超濾膜在中水回用中的應(yīng)用

段小冰,許國峰

（北京首鋼股份有限公司,河北遷安 064404）

前言

我國是一個(gè)水資源短缺的國家，近年來，隨著以反滲透技術(shù)為核心的膜分離水處理技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢得到了快速發(fā)展，特別是在冶金、電力等高耗能行業(yè)，膜技術(shù)在污水處理及中水回用作為一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)[1]，得到了全面的推廣應(yīng)用。反滲透膜在中水回用中有許多優(yōu)點(diǎn)，但也有其缺點(diǎn)和不足，如果反滲透預(yù)處理系統(tǒng)出水達(dá)不到其進(jìn)水要求，會造成反滲透膜在短時(shí)間內(nèi)受到污染或損傷，導(dǎo)致反滲透膜的性能快速下降，破壞反滲透系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。因此，為了保證反滲透系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低經(jīng)濟(jì)上的損失，需要對反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水進(jìn)行有效的預(yù)處理?；炷恋怼⑸盀V、活性炭過濾、離子交換樹脂軟化以及精密保安過濾等工藝，是上世紀(jì)90 年代國內(nèi)外普遍采用的反滲透系統(tǒng)預(yù)處理工藝[2]。隨著超濾膜技術(shù)的發(fā)展，以超濾為核心的新型預(yù)處理工藝被作為反滲透系統(tǒng)的預(yù)處理工藝廣泛應(yīng)用到水處理領(lǐng)域中。

1 超濾膜工藝技術(shù)

超濾膜技術(shù)是一種優(yōu)于傳統(tǒng)過濾技術(shù)的過濾方式，超濾膜在外界壓力的推動(dòng)下，溶液中的溶劑和部分小分子量的溶質(zhì)從膜的一側(cè)透過到另一側(cè)，而大分子物質(zhì)、膠體、細(xì)菌、病毒等雜質(zhì)被截留下來，實(shí)現(xiàn)溶液中固液分離的一個(gè)過程，是一種純物理的水處理方法。當(dāng)前在全球應(yīng)用于大型水處理的超濾膜分離孔徑范圍為0.2 微米至10 萬道爾頓，超濾膜能有效截留水中的高分子物質(zhì)、懸浮物、膠體、顆粒、有機(jī)物、細(xì)菌、病毒等雜質(zhì)，不產(chǎn)生任何副產(chǎn)物，可有效降低水中濁度、COD 和SDI 等水質(zhì)指標(biāo)。超濾膜對膠體、細(xì)菌、微生物和各種有機(jī)物具有較好的去除效果，但幾乎不能截留各種無機(jī)離子。

目前，市場上生產(chǎn)超濾膜的主要材質(zhì)有聚砜（PS）、聚醚砜（PES）、聚氯乙烯（PVC）、聚偏氟乙烯（PVDF）等，但從材料性能來看，PVDF 是目前全球公認(rèn)的最好的材質(zhì)，其抗化學(xué)氧化能力、機(jī)械強(qiáng)度以及拉伸力均明顯優(yōu)于其他材質(zhì)。

膜的過濾方式?jīng)Q定了膜組件的結(jié)構(gòu)形式，超濾膜可分為浸沒式和壓力式，壓力式又分為外壓式和內(nèi)壓式。浸沒式超濾膜具有占地面積小，對原水水質(zhì)要求低的特點(diǎn)，但最大的缺點(diǎn)是通量小，投資成本高。外壓式超濾膜具有膜外表面積大，單位膜面積的污染負(fù)荷低，可以通過空氣擦洗對膜表面污染物進(jìn)行物理沖洗等特點(diǎn)。內(nèi)壓式超濾膜優(yōu)點(diǎn)是膜面線速度快，污染物由于錯(cuò)流效果不易向膜表面附著；缺點(diǎn)是膜面積小，單位膜面積的污染負(fù)荷高，流道堵塞可能性大，反洗流量大，能耗高。

2 超濾膜的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 超濾膜的優(yōu)點(diǎn)

⑴超濾膜因其本身特性，膜分離孔徑一定，利用物理方法實(shí)現(xiàn)水的過濾，與傳統(tǒng)的混凝過濾工藝相比，產(chǎn)水水質(zhì)好，產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定。同時(shí)，超濾膜在運(yùn)行過程中不需要加入任何化學(xué)藥劑，只有在清洗過程中使用少量的化學(xué)藥劑，減少了水體的二次污染，從經(jīng)濟(jì)角度和環(huán)保角度都優(yōu)于傳統(tǒng)工藝。

