超滤技术在水处理领域的应用现状与研究进展 9页

超滤技术在水处理领域的应用现状与研究进展陈湛（内蒙古工业大学土木工程学院市政工程系，内蒙古呼和浩特010000）摘要：简单介绍了超滤技术的分离原理，过程中的特性参数及其运行的方式和影响因素。在此基础上重点阐述了超滤技术分别在饮用水处理、有机微污染水处理、工业污废水处理以及海水淡化中的应用，概括了目前我国超滤膜技术应用的现状，并提出了相应的问题与研究方向。关键词：超滤技术；水处理；应用；研究进展0.前言近年来，随着我国经济建设的快速发展，水污染呈发展趋势，工业发达地区水污染问题尤为突出，水资源短缺问题也日益突出，全国各地水质性缺水或水源性缺水现象越来越严重。据统计，目前原水中已经检测出来的有机污染物达2000余种，其中含有致癌、致畸形、致突变的三致物质。然而，目前常规工艺却难以应对日益严重的水污染和愈加严格的饮用水水质标准——《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2006）。在这方面，作为膜分离技术的超滤可以发挥其独特的作用。超滤对去除水中微米级的颗粒优于常规水处理技术中的过滤能力，而且还具有去除过滤所不具备的纳米级微粒的能力，可以有效去除水中的悬浮物、藻类、细菌、病毒、氨氮和部分大分子有机物，符合了饮用水水质不断提高的要求和工业水处理的要求。1.超滤技术超滤是介于微滤和纳滤之间的一种膜过滤过程，平均孔径在3～100nm之间。超滤膜技术是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术。1.1超滤膜分离原理超滤是一种能将溶液进行分离、提纯、净化和浓缩的筛孔分离过程，也是一种膜分离技术。超滤膜表面有一定大小的微孔，某些溶质分子可选择性的通过超滤膜表面，其分离原理是指在推动力的作用下,依靠物理筛分作用，当含有大、小分子溶质的原料液经过超滤膜表面时，存在于超滤膜表面的微孔使得小分子溶质和溶剂通过膜表面，而阻碍第1页\n了大分子溶质及其微粒组分通过超滤膜表面。这些小分子溶质和溶剂一般属于无机盐类，称作滤过液，最后被集中收集起来；通过超滤膜的大分子溶质和微粒组分一般属于有机胶体类，称之为浓缩液，被膜表面截留而回收。1.2超滤过程的基本特性参数按照膜形态结构划分，超滤膜可以分为对称膜和非对称膜。目前，所用的超滤膜多为非对称膜。超滤居于纳滤和微滤之间，在小孔径范围内，超滤与反渗透相互重叠，而在大孔径范围内，超滤膜与微滤相互重叠。所分离的组分直径介于5nm～10μm范围内，大分子或胶体的相对分子质量在500～500000之间的均可截留下来。超滤过程的基本特性一般用浓差极化、传质系数、微孔模型来表征。1.2.1浓差极化超滤膜具有选择透过性，当膜截留了大量高分子溶质和胶体时，这些高分子溶质会在膜表面聚集，当达到一定程度之后,在浓度梯度的作用下，膜表面的溶质会逐渐脱落下来，再次进入原料液，这样周而复始，最终达到平衡，膜表面形成一层阻碍小分子溶质的边界层，这种现象就是浓差极化。浓差极化对膜的选择透过性有很大影响，浓差极化模数越大，积累在膜表面的溶质越多，影响膜的截留作用。1.2.2传质系数传质系数是传质过程方程式中的一个比例系数，以传质速率G与传质面积F和传质推动力△均成正比为依据。提高传质系数，可提高超滤膜截留率。也就是说，传质系数越大，浓差极化越不明显。1.2.3微孔模型通常用微孔模型来评价超滤膜的渗透机理。一般地,用微孔半径、流体粘度和膜长度来表征膜微孔模型，微孔模型参数的改变对膜性能产生一定的影响。1.3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：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。1.4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。第2页\n1.4.1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0.25MPa以下，过膜压差控制在0.1~0.15MPa。