SDI過大時(shí)，特別是較大顆粒對中空纖維超濾膜有嚴(yán)重的污染，在超濾工藝中，必須進(jìn)行預(yù)處理，即采用石英砂、活性炭或裝有多種濾料的過濾器過濾，至于采取何種處理工藝尚無固定的模式，這是因?yàn)楣┧畞碓床煌?，因而預(yù)處理方法也各異。
例如，對于具有較低濁度的自來水或地下水，采用5～10μｍ的精密過濾器（如蜂房式、熔噴式及PE燒結(jié)管等），一般可降低到5左右。在精密過濾器之前，還必須投加絮凝劑和放置雙層或多層介質(zhì)過濾器過濾，一般情況下，過濾速度不超過10m/h，以7～8m/h為宜，濾水速度越慢，過濾水質(zhì)量越好。
C、懸浮物和膠體物質(zhì)的去除：
對于粒徑5μｍ以上的雜質(zhì)，可以選用5μｍ過濾精度的濾器去除，但對于0.3～5μｍ間的微細(xì)顆粒和膠體，利用上述常規(guī)的過濾技術(shù)很難去除。雖然超濾對這些微粒和膠體有絕對的去除作用，但對中空纖維超濾膜的危害是極為嚴(yán)重的。特別是膠體粒子帶有電荷，是物質(zhì)分子和離子的聚合體，膠體所以能在水中穩(wěn)定存在，主要是同性電荷的膠體粒子相互排斥的結(jié)果。向原水中加入與膠體粒子電性相反的荷電物質(zhì)（絮凝劑）以打破膠體粒子的穩(wěn)定性，使帶荷電的膠體粒子中和成電中性而使分散的膠體粒子凝聚成大的團(tuán)塊，而后利用過濾或沉降便可以比較容易去除。常用的絮凝劑有無機(jī)電解質(zhì)，如硫酸鋁、聚合氯化鋁、硫酸亞鐵和氯化鐵。有機(jī)絮凝劑如聚丙稀酰胺、聚丙稀酸鈉、聚乙稀亞胺等。由于有機(jī)絮凝劑高分子聚合物能通過中和膠粒表面電荷，形成氫鍵和“搭橋”使凝聚沉降在短時(shí)間內(nèi)完成，從而使水質(zhì)得到較大改善，故近年來高分子絮凝劑有取代無機(jī)絮凝劑的趨勢。
在絮凝劑加入的同時(shí)，可加入助凝劑，如PH調(diào)節(jié)劑石灰、碳酸鈉、氧化劑氯和漂白粉，加固劑水下班及吸附劑聚丙稀酰胺等，提高混凝效果。
絮凝劑常配制成水溶液，利用計(jì)量泵加入，也可使用安裝在供水管道上的噴射器直接將其只入水處理系統(tǒng)。
D、可溶性有機(jī)物的去除：
    可溶性有機(jī)物用絮凝沉降、多介質(zhì)過濾以及超濾均無法徹底去除。目前多采用氧化法或者吸咐法。
（1）氧化法 利用氯或次氯酸鈉（NaClO）進(jìn)行氧化，對除去可溶性有機(jī)物效果比較好，另外臭氧（O3）和高錳酸鉀（KMnO4）也是比較好的氧化劑，但成本略高。
（2）吸附法 利用活性炭或大孔吸附樹脂可以有效除去可溶性有機(jī)物。但對于難以吸附的醇、酚等仍需采用氧化法處理。
E、供水水質(zhì)調(diào)整：
（1）供水溫度的調(diào)整
超濾膜透水性能的發(fā)揮與溫度高低有直接的關(guān)系，超濾膜組件標(biāo)定的透水速率一般是用純水在25℃條件下測試的，超濾膜的透水速率與溫度成正比，溫度系數(shù)約為0.02/1℃，即溫度每升高1℃，透水速率約相應(yīng)增加2.0％。因此當(dāng)供水溫度較低時(shí)（如＜5℃），可采用某種升溫措施，使其在較高溫度下運(yùn)行，以提高工作效率。但當(dāng)溫度過高時(shí)，同樣對膜不利，會導(dǎo)致膜性能的變化，對此，可采用冷卻措施，降低供水溫度。
（2）供水PH值的調(diào)整
用不同材料制成的超濾膜對PH值的適應(yīng)范圍不同，例如醋酸纖維素適合pH=4～6，PAN和PVDF等膜，可在PH=2～12的范圍內(nèi)使用，如果進(jìn)水超過使用范圍，需要加以調(diào)整，目前常用的PH調(diào)節(jié)劑主要有酸（HCl和H2SO4）等和堿（NaOH等）。
由于溶液中無機(jī)鹽可以透過超濾膜，不存在無機(jī)鹽的濃度極化和結(jié)垢問題，因此在預(yù)處理水質(zhì)調(diào)整過程中一般不考慮它們對膜的影響，而重點(diǎn)防范的是膠質(zhì)層的生成、膜污染和堵塞的問題。
2 操作參數(shù)
正確的掌握和執(zhí)行操作參數(shù)對超濾系統(tǒng)的長期和穩(wěn)定運(yùn)行是極為重要的，操作參數(shù)一般主要包括：流速、壓力、壓力降、濃水排放量、回收比和溫度。
A、流速：
流速是指原液（供給水）在膜表面上的流動的線速度，是超濾系統(tǒng)中的超濾一項(xiàng)重要操作參數(shù)。流速較大時(shí)，不但造成能量的浪費(fèi)和產(chǎn)生過大的壓力降而且加速超濾膜分裂性能的衰退。反之，如果流速較小，截留物在膜表面形成的邊界層厚度增大，引起濃度極化現(xiàn)象，既影響了透水速率，又影響了透水質(zhì)量。最佳流速是根據(jù)實(shí)驗(yàn)來確定的。中空纖維超濾膜，在進(jìn)水壓力維持在0.2MPa以下時(shí)，內(nèi)壓膜的流速僅為0.1m/s，該流速的流型處在完全層流狀態(tài)。外壓膜可獲得較大的流速。毛細(xì)管型超濾膜，當(dāng)毛細(xì)管直徑達(dá) 3mm時(shí)，其流速可適當(dāng)提高，對減少濃縮邊界層有利。必須指出兩方面問題，其一是流速不能任意確定，由進(jìn)口壓力與原液流量有關(guān)，其二是對于中空纖維或毛細(xì)管膜而言，流速在進(jìn)口端是不一致的，當(dāng)濃縮水流量為原液的10％時(shí)，出口端流速近似為進(jìn)口端的10％，此外提高壓力增加了透過水量，對流速的提高供獻(xiàn)極微。因此增加毛細(xì)管直徑，適當(dāng)提高濃縮水排量（回流量），可以使流速獲得提高，特別是在超濾濃縮過程中，如電泳漆的回收時(shí)可有效提高其超濾速率。
