超濾膜技術在21世紀水處理領域的展望
摘要：本文介紹了半死端超濾膜技術的典型設備，和運行工藝及其優化。并且介紹了在世界范圍內此項技術在地下水，地表水，等常規水源處理，以及海水和污水回用等非常規水源方面的應用。
在20世紀的最后10年，世界范圍內水處理設施的擁有者開始出現了轉變。（可飲用）供水開始逐漸由大規模的，政府控制運營的方式轉變為私人擁有的，多個國家共同參與的事業，并且也被視為本世紀的下一個商業機會。由此，出現了對新的水處理技術以及降低水處理成本的需求。此種需求必然導致膜技術的興起。從60年代開始，膜技術最早起源于海水淡化的反滲透膜。而后膜技術得到了非常迅速的發展，并且被廣泛應用于越來越多的領域。既脫鹽反滲透后，一系列更疏松的滲透膜被開發出來，包括從納濾（疏松反滲透），到超濾（去除細菌和病毒），到微濾（去除懸浮固體）。并且任何一種應用都有其獨特的，可以特殊設計的膜來滿足要求。在早期大部分膜過濾采用錯流過濾的形式，即液體沿與膜面水平的方向流動，這樣的過濾形式可以防止“膜垢”的產生，但卻僅有一小部分的液體真正能夠過濾出來。因此這種過濾形式導致非常高的能耗，從而阻礙了膜在大規模水處理設施上的應用。
1.綜述
于水處理，尤其是大規模的水處理設施，能耗已經成為一個非常明顯的重要指標。如果膜技術要成為大規模的水處理設施的主要技術之一，就一定要降低能耗。因此，許多膜制造商開始開發低能耗的膜過濾系統，即所謂的死端過濾或半死端過濾。
此系統的工作原理類似咖啡過濾機，水中的固體懸浮物沉降在膜的表面。這部分固體通常被成為“污垢”，只要水中含有固體懸浮物，就必然會有“污垢”產生。為保證膜的產水量保持不變，膜過濾壓力必然不斷增加，因此運行一段時間后需要從與過濾相反的方向對膜進行清洗，因此有時我們也稱為“半死端過濾”。沉積在膜表面的固體被清洗排出，從而膜又恢復了最初設計的性能。雖然反沖洗能夠去除系統中大部分的膜污染，但有時仍然需要更有效的辦法對膜進行徹底清洗。因為許多物質黏附在膜表面，僅通過機械力無法將其去除。這部分物質通常為有機物或微生物有機物，經過較長時間的運行，這部分物質會堵塞膜孔。膜的堵塞問題應該被稱為“污垢”，它是運行過程不希望發生的情況。堵塞物可以溶解（對于一些小分子有機物）并通過膜，如果其對膜表面的黏附不是非常強的情況下；或者被膜截留，對于一些微生物有機物，當它們附著在膜表面后，還會進一步繁殖。這種膜污染的主要通過化學清洗去除，也是一種可逆污染。膜污染真正的問題是那些無法去除的不可逆的污染。
2.半死端超濾技術
近幾年發展的發展的半死端過濾技術是XIGATM的核心技術，它是根據8寸半死端過濾超濾膜組件發展起來的。XIGATM的核心技術采用8寸壓力容器，這是通常反滲透的標準設計。在每個壓力容器中，可以放入多個膜組件。每個膜組件為1.5米長，毛細管式膜，膜絲內徑0.8或1.5mm，每個膜組的膜面積為22或35m2。膜過濾的過程分為過濾、反洗、和化學加強反洗三個步驟。
成功應用半死端過濾技術的關鍵，是將過濾、反洗、化學加強反洗三個過程合理設計，從而使最終用戶獲得最低的運行費用。因此沒有必要將單位膜面積的出水率總是保持在盡可能大的水平上。因為反沖洗不必加入任何化學藥劑，并且進行時間很短（通常為20～60秒）因此反沖洗的費用遠遠低于化學加強反洗，我們認為反沖洗是去除膜表面沉積污垢的首選方法。
為了更清楚的解釋這個問題，下圖表示系統運行過程中膜兩端壓力的變化。圖中A段表示過濾過程，B段表示反洗過程，C短表示化學加強反洗過程（CEB）。
A過程進行中，對于特定的水質，需要保證的關鍵指標是膜通量和膜過濾壓力。因此若降低反洗和化學加強反洗的頻率，就將影響膜的通量。同時就將使系統的投資增加。另外一個方法是改善入水的水質，通過加藥或進行化學預處理。這同樣要增加投資和運行費用，因此通常要根據實際在這兩種辦法中進行權衡。
