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一、什么是超濾膜
超濾膜是最早開發的高分子膜之一，是一種額定孔徑范圍為0.001~0.02微米的微孔過濾膜。在膜的一側施加適當壓力，溶液中的溶劑以及一部分分子量較低的溶質從超濾膜的微小孔隙中穿透到膜的另一邊，而分子量較高的溶質或一些乳化膠束團被截留，從而達到過濾分離的效果。
在水處理領域，超濾膜技術相對于其他過濾技術來說，過濾雜質的效率更高，其過濾精度可達99.99%，能有效去除水中的絕大部分有害物質；并且使用很少或不使用化學藥劑，有效避免水質受到二次污染，因此處理后的水質更好。從操作層面來說，基于超濾膜技術的過濾系統自動化程度高，運行簡單可靠，只有開、關兩種操作。由于超濾膜的材料化學穩定性強，抗酸堿腐蝕，耐高溫，因此可以高溫殺菌消毒，適用性很廣。
1、超濾膜技術及特點
超濾膜技術原理
超濾膜技術是一種膜透過分離技術，其濾過能力介于納濾和微濾之間，其工作原理是：
在溶液通過一種半透膜的時候，在壓力的作用下，溶劑和溶質中的小分子物質可通過濾膜到達膜的另一側，而溶質中的大分子物質和膠體則由于無法通過濾膜孔洞而被攔截下來，隨著溶液不斷流過，膜上被攔截的物質也越來越多，因此要想實現超濾作用就得對溶劑施加更大的壓力，與此同時在膜的表面形成的物質也展現出一定的化學特性，對于一些污染物也具有截留和分解的作用，從而實現水的凈化。
隨著大分子物質不斷高集在膜表面濾過的速度不斷降低，出現“濃度極化”的現象，為使超濾能夠持續有效地進行，實際工作中常使用攪排式超濾裝置來消除”濃度極化”的現象。
超濾膜技術的特點
相對于其他水處理技術而言，超濾膜技術具有很多無可比擬的優勢：
第一，超濾膜化學穩定性高，可耐高溫、耐酸、耐堿，因此對進水水質要求不高，通用性強；
第二，超濾膜技術原理簡單，容易實現自動化運轉，節約勞動力，且操作簡便、易于維護，運行安全穩定；
第三，超濾膜技術屬于物理方法，在水處理過程中并不需加任何化學藥劑，因此可有效的防止水體的出現二次污染的情況；
第四，超濾膜技術效率高，處理水量大，尤其是對污染較小的城市飲用水處理，展現出極高的作效率；
超濾膜技術在環保工程水處理中的應用
城市飲用水凈化
隨看社會的發展，人們對飲用水安全要求越來越高，但與此同時我國城市用水源地的污染也日益嚴重，直接取水的水質越來越無法滿足飲用水的標準，因此必需要對城市飲用水進行凈化。
城市飲用水主要來源于地下水和地面水兩種，兩種水源的污染機理不同，飲用水的來源主要但據地下水和地面水兩種，兩種水源的污染機理不同，但污染物都主要為無性生物、細菌，真菌、病毒、懸浮物等。
傳統的飲用水凈化方法可實現對微生物和菌類的滅活凈化，以及對微米級懸浮物顆粒的凈化，而超濾膜技術在此基礎上還可實現對納米級顆粒的有效去除，因此出水水質更高，對城市居民飲水健康具有重要意義。
海水淡化
不可再生資源，地球上可供人類飲用的淡水資源日益枯竭，水資源短缺已經成為當代人類面臨的最緊迫問題之一。海水淡化被認為是解決飲用水危機的有效途徑，目前在世界范圍內研究較多的海水談化技術是電滲析技術，雖然電滲析被認為是可以使海水淡化的有效方法，但其運行成本高昂且回收率低，隨著技術的發展，超濾膜技術開始被用于反透海水淡化中，其優異的分離性能和物化性能使得海水淡化的效率進一步提升，同時將耗能大幅降低。
電鍍廢水的處理
