超濾水處理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

鄭得鳴 苗 圣 肖 悅

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 湖北武漢 430010）

引言

超濾技術(shù)是一種利用薄膜進(jìn)行物質(zhì)分離的技術(shù)，第一張超濾薄膜在19世紀(jì)六十年代就生產(chǎn)出來(lái)了，從1970年開(kāi)始，超濾技術(shù)就逐漸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用之后，各類(lèi)研制超濾薄膜的公司和生產(chǎn)超濾薄膜的企業(yè)如雨后春筍一般大量涌現(xiàn)，具有多重功能的超濾薄膜也研制成功并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。如今，超濾技術(shù)已經(jīng)在食品行業(yè)、醫(yī)藥領(lǐng)域、污水處理企業(yè)中實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。

1 超濾在水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展

國(guó)外學(xué)者將某公司研發(fā)的超濾薄膜用于海水的預(yù)處理過(guò)程中，將地中海和紅海的海水作為研究對(duì)象，設(shè)置超濾膜的進(jìn)水流量為每小時(shí)100升，對(duì)超濾薄膜處理后的海水進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)水質(zhì)符合反滲透的進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)，這表明超濾工藝能夠滿足海水預(yù)處理工藝要求。進(jìn)一步的分析研究表明，經(jīng)過(guò)超濾處理的地中海和紅海海水作為預(yù)處理水樣時(shí)能夠保持進(jìn)水流量的穩(wěn)定性，膜組件的清洗工作量被大大降低。

某課題組以新加坡的海水作為研究對(duì)象進(jìn)行超濾技術(shù)研究，對(duì)比了傳統(tǒng)過(guò)濾方法、超濾和微濾結(jié)合法、超濾方法以及微濾方法過(guò)濾后的水體質(zhì)量。傳統(tǒng)過(guò)濾法是采用固體過(guò)濾介質(zhì)對(duì)海水進(jìn)行過(guò)濾，超濾和微濾的區(qū)別在于薄膜孔徑不一樣，超濾膜孔徑為微濾膜孔徑的十分之一。結(jié)果顯示當(dāng)采用傳統(tǒng)過(guò)濾介質(zhì)進(jìn)行海水過(guò)濾時(shí)所獲得的水體質(zhì)量最差，并且過(guò)濾所得到的海水水體質(zhì)量水平上下浮動(dòng)較大。而超濾膜和微濾膜作為過(guò)濾介質(zhì)時(shí)所獲得的水體質(zhì)量?jī)?yōu)異，以水質(zhì)SDI為衡量標(biāo)準(zhǔn)，均低于2.5，表明水體質(zhì)量較好。除此之外，超濾膜和微濾膜在過(guò)濾總懸浮固體和膠體硅方面成效顯著，是其他過(guò)濾工藝無(wú)法比擬的。

2 超濾系統(tǒng)組成

超濾系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分，分別是進(jìn)料液的預(yù)處理系統(tǒng)、水泵系統(tǒng)、超濾薄膜組件以及超濾的后處理系統(tǒng)。

超濾系統(tǒng)的預(yù)處理指在進(jìn)料前對(duì)水進(jìn)行預(yù)先過(guò)濾，以去除有害雜質(zhì)，包括懸浮物質(zhì)和膠體物質(zhì)等，以使預(yù)處理后的水質(zhì)滿足超濾工藝進(jìn)水要求。水泵系統(tǒng)能夠?qū)㈩A(yù)處理后的水泵送至薄膜組件一端，能夠?yàn)槌瑸V過(guò)程提供推動(dòng)力。由于超濾過(guò)程無(wú)需太大的泵送壓力，因此采用離心泵即可達(dá)到要求。超濾薄膜是超濾系統(tǒng)的核心組件，在選擇超濾薄膜時(shí)應(yīng)該著重考慮溶劑和溶劑中的小分子物質(zhì)透過(guò)速率、超濾薄膜的機(jī)械強(qiáng)度以及截留性能。后處理系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能是截留液的回收操作和超濾薄膜的清洗，以便于下一次使用。

3 超濾水處理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路分析

超濾系統(tǒng)和其他水處理系統(tǒng)一樣，都有多種工藝可以選擇，在實(shí)際過(guò)濾處理過(guò)程中，對(duì)其過(guò)濾工藝進(jìn)行研究和改善最終能夠得到一套合理的設(shè)計(jì)方案。通常的設(shè)計(jì)思路都是以單位時(shí)間內(nèi)所過(guò)濾的水量以及過(guò)濾后的水體質(zhì)量為設(shè)計(jì)目標(biāo)。在這種設(shè)計(jì)思路下，只要考慮過(guò)濾后水流量大小以及水質(zhì)是否符合規(guī)定要求即可。這種設(shè)計(jì)思路對(duì)于超濾的工藝流程制定和工藝參數(shù)選取僅僅是滿足其可行性原則，并沒(méi)有進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

鑒于上述分析，對(duì)超濾工藝流程和工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以增加產(chǎn)水量、提高水質(zhì)、減少成本，對(duì)超濾企業(yè)來(lái)講非常重要。對(duì)超濾工藝流程和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化最好的方法是數(shù)學(xué)規(guī)劃法，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，通過(guò)計(jì)算結(jié)果來(lái)衡量超濾工藝的優(yōu)劣，再將工藝流程中的參數(shù)量化，改變參數(shù)以計(jì)算出最優(yōu)的結(jié)果。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象

上文已經(jīng)闡述了超濾系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，不難看出超濾薄膜是超濾系統(tǒng)中最核心的組件。隨著超濾過(guò)程的進(jìn)行，超濾薄膜的通量會(huì)因?yàn)殡s質(zhì)的污染而出現(xiàn)明顯下降，膜性也會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)膜組件的清洗又會(huì)使膜組件發(fā)生損耗現(xiàn)象。因此需要對(duì)超濾系統(tǒng)進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)，對(duì)膜組件流程結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以得到一個(gè)高效運(yùn)行的超濾系統(tǒng)。

3.3 關(guān)鍵問(wèn)題

膜組件的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是很重要的，若某一段時(shí)間內(nèi)通過(guò)超濾膜的流量過(guò)大，則會(huì)使壓力損失增大，若某一段時(shí)間內(nèi)通過(guò)超濾膜的流量過(guò)小，又易發(fā)生濃差極化現(xiàn)象。另外，膜組件被污染后，若清洗和更換時(shí)機(jī)選擇不當(dāng)，也易損壞膜組件，導(dǎo)致需要更換膜組件，使系統(tǒng)的投資費(fèi)用增加。因此，系統(tǒng)的合理操作也是十分重要的。

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)超濾在水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展做了闡述，超濾系統(tǒng)組成進(jìn)行了介紹，提出了超濾水處理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。