⑵超濾膜的材質(zhì)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，耐酸堿性，抗氧化能力強(qiáng)，在水處理過程中有利于殺菌消毒，可以大大提高水中膠體、細(xì)菌的去除率。

⑶當(dāng)前絕大多數(shù)超濾膜采用單皮層不對稱結(jié)構(gòu)，國際一流品牌生產(chǎn)商有采用海綿狀均一孔徑的超濾膜，相比較而言，這種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了膜絲的機(jī)械強(qiáng)度，降低了膜絲的斷絲率。據(jù)其官方網(wǎng)站統(tǒng)計(jì)其生產(chǎn)的超濾膜年斷絲率小于千萬分之五。

⑷超濾膜抗污染負(fù)荷能力高，設(shè)計(jì)膜通量大，使用壽命長，能夠有效進(jìn)行各種化學(xué)清洗，長期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本低。

⑸超濾膜運(yùn)行方式簡單，可靠性高，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，做到一鍵啟停，減少工人日常的操作量。

超濾膜以其諸多優(yōu)勢，迅速取代了傳統(tǒng)混凝-沉淀-砂濾工藝，成為反滲透系統(tǒng)預(yù)處理的核心工藝。超濾工藝的引入，為反滲透系統(tǒng)的安全、長周期穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，可以有效提高反滲透系統(tǒng)的膜通量，提高反滲透膜的回收率，提升膜元件的使用效率。

2.2 超濾膜的缺點(diǎn)

⑴超濾膜設(shè)備成本較高，一次性投資較大。因此，在選擇水處理方案時(shí)，首先要了解需處理的水源水質(zhì)情況，對于水質(zhì)復(fù)雜的綜合性廢水應(yīng)當(dāng)采用超濾+反滲透膜的雙膜法工藝。對于水質(zhì)單一，水質(zhì)較好的水源，一般采用超濾膜技術(shù)進(jìn)行處理，降低處理成本。

⑵超濾膜在水處理應(yīng)用中，膜的污染是不可避免的。隨著超濾膜運(yùn)行時(shí)間的增長，膜絲攔截的污染物在不斷增加，膜表面及孔徑會逐漸被堵塞，膜通量不斷下降，膜的進(jìn)水壓力和跨膜壓差在不斷增大。此時(shí)，根據(jù)運(yùn)行情況需要對膜進(jìn)行清洗，清洗包括物理清洗和化學(xué)清洗，化學(xué)清洗需要根據(jù)污染物的類型、污染程度選擇合適的清洗藥劑和清洗方法，通過合理的清洗方案快速恢復(fù)膜的性能，保證正常運(yùn)行。

⑶超濾膜是通過壓力驅(qū)動(dòng)進(jìn)行過濾，所以需要選擇合適的動(dòng)力設(shè)備，這樣無疑就增加了水處理過程中的設(shè)備投資和能源消耗。因此，要根據(jù)超濾膜系統(tǒng)的規(guī)模，選擇最經(jīng)濟(jì)合理的動(dòng)能設(shè)備。

3 超濾膜在中水回用中的應(yīng)用

某鋼鐵公司脫鹽水站負(fù)責(zé)全公司煉鐵、煉鋼、熱軋、冷軋各產(chǎn)線除鹽水的供應(yīng)，其水源為公司綜合性廢水經(jīng)污水處理廠處理后的中水，水量、水質(zhì)波動(dòng)大，隨生產(chǎn)周期和季節(jié)而變化。該脫鹽水站設(shè)計(jì)工藝為超濾+反滲透的雙膜法水處理工藝（工藝流程如圖1）。

圖1 脫鹽水站工藝流程圖

該工程超濾系統(tǒng)主要由自清洗過濾器、超濾供水泵和超濾膜組件組成。超濾膜組件采用了某國際品牌UNA-620A超濾膜，該膜組件為外壓式，材質(zhì)為聚偏氟乙烯（PVDF），精度為0.1 um。該中水回用系統(tǒng)共設(shè)置了6 套超濾，單套超濾系統(tǒng)有96 根膜組件，設(shè)計(jì)進(jìn)水量為280 m3/h，產(chǎn)水量260 m3/h，濃水量為20 m3/h，系統(tǒng)回收率大于90%。

3.1 超濾系統(tǒng)EFM應(yīng)用穩(wěn)定性分析

超濾膜系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的污染是不可避免的，因此，要保證超濾系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運(yùn)行，控制膜系統(tǒng)膜污染至關(guān)重要。解決膜系統(tǒng)膜污染，一方面要做好超濾系統(tǒng)的預(yù)處理系統(tǒng)，同時(shí)，選擇更好的膜通量，可以減少膜組件的污染。另一方面，控制膜組件污染，選擇“維持高膜通量”（EFM）運(yùn)行工藝，在運(yùn)行過程中，可以有效提高膜通量，長時(shí)間保持膜組件的清潔，達(dá)到膜系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