電工業產生的廢水量巨大，而且含有大量的六價鉻、銅、鎳等重金屬，危害性極強，可生化性極低，實際工作中常采用鐵氧化法電解法等等，但鐵氧化法會產生大量的污泥，這些污泥還需進一步處理：電解法雖然可以很好地處理電廢水，但運行成本較高，不適合大范圍推廣。而將超濾購技術和反滲透技術聯合使用被認為是電廢水處理的有效方法，其利用兩種膜技術能夠使電鍍廢水中大部分的重金屬、有機碳和硝酸鹽被去除，并且超濾膜的使用也降低了滲透膜的污染，提高使用壽命。
含油廢水的處理
含油廢水的主要來源包括原油泄漏、屠宰場廢水以及生活廢水等，其主要成分是浮油、分散油、乳化油和重油等，常用的含油廢水處理裝置是隔油池，但其對乳化油卻無法處理，因此常采用氣浮法進行軸助處理。由于乳化油分子一般較大，因此可采用超濾膜技術使含油廢水在加壓的條件下通過超濾膜，乳化油及其他大分子污染物就會被截留下來，去除效率較高。
城市污水回用
城市污水回用是緩解城市用水壓力的重要措施，將城市生活污水經過處理達到回用標準后將其用于城市綠化用水以及城市中水系統。使用超濾膜技術可快速將城市污水處理達標，由于城市污水一股可生化性較好，在實際工作中，為了提高出水水質，常將周期循環活性污泥法（CASS）與超濾膜技術同時使用。在水力作用時間為12小時的條件下，該法COD去除率達到86％以上．氨氮的去除率達到90％以上，出水的pH值范圍為7.25－7.89，達到了城市水回用標準。
食品工業廢水回收
超濾膜技術除了可以提高出水水質外，還能將大量的有用固態物質濃縮回收，最典型的應用就是在食品工業領域。食品工業產生的廢水中含有大量的脂肪、蛋白質、淀粉、酵母等，這些物質如果排放到外界環境中不但會造成環境的污染，而且還會造成大量的浪費，因此采用超濾模技術將廢水中的有用成分截留下來，同時水中的BOD和COD等也從水中被分離出來，將分離出的周態物質經過提取回收，可為企業帶來較大的經濟效益。
結束語
綜上所述，超濾膜技術是環保工程水處理的一項重要技術，其在城市污水處理和各種工業廢水處理以及有用物質回收等方面都具有極為廣闊的應用前景。目前，超濾膜技術的研究方向一個是發明更高效的超濾裝置，另一個是根據進水水質特點與其他水處理技術相結合，提高出水質量。
二、超濾的運行方式
1.1.2 錯流過濾
當超濾進水懸浮物、濁度較高時，比如污水或者污水回用處理應用，超濾可按照錯流過濾模式運行。進水進入超濾膜組件，部分透過膜表面成為產水，另一部分則夾帶懸浮物等雜質排出膜組件成為濃水，排出的濃水重新加壓后又循環回到膜組件內，保持膜表面較高流速產生的剪切力，把膜表面上截流的懸浮物等雜質帶走，從而使超濾膜組件的污染層保持在一個較薄的水平。
1.1.3 濃水排放過濾
當超濾進水懸浮物含量較低時，超濾可按照濃水排放過濾模式來操作。進水進入超濾膜組件，以較低比例的濃水量排出膜組件，通常5-10%的進水量，大部分的進水透過膜表面成為產水產出。
濃水排放過濾和錯流過濾模式操作同樣需要定時水反洗、化學加強反洗以及定期的化學清洗來恢復超濾膜過濾性能。全流過濾模式能耗低、操作壓力低，因而運行成本更低；而錯流過濾模式則能處理懸浮物含量更高的進水。具體模式的選擇需要根據進水中的懸浮物含量、濁度和COD來確定。
2、超濾膜污染
2.1 超濾膜運行中的檢測
為了檢驗超濾裝置的運行效果和膜發生污堵的可能性，需要在超濾裝置的運行過程中監測一些關鍵性參數。
2.1.1 濁度：是指水中的泥砂、粉塵、細微有機物、浮游生物等懸浮性物質及膠體物質等，都會導致水質變得渾濁而呈現出的一定程度的渾濁度。通常這些懸浮性物質及膠體物質也會寄生細菌和病毒等。例如生活飲用水的濁度一般要求不得超過1 NTU，超濾膜的出水濁度一般要求不得超過0.1 NTU。