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。1.4.2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（正方向冲洗交替进行）、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）。1.4.3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。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。1.5超滤效果的影响因素超滤的操作压力在0.1~0.6MPa之间，当温度为60℃时，超滤的透过通量为1~500L/(m2·h)，一般为1~100L/(m2·h)。超滤透过通量的影响因素主要有：流速(1~3m/s)、压力(0.5~0.6MPa)、温度、运行周期、进料浓度、料液预处理、超滤膜的清洗。第3页\n膜的使用寿命，短的只有几个月，但通常是3~7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。2.超滤技术在饮用水处理中的应用在饮用水处理工艺过程中，超滤可以作为预处理对饮用水进行高度提纯，通过浓缩、分离和净化作用，使水体达到生活饮用标准。在水处理中，中空纤维超滤膜应用最为广泛。2.1细菌和藻类的去除超滤在筛分过程中，分子物质和溶质会粘附于膜表面，一定的营养环境中，些截留微生物会不断生长繁殖，使超滤膜孔堵塞。需要在原水中加入次氯酸钠、臭氧等氧化剂进行灭菌。对超滤膜组件也需进行灭菌，止膜孔堵塞，免影响水质。2.2胶体和悬浮物质的去除超滤膜可以去除部分胶体和悬浮物，是不够彻底。在原水中加入絮凝剂可有效的去除胶体物质和悬浮物，要时加入助凝剂提高去除效果。2.3可溶性有机物的去除水体中存在的可溶性有机物容易损坏超滤膜组件，塞中空纤维超滤膜膜孔，用氧化法和吸附法可有效的去除。一般用氯或次氯酸钾进行氧化，用活性炭吸附也可去除水中可溶性有机物。3.超滤技术在微污染水中的应用微污染水一般指受有机物污染的水，具有高锰酸盐指数高、氨氮浓度高等特点。目前，常用的微污染水的处理技术为强化传统处理工艺、增加预处理工艺和增加深度处理工艺。超滤作为深度处理的工艺，因其处理效率高而广泛应用。超滤在处理微污染水中的应用包括直接超滤和预处理—超滤。3.1直接超滤毕学军等研究了平板超滤膜处理微污染水，采用膜孔径为0.04μm的浸没式聚醚砜平板膜组件，结果表明：微污染水浊度的去除率大于99.0%，出水浊度小于0.1NTU；CODMn去除率是25.8%~46.9%，出水CODMn小于2.5mg/L；对UV254的平均去除率为13.3%，相对较低。第4页\n3.2预处理—超滤3.2.1粉末活性炭—超滤粉末活性炭因特殊的多孔隙结构，比表面积大，具有较强的吸附作用，粉末活性炭与超滤膜联用形成深度处理膜工艺，可以把活性炭对低分子有机物的吸附作用和超滤膜对大分子有机物以及细菌等病原微生物的筛分作用很好的结合，弥补超滤膜不能有效去除小分子有机污染物的缺陷，大大提高了有机物的去除率，而且大量研究表明粉末活性炭对膜污染也有一定的延缓作用。超滤膜工艺对水中颗粒物和胶体物质的物理筛分作用完全可以保障出水浑浊度，水中的有机物是消毒副产物的前驱物，由于粉末活性炭能有效地吸附小分子量有机物，因此粉末活性炭/超滤膜工艺能较好去除有机物和消毒副产物。3.2.2混凝—超滤混凝工艺通过电性中和、卷扫、吸附架桥等作用可改变原水中悬浮颗粒的尺寸分布，从而增强了对超滤膜不能去除的小颗粒和溶解性污染物的去除作用，混凝还可改变颗粒物的表面电性，使滤饼层不会紧密附着在膜表面。采用混凝作为预处理能够缓解膜污染并改善超滤膜对有机物的去除能力。混凝/超滤组合通常有两种方式：1.将混凝形成的矾花去除后进膜过滤，类似于常规处理/UF；2.不去除矾花直接进膜过滤，即在线混凝（in-linecoagulation）/UF工艺。混凝/超滤组合工艺对浊度及微生物的去除效果在众多研究中都得到肯定，且能够有效提高溶解性有机物的去除率。