對于B過程，膜過濾壓降取決于膜表面垢層的厚度，和反洗時的機械壓力。反洗應盡可能充分，保證能夠被反洗掉的污垢充分去除，這是推遲化學加強反洗的頻率的一種有效方法。另外這個過程中也存在反洗的機械壓力（如反洗水的流量）和改變垢層厚度（加入預處理）這兩種方案之間的權衡的問題。
C過程，化學加強反洗（CEB），僅在進行了反沖洗后膜兩端的過濾壓降仍然達到了預定值后，或者在預先設定的較長的反洗次數以后。所使用的化學清洗劑是一些常規化學藥劑的混合物，包括次氯酸鈉、雙氧水、次氯酸等，可以非常地容易的處理掉污垢層。
3.超濾技術在水處理領域中的應用
雖然超濾可以有很多的應用領域，但大規模的水處理通常集中在以下方面：
飲用水供水終端
地表水處理
海水處理
流體的回用
(1)飲用水處理
由于對飲用水的質量要求越來越嚴格，水處理公司投入越來越大的精力來控制供水管網中存在的微生物的量。為了做到這一點，因此一種方法是進行昂貴、頻繁的水質檢驗，或者在供水終端設置防止細菌和病毒進入的屏障。
采用UF系統，可以非常方便的建成這樣的屏障。超濾膜對細菌的去除率可以達到6log，對于病毒的去除率達到4log，因此水廠和用水者都不必在擔心細菌和病毒的問題。由于飲用水的質量本身就很高（濁度和懸浮固體都非常低），因此此時的膜系統可以可以采用很高的膜通量，可以達到135升/平米.小時。同時較高的入水條件，因此反沖頻率和化學加強反洗的頻率都可以非常低，產水量可以達到99％。如果需要還可以設立二級超濾系統，將第一級的反洗水進一步回用。
(2)地表水處理
UF系統非常多的應用在地表水處理上，處理后的水用于灌溉或作為反滲透的入水，來制備工業用水。
在荷蘭，出現了越來越多的這類工廠。這種技術提供了一種新型的工業用水的方式，即不必在購買越來越貴的飲用水，而是就近取用地表水處理后使用。
(3)海水淡化
中東地區是水資源缺乏最嚴重的地方。為了解決這個問題，最早人們通常采用蒸餾技術。從十九世紀60年代，膜技術被用于解決這些國家的缺水問題。但是，許多反滲透海水淡化系統面臨著膜污染嚴重的問題。主要因為反滲透系統的傳統的預處理方法無法提供可靠的入水水質。因此絕大多數淡化工廠，在遠遠低于其設計出水量的情況下工作，甚至有些工廠的出水量達不到最初設計的30％。
小型淡化裝置的研究非常清楚的表明，超濾系統可以非常有把握的控制海水的水質，為反滲透系統提供高質量的入水。長期試驗也表明，超濾系統的出水SDI值可以非常好的控制在2以下。這些測試在超濾系統前不必用任何預處理，并且適用各種海水水質。
(4)污水回用
西方國家費了很大的精力處理廢水，處理后確僅僅是將其通過排水管網排到地表水源中，這種作為非常不合理。再一次，超濾因為其價格方面的優勢為污水的回用提供了一種有吸引力的解決辦法。
其實，從城市污水處理廠和工廠中排出的廢水，是作為工業用水，甚至是飲用水的一種非常好的水資源。這在技術上是完全可以實現的，但西方用戶確非常難以相信這種做法。與其說這是技術上的難題，不如說是一個心理的難題。但是，目前在納米比亞的Windhoek，已經在建設一個850噸/小時的水廠，就是采用膜技術將污水處理廠的出水回用為飲用水。
4.結論
半死端超濾是一種絲毫不必懷疑的技術。它具有廣泛的應用，有些用于小型的項目，但另外一些，象我們上面提到的一些項目規模很大，甚至非常大。這種技術關系到人類必須面臨的一個問題，如果世界仍然按目前的速度發展的話。即可飲用水資源，它是每個人的生活的一個重要部分。發展一種技術保持飲用水資源，是維持人類生活的唯一辦法，也是保證下個世紀水不會像油一樣的唯一方法。
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