目前，超濾系統(tǒng)采用的常規(guī)運(yùn)行工藝為化學(xué)清洗（CIP），當(dāng)跨膜壓差達(dá)到設(shè)計(jì)值或產(chǎn)水量不足時(shí)，通過CIP 清洗工藝恢復(fù)膜組件的膜通量?；瘜W(xué)清洗（CIP）化學(xué)藥劑成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、清洗時(shí)間長，對于連續(xù)性供水生產(chǎn)單位存在周期性影響。隨著人們對膜系統(tǒng)運(yùn)行工藝認(rèn)知的逐漸提高，部分污染的膜組件比完全污染的膜組件更容易清洗，“維持高膜通量”（EFM）工藝被人們應(yīng)用到超濾系統(tǒng)運(yùn)行中。這種新的工藝可以設(shè)計(jì)為日常操作的自動(dòng)程序，不需要人工干預(yù)，EFM 可以減少化學(xué)藥劑種類，降低化學(xué)藥劑濃度。一個(gè)完整的CIP 需要24 h，甚至更長，而EFM 只需要40 min，甚至更短，減少了單套膜組件系統(tǒng)的停工時(shí)間。采用EFM 工藝人們主要關(guān)注的是重復(fù)清洗是否會影響膜的壽命，PVDF膜組件具有高強(qiáng)度的化學(xué)抵抗力，根據(jù)膜廠家化學(xué)疲勞測試，甚至在高濃度化學(xué)藥劑（5000mg/L Cl）及高溫情況下，PVDF 膜組件依然保持了其機(jī)械強(qiáng)度。從測試和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該膜的化學(xué)抵抗力完全具備EFM 運(yùn)行工藝的應(yīng)用。采用EFM 后可以減緩超濾系統(tǒng)跨膜壓差的增長趨勢，保持超濾系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖2所示。

圖2 超濾系統(tǒng)EFM

3.2 超濾系統(tǒng)跨膜壓差（TMP）分析

該工程超濾系統(tǒng)采用了恒流變頻的運(yùn)行模式，即超濾進(jìn)水量、產(chǎn)水量和濃水量恒定不變，始終保持設(shè)計(jì)值，當(dāng)其中任一水量發(fā)生變化時(shí)，操作人員通過調(diào)整超濾供水泵的變頻器頻率和濃水手動(dòng)閥的開度，使進(jìn)水量、產(chǎn)水量和濃水量恢復(fù)到設(shè)計(jì)值運(yùn)行，超濾系統(tǒng)的跨膜壓差如圖3所示。

圖3 超濾系統(tǒng)跨膜壓差

隨著超濾系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，膜組件的污染物也在不斷累積，超濾系統(tǒng)的跨膜壓差也在不斷增長，當(dāng)跨膜壓差增長至化學(xué)清洗（CIP）的設(shè)計(jì)值或系統(tǒng)水量無法達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，通過化學(xué)清洗（CIP）來恢復(fù)超濾膜的膜通量，降低超濾系統(tǒng)的跨膜壓差，保證系統(tǒng)產(chǎn)水量。從該工程超濾系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，可以看出，超濾系統(tǒng)的運(yùn)行良好，運(yùn)行周期保持較長，表明了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)跨膜壓差基本控制在0.5～1.2 bar 左右，通過化學(xué)清洗（CIP）該系跨膜壓差恢復(fù)較好，但隨著膜組件使用年限的增長，化學(xué)清洗周期也在逐漸縮短，說明該膜組件隨著使用壽命其性能也在逐步衰減。

4 結(jié)論

綜上所述，水是人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)發(fā)展不可或缺的資源，關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，隨著超濾膜生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高和成熟，超濾膜以其操作簡單、耐沖擊負(fù)荷、出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，作為反滲透系統(tǒng)的預(yù)處理單元，被廣泛應(yīng)用于中水回用。因此，對于超膜技術(shù)要不斷的進(jìn)行研究，使其能夠在水處理行業(yè)長期而穩(wěn)定的應(yīng)用，為發(fā)揮水資源做出最大的效用。同時(shí)，超膜在水處理工藝中的廣泛應(yīng)用，既可以取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益，又能夠減少廢水排放，在環(huán)境保護(hù)方面效益也十分顯著，具有廣泛的推廣價(jià)值。