一般情况下，混凝超滤工艺出水可保持在0.2NTU以下，出水水质稳定，明显优于常规处理工艺。3.2.3高密度沉淀池—超滤高浓度的粉末活性炭给微生物生长提供了良好的载体，微生物可利用活性炭吸附的有机物生长，以实现氨氮的去除。陈江涛等采用了50g/L的高浓度粉末活性炭进行试验，结果表明：该工艺对氨氮的去除率可达95%左右，系统运行43天后，对总氮的去除率稳定在70%左右。4.超滤技术在工业污废水处理中的应用4.1食品工业污水的回收在食品工业中,很多生产流程都会产生废水,这些废水中淀粉、酵母、脂肪、乳糖以及蛋白质等有机物含量相对较高，存在着巨大的回收利用价值。加上食品工业废水中含有大量的COD、BOD，若不进行水处理直接排放到环境中，会造成很大的环境污染。运第5页\n用超滤膜技术进行食品工业废水的回收，不仅能够实现对食品工业废水的有效处理，有效截留废水中的COD、BOD，降低环境污染，还能够对食品工业废水中的具有利用价值的成分进行回收利用，节约更多资源，能够有效实现环保与节能。4.2含油废水的处理随着我国城市化进程的不断加快，含油废水的排放量不断增多，对城市水资源造成了严重的污染，因此，有必要对含油废水进行处理。含油废水中主要含油分散油、浮油和乳化油，对于分散油和浮油的处理相对容易，对乳化油的处理却相对较难。然而运用超滤膜技术处理含油废水时，能够有效地使水和分子量较低的溶质透过，有效截留含油废水中的乳化油、BOD以及COD，有效实现含油废水的处理，降低含油废水对城市水资源的污染。4.3电镀废水的处理电镀工业中用水量相对较大，产生的废水也相对较多。由于电镀工业的特殊性，其废水中往往含有大量的较强毒性的六价铬、铜、镍、镉、锌等重金属离以及子氰化物，对人体、动物以及农作物都有着严重的危害，因此，应当对电镀废水进行有效处理。电镀废水中的离子很难被微生物吸收，可生化性较小。采用铁氧化法进行电镀废水处理时，处理后的出水污泥含量较多，色感较差；采用电解法进行电镀废水处理时，投资及耗电量都相当大，成本相对较高。然而，采用超滤膜和反渗膜连用技术进行电镀废水处理时，能够有效去除电镀废水中的87%的总有机碳、99.8%的镍、95%的硝酸盐以及97%的导电率，有效降低渗透膜的污染，提高渗透膜30%～50%的通能量，对电镀废水进行有效处理，降低电镀废水对环境的污染。5.超滤在海水淡化中应用海水在地球上含量较为丰富的水资源，随着淡水资源的不断紧缺，海水淡化便成为了有效解决淡水资源短缺的一个要途径。海水淡化技术经过几十年的发展，取得了一定的成就。现目前,电渗技术已经能够直接实现海水淡化，然而水的回收率却较低，能耗也非常大。运用反渗技术进行海水淡化是一项重大的技术突破和改革，不仅能耗和成本都相当低，其脱盐率也相当可观的。随着反渗技术的发展，膜技术在海水淡化方面也得到了一定发展，尤其是超滤膜技术。超滤膜由于其强大的物化性能和分离性能，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，能够有效控制反渗系统的入水水质，提高海水淡化水质。第6页\n6.超滤技术的研究进展6.1高性能膜的不断出现膜是超滤的心脏，膜的材料是整个超滤技术的中心，超滤技术的进一步提高，关键取决于膜性能的改进。6.1.1膜品种的增加膜的性能提高随着膜分离技术应用领域的扩大，对膜性能的要求越来越高，不但要有良好的分离性能，而且要有良好的耐温、耐压、耐酸碱腐蚀，抗污染等等性能，很多新型的分离膜得到开发，如抗污染膜、等孔型超滤膜，能在高腐蚀性环境中使用的超滤膜和反渗透膜，耐氧化、耐游离氯的复合膜，具有催化功能的分离膜等等。6.1.2膜材料的发展膜结构及其材质极大程度决定了膜的功能。最初工业化的膜是醋酸纤维素，它的价格便宜，成膜性能好，但适用范围很窄，pH值限于3.5—9.5，使用温度低于40℃，如今膜材料大都采用高性能的合成材料，如聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酯以及改性纤维等，可经受强酸强碱，在各种溶剂及较高温度下能正常操作。