在允許的壓力范圍內(nèi)，提高供給水量，選擇最高流速，有利于中空纖維超濾膜性能的保證。
B、壓力和壓力降：
中空纖維超濾膜的工作壓力范圍為0.1～0.6MPa，是泛指在超濾的定義域內(nèi)，處理溶液通常所使用的工作壓力。分離不同分子量的物質(zhì)，需要選用相應(yīng)截留分子量的超濾膜，則操作壓力也有所不同。一般塑殼中空纖維內(nèi)壓膜，外殼耐壓強(qiáng)度小于0.3MPa，中空纖維耐壓強(qiáng)度一般也低于0.3MPa，因而工作壓力應(yīng)低于0.2MPa，而膜的兩側(cè)壓差應(yīng)不大于0.1MPa。外壓中空纖維超濾膜耐壓強(qiáng)度可達(dá)0.6MPa，但對于塑殼外壓膜組件，其工作壓力亦為0.2MPa。必須指出，由于內(nèi)壓膜直徑較大，當(dāng)用作外壓膜時(shí)，易于壓扁并在粘結(jié)處切斷，引起損壞，因此內(nèi)外壓膜不能通用。
當(dāng)需要超濾液具有一定壓力以供下一工序使用時(shí)，應(yīng)采用不銹鋼外殼超濾膜組件，該中空纖維超濾膜組件，使用壓力達(dá)到0.6MPa，而提供超濾液的壓力可達(dá)30m水柱，即0.3MPa壓強(qiáng)，但必須保持中空纖維超濾膜內(nèi)外兩側(cè)壓差不大于0.3MPa。
在選擇工作壓力時(shí)除根據(jù)膜及外殼耐壓強(qiáng)度為依據(jù)外，必須考慮膜的壓密性，及膜的耐污染能力，壓力越高透水量越大，相應(yīng)被截留的物質(zhì)在膜表面積聚越多，阻力越大，會引起透水速率的衰減。此外進(jìn)入膜微孔中的微粒也易于堵塞通道?？傊?，在可能的情況下，選擇較低工作壓力，對膜性能的充分發(fā)揮是有利的。
中空纖維超濾膜組件的壓力降，是指原液進(jìn)口處壓力與濃縮液出口處壓力之差。壓力降與供水量，流速及濃縮水排放量有密切關(guān)系。特別對于內(nèi)壓型中空纖維或毛細(xì)管型超濾膜，沿著水流方向膜表面的流速及壓力是逐漸變化的。供水量，流速及濃縮水排量越大，則壓力降越大，形成下游膜表面的壓力不能達(dá)到所需的工作壓力。膜組件的總的產(chǎn)水量會受到一定影響。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量控制壓力降值不要過大，隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間延長，由于污垢積累而增加了水流的阻力，使壓力降增大，當(dāng)壓力降高出初始值0.05MPa 時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行清洗，疏通水路。
C、回收比和濃縮水排放量：
在超濾系統(tǒng)中，回收比與濃縮水排放量是一對相互制約的因素?；厥毡仁侵竿高^水量與供給量之比率，濃縮水排放量是指未透過膜而排出的水量。因?yàn)楣┙o水量等于濃縮水與透過水量之和，所以如果濃縮水排放量大，回收比較小。為了保證超濾系統(tǒng)的正常運(yùn)行，應(yīng)規(guī)定組件的最小濃縮水排放量及最大回收比。在一般水處理工程中，中空纖維超濾膜組件回收比約為50～90％。其選擇根據(jù)為進(jìn)料液的組成及狀態(tài)，即能被截留的物質(zhì)的多少，在膜表面形成的污垢層厚度，及對透過水量的影響等多種因素決定回收比。在多數(shù)情況下，也可以采用較小的回收比操作，而將濃縮液排放回流入原液系統(tǒng)，用加大循環(huán)量來減少污垢層的厚度，從而提高透水速率，有時(shí)并不提高單位產(chǎn)水量的能耗。
D、工作溫度：
超濾膜的透水能力隨著溫度的升高而增大，一般水溶液其粘度隨著溫度而降低，從而降低了流動的阻力，相應(yīng)提高了透水速率。在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮工作現(xiàn)場供給液的實(shí)際溫度。特別是季節(jié)的變化，當(dāng)溫度過低時(shí)應(yīng)考慮溫度的調(diào)節(jié)，否則隨著溫度的變化其透水率有可能變化幅度在50％左右，此外過高的溫度亦將影響膜的性能。通常情況下中空纖維超濾膜的工作溫度應(yīng)在25±5℃，需要在較高溫度狀態(tài)下工作則可選用耐高溫膜材料及外殼材料。