2.1.2 TSS（總懸浮固體）：是指水樣通過孔徑為0.45μm 的濾膜，截留在濾膜上并于103℃～105℃烘干至恒重的固體物質。總懸浮固體是衡量水體水質污染程度的重要指標之一，該參數一般比濁度更加精確（濁度通常無法檢測出極細微的顆粒）。
2.1.3 SDI（淤積密度指數）：是反滲透水處理系統的重要水質指標參數之一，SDI 值代表了水中顆粒、膠體和其他能阻塞各種水凈化設備的物質含量，通常采用該參數來判斷水中顆粒及膠體等物質阻塞各種水凈化設備的可能性（見下圖）。
SDI 的測定是在直徑為47mm 孔徑為0.45μm 的微孔濾膜上連續加入一定壓力（30PSI，相當于2.1kg/cm）的被測定水樣，記錄濾得500ml 水所需的時間Ti（秒）和連續過濾15 分鐘(T)后再次濾得500ml 水所需的時間Tf（秒），通過公式計算SDI 值；一般要求反滲透入口（即超濾產水）的SDI數值不得超過5。
2.1.4 TOC（總有機碳）：該參數最常用于測定水中的有機物含量，指水體中溶解性和懸浮性有機物含碳的總量，包括天然有機物和合成有機物。總有機碳一般用來評估超濾進水中可能導致膜發生有機污堵和生物污堵的可能性和趨勢。當超濾膜進水TOC 大于2 mg/L 時，則表示超濾膜表面發生生物污堵的可能性很高。
2.1.5 DOC（溶解有機碳）：總有機碳（TOC）中能溶解于水的部分，一般指能通過孔徑為0.45微米濾膜、并在分析過程中未蒸發失去的有機碳。除污水外，大部分自然水體溶解有機碳（DOC）占總有機碳（TOC）的比例約為80~95%。
2.1.6 鐵和錳：鐵和錳的氧化形態可以被超濾膜系統截留，但同時也會造成膜的污堵。鐵離子一般天然存在（如地下水等）、或由超濾前處理管道或設備的腐蝕產生，或在超濾預處理的混凝澄清設備中投加絮凝劑殘留造成等。
2.1.7 鈣和鎂：水的硬度主要來自鈣離子和鎂離子。根據硬度的不同可將水分為軟水（以CaCO3 計最高不超過60mg/L）、硬水（以CaCO3 計最高不超過180mg/L）和極硬水（以CaCO3 計超過180mg/L）。硬度對人體健康沒有危害，但水中硬度過高，水處理過程中會導致管道、設備或膜表面結垢。
2.1.8 電導率：水的電導率與總溶解固體(TDS)呈線性關系，表示水的導電能力。
2.1.9 pH 值：用于表示水的酸堿值的大小。pH 值小于7 為酸性，pH 值大于7 為堿性。純水的pH 值是7為中性。高pH值會導致水有苦味，并容易導致水管和設備結垢，pH值低的水會腐蝕或溶解金屬和其它設備。
2.1.10 二氧化硅：分為活性二氧化硅（溶解硅）或非活性二氧化硅（膠體硅）。一般情況下膠體硅會加速造成超濾膜的污堵。
2.3 超濾膜污染的種類
2.3.1 膠體污染：膠體主要是存在于地表水中，特別是隨著季節的變化，水中含有大量的懸浮物如粘土、淤泥等膠體，均存在于水體中，它對超濾膜的危害性極大。因為在過濾過程中，大量膠體微粒隨透過膜的產水流涌至膜表面，被膜截留下來的微粒容易形成凝膠層，更有一部分與膜孔徑大小相當及小于膜孔徑的粒子會滲入膜孔內部堵塞流水通道而產生不可逆的變化現象。另外，水中鐵、錳以及在超濾預處理中加入鐵或者鋁系混凝劑形成的膠體，都有可能在膜表面形成凝膠層。
2.3.2 有機物污染：水中的有機物，有的是在水處理過程中人工加入的，如表面活性劑、清潔劑和高分子聚合物絮凝劑等，有的則是天然水中就存在的；這些物質也可以吸附于膜表面而損害膜的性能。