近年来随着高分子膜的飞速发展，无机膜的开发与应用亦日益受到关注，多孔性陶瓷、多孔性玻璃以及多孔性金属等无机材料制成的膜已经问世，这可提高膜的耐热性和抗化学腐蚀性。日本努力开发具有超滤性能的多孔陶瓷膜，有些已处于领先水平。有机氟材料功能膜应用取得令人嘱目的成绩。6.1.3膜的制备和改性高分子膜的结构不仅与材质有关，而且与其加工过程关系密切，因要提高膜性能也应从膜的制备方法和条件方面进行开发和改进。例如对于反渗透复合膜就从改进现有的涂层、界面聚合和就地聚合等技术着手，开发等离子聚合、光化聚合、辐照聚合、电化聚合等的复合聚合过程。另外还可以对膜表面进行改性，国外用低温等离子体对超滤膜进行物理改性，改变了超滤膜表面0.1—0.2μm厚度的活性表面分子结构和分子间的作用，从而增加了膜的强度，提高膜的耐热性、耐化学腐蚀性，选择分离性和透水性。应该指出的是，为使膜分离设备具有良好性能，除了应有高性能外，还必须使分离设备在最佳条件（过滤速率、截留速率和能耗等）下操作。6.2应用领域日益扩大膜分离技术的应用领域日益扩大，生物技术方面的膜分离是一种巨大潜力的工业；膜分离在反应工程中的应用尚处于研究阶段，但前景十分诱人；新型化学薄膜发电属清第7页\n洁，无污染的电力高科技，必然会引起人们的密切关注。超滤技术的应用范围也将会随之拓宽。随着膜分离工艺应用的拓宽，其固有的一些局限性也暴露出来。改进膜的构造，提高膜的性能，只能解决一部分难题，而若将几种不同的分离工艺结合起来形成一种新的分离工艺系统，则可以扬各种分离工艺之长，避其所短。如在生物化学反应中，将活细胞培养基生物转变工艺同膜分离工艺很好地结合起来，可以持续地生产生化制品。例如，在糖持续性地发酵成为乙醇的过程中，可采用一种能选择渗透醇的膜进行全蒸发处理，从流体培养基中去除醇，而培养基则可以再循环使用。6.3超滤膜技术研究的方向超滤技术具有无相变、能耗低、设备简单、占地面积少等优点，适用于多种水处理过程，随着制膜工艺、膜材料、系统设计、运行维护和膜污染控制等技术的不断提高，超滤技术在水处理领域必将得到更加广泛的应用。我国的超滤技术在水处理方面的研究起步较晚，为了尽快实现超滤在水处理领域的广泛应用，今后超滤技术的应用研究主要在以下几方面展开：（1）新型抗污染、价格便宜、低能耗、使用寿命长的超滤膜组件的开发，其目的是提高超滤性能，降低超滤工艺的投资和运行成本。（2）加强超滤组合工艺的研究特别是膜前预处理技术的研究，以进一步提高超滤出水水质，减轻膜污染。（3）膜污染机理和膜的防治技术的研究，解决膜污染的方法。7.结束语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。第8页\n【参考文献】[1]毕学军，李玮，刘可.平板超滤膜在微污染水源水处理中的应用研究[J].中国给水排水,2011,(1):41-44.[2]邵坚，薛科，彭君明，等.高密度沉淀池—超滤组合工艺对黄河微污染水源的处理效果[J].华北水利水电学院学报,2011,(1):132-135.[3]李阳阳，霍亚欣.超滤在处理微污染水中的应用[J].江苏科技信息,2013年8月:76.[4]李小云，黄晓菊.超滤技术的应用和发展研究[J].北方环境,201224(1):71.[5]房燕.超滤膜在现代净水厂的应用[J].工业技术,2012,(5):97.[6]黄游，柴续斌，黄臣勇.超滤技术在水处理领域的研究发展[J].化学工程与装备,2013,(3):101;114.[7]侍伟.浅谈环保工程水处理过程中的超滤膜技术应用[J].科技创业家,2013年12月(上):119.[8]李海鹏，丁惠，王海峰，等.水处理中超滤膜污染研究进展[J].工业水处理,2012,32(11):6.[9]徐跃卫，董一华.超滤技术及其在水处理中的应用[J].山西建筑,2012,38(21):143-144.[10]张扬，郑德瑞，王立鹏.超滤技术在微污染水源水污染处理中的研究与应用[J].能源与环境,2013,(1):86-87.[11]李春宏.现有水厂改造中超滤工艺的研究应用[J].科技创业家,2013年9月(上):131.[12]柴克鹏.超滤技术在生活污水处理回用系统中的应用[J].四川建材,2013,39(2):98.第9页