2.3.3微生物污染：微生物污染對超濾膜的安全運行也是一個危險因素。一些營養物質被膜截留而積聚于膜表面，細菌在這種環境中迅速繁殖，活的細菌連同其排泄物質，形成微生物粘液而緊緊粘附于膜表面，這些粘液與其他沉淀物相結合，構成了一個復雜的覆蓋層，其結果不但影響到膜的透水量，也包括使膜產生不可逆的污堵。
3.1 氣泡觀察法
將膜組件中充滿測試所用的液體，使膜絲完全浸潤，膜絲所有的孔中都充滿了液體。在膜組件的進水側緩慢通入無油壓縮空氣，且逐漸提高進氣壓力，同時通過觀察產水側是否有氣泡連續溢出（產水閥門處于打開狀態）。通常通入空氣的壓力從0bar 開始，逐漸增大到1.5bar。如果在1.5bar 的條件下，有連續的氣泡產生，表明膜組件存在缺陷。
3.2壓力衰減法
將膜組件中充滿測試所用的液體，使膜絲完全浸潤，膜絲所有的孔中都充滿了液體。在膜組件的進水側緩慢通入無油壓縮空氣，且逐漸提高進氣壓力至設定值（產水閥門處于打開狀態），對于外壓式超濾膜組件，測試壓力的設定值為2.0bar。
最初時，進氣側的液體會在壓力作用下透過膜絲進入產水側，因此會有一定量的液體排出（大約會持續2 分鐘）。等待壓力穩定在設定值時，停止進氣（產水側閥門處于打開狀態），并密封進氣側保持測試壓力，靜止保持壓力10 分鐘。
此時膜組件的進水側充滿帶壓的空氣，并與外界隔絕；產水側充滿液體，且與大氣相通。如果保持壓力測試10 分鐘后進氣側壓力降不大于0.2bar，表明膜組件完整；如果壓力降大于0.2bar，則表明膜組件有缺陷（斷絲或泄漏等）。
壓力衰減測試即可以針對單個膜組件進行，也可以針對整套膜裝置進行，是一種在現場簡便易行的方法。
4、結束語
4.1 超濾系統的運行管理
4.1.1 至少每周監測并記錄超濾預處理的進出水COD、濁度以及鐵/錳金屬等；
4.1.2 每周查看一次預處理所用絮凝劑、助凝劑及其他化學藥品的消耗量；
4.1.3 至少每三個月校正一次各種儀表；
4.2 超濾系統的保養
4.2.1 超濾系統短期停運1-2天，可每天運行30-60 分鐘或者進行一次單獨的反洗；
4.2.2 超濾系統停運2-7天，進行徹底的反洗后，關閉進出口閥門保存；每天可運行30-60 分鐘或者進行一次反洗后，注入保護液（0.5-1.0%NaHSO3 溶液），關閉進出口閥門保存；
4.2.3 超濾系統長期停用7 天以上，停機前進行一次加強反洗后，注入保護液（0.5-1.0%NaHSO3 溶液），關閉進出口閥門保存。每月檢查一次保護液的pH值，如果pH<3 時應及時更換保護液；
4.2.4 超濾系統長時間停機后重新投入運行時，應將超濾裝置進行連續沖洗至排放水無泡沫，將保護液沖洗干凈。
4.3 化學清洗的注意事項
化學清洗是解決膜污染問題最有效的方法，針對特定的污染，只有采取相應的清洗方法，才能達到好的效果，若錯誤地選擇清洗化學藥品和方法，有時會使情況惡化。因此，在清洗之前需先確定膜表面的污垢物種類。
日常操作時必須嚴格監控超濾系統的運行性能，包含運行壓差和產水流量，隨著超濾膜的污染，壓差將升高，產水流量下降。當標準化產水量下降25%，或標準化跨膜壓差上升1.0-2.0bar時，就必須要進行化學清洗來恢復其性能；但是需要注意的是，如果進水溫度下降，超濾膜產水流量也會下降，這是正常現象并非膜污染所致，此時超濾膜可能并不需要清洗。
總之超濾裝置是迄今為止最有效的反滲透預處理技術，只有在實際運行的過程中得到了合理的運行控制，以遏制膜污堵現象的發生，才能有效保證超濾膜的使用壽命。(來源：水處理新視野)
