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一、亚里士多德中空超滤膜组件应用基础

超滤膜分类及分离过程介绍

超滤膜，是一种孔径规格一致，额定孔径范围为0.001-0.02微米的微孔过滤膜。在膜的一侧施以适当压力，就能筛出小于孔径的溶质分子，以分离分子量大于500道尔顿、粒径大于2～20纳米的颗粒。超滤膜是最早开发的高分子分离膜之一，

以压力差为推动力的膜过滤可区分为超滤膜过滤、微孔膜过滤和逆渗透膜过滤三类。它们的区分是根据膜层所能截留的最小粒子尺寸或分子量大小。以膜的额定孔径范围作为区分标准时，则微孔膜(MF)的额定孔径范围为0.02～10μm；超滤膜(UF)为0.001～0.02μm；逆渗透膜(RO)为0.0001～0.001μm。

超滤膜最适于处理溶液中溶质的分离和增浓，或采用其他分离技术所难以完成的胶状悬浮液的分离。超滤膜的制膜技术，即获得预期尺寸和窄分布微孔的技术是极其重要的。孔的控制因素较多，如根据制膜时溶液的种类和浓度、蒸发及凝聚条件等不同可得到不同孔径及孔径分布的超滤膜。

超滤膜一般为高分子分离膜，用作超滤膜的高分子材料主要有纤维素衍生物、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺及聚碳酸酯等。

亚里士多德超滤膜采用改性聚醚砜制成的中空纤维膜。

超滤工作流程

亚里士多德中空纤维超滤膜可按死端过滤(dead-end)或循环(crossing)方式使用。

当原水中悬浮物和胶体含量较低时可按死端过滤模式来操作。原水从较低的错流流速进入膜管，浓缩水以一定比例从膜管另一头排出。产水在膜管过滤液侧产出，水回收率通常是90－99％，这由原水中微粒的浓度来决定。

循环或死端过滤流程的选择是根据水质，纤维内径，和系统成本核算来决定。和循环模式相比，死端过滤的系统投资和操作成本低，但回收率和系统的出水能力可能会受限制。这类模式生产中通常需要定时快冲及反洗来维持生产力，当污物积累到一定程度未能由这两种方法清楚时就需要定期化学清洗来恢复。很多工业水系统按死端过滤模式设计。

当原水中悬浮物含量较高及在大多数非水应用领域，就需要通过减少回流率来保持纤维内部的高流率。这样就会造成大量的废水。为了避免浪费，排出的浓水就会被重新加压后回到膜管内，这就称为循环（输入并循环）模式。这会降低膜管的回收率但整个系统的回收率仍旧可以很高。在循环流程模式，进水连续的在膜表面循环。循环水的高流速阻止了微粒在膜表面的堆积，并增强了透水率。因为较少的进水成为产水，为了获得相同的产率能耗就会比死端过滤高。而且输入并循环操作模式也较为复杂，此类模式操作中通常也需要定时的反洗和定期的化学清洗。循环设计时每套系统需要配一套循环泵。

系统回收率

超滤系统的回收率和原水和排水成比例，回收率可定义为：

％回收率＝产水×100/进水

总的来说，大多水应用的回收率高于90％，可高于99％甚至更高。回收率由原水中的悬浮物，胶体或微生物来决定。

在正常的过虑过程中回收率会随着膜的污化而下降。因为较少的水透过膜而更多的水被排放。为了获得最大的回收率，就需要定期的膜清洗和或反洗等。

在大多应用中，浓水一般被排放，因为浓水和原水及产水相比量很小。在一些水的排放受限制的应用中，浓水可能用另外一套膜系统来再处理，这个第二套系统一般设计为处理较高截留物浓度的水质。

超滤清洗程序

清洗是几种清洗模式并包括至少一次加药的组合。通常包括反洗，快冲及化学清洗。这些步骤的组合由应用情况的不同来决定。在预处理的应用上有最大的不确定性。

1)反洗程序

这是中空超滤所特有的非常有效的手段。其它型式的膜在反洗时会脱层或分解。在此程序中加压的透过液从产水口透过膜层，从原水进口排，水流方向与生产时相反，所以称之为反洗。上下水口可交错排液。超滤产水可用于反洗。由原水作为反洗水时，会带进的悬浮物将会聚集在支撑层内而随后不断释放出颗粒，细菌及TOC等，故原水不适合作反洗水。

另一个重要的参数是压降。在此程序中，工作压力不应超过1.0bar。在此压力下，反洗通量由开始时较低而随着膜的清洁而慢慢升高。反洗通量一般和产水通量相同或较高。

2)化学循环清洗/快冲程序

第二种清洗方法是快冲。这应用于死端过滤的操作模式中。此过程是通过膜表面的高流体剪力来达到清洗的目的。由于此过程中产水口是关闭的故一般的膜芯会同时有反洗的效果（进出口水压差造成）。交错方向的快冲会使清洗更为有效。

同时，快冲过程可加药来强化清洗的物理机能。不像反洗，由于快冲液体接触膜的时间较长，加药是一种很好的方法，当化学清洗时液体打回清洗槽而循环时，此方式称为化学循环清洗。所加的药剂将由污物的种类来决定。总的来说，药剂与污物接触时间越长，清洗效果就越好。

二、亚里士多德中空超滤膜组件的优势

超滤作为前处理的优势

1)中空纤维超滤和微滤相比的优势

工业废水中的主要污染物为各种复杂的胶体，大小在1微米以下，这与常用的微滤膜的孔径接近，并且微滤膜又是对称膜，这就使微滤膜在废水的应用中比超滤膜更易堵塞。即使通过絮凝等预处理微滤膜的对称结构还是无法克服易堵的问题。超滤比微滤更有以下优势：

l更高的平均通量

l长时间的更稳定的通量

l更少的高和低通量峰值

l更易于控制

l不对称膜意味更少的膜堵塞

l更好的水质－UF截留了更多胶体，细菌，病毒和更小的微粒

l无海绵层淤积微粒

l更易反冲

l更易冲洗

中空纤维超滤和卷式滤膜相比的优势

由于卷式膜的格网结构及其他自身特点，与中空纤维相比有以下缺点而不适合作RO的预处理用：

l中空纤维易清洗--卷式难以清洗

l中空纤维是开放通道--卷式进料腔淤积微粒无法清除，格网结构造成液流死点

l中空纤维允许高的水通量--卷式高透水阻导致较低的膜通量；卷式高操作压力导致滤膜易损坏

l中空纤维易于彻底检查--卷式不易作泄漏检查

2)中空纤维内压式操作的优点

l内压式：进料中的微粒通过空心纤维开放通道，无死角，不易堵塞，易清洗。

l外压式：纤维间死角导致堵塞，不易清洗，且通量低

三、亚里士多德中空超滤膜组件工业应用介绍

中空超滤膜应用

广泛用于如医药工业的浓缩和分离；食品工业浓缩、分离及除菌；环境工程的膜生物反应器、处理水的深度处理；去离子水生产的各段保护性过滤等。

1)反渗透预处理，原水包括自来水、海水、地表水、井水等

2)地表水供应工业用水的处理

3)高浓度有机废水的处理

4)造纸废水的超滤处理回用

5)工业中水回用

6)酒类、果汁的除浊、除菌、去杂

7)发酵液的分离提纯浓缩过程

8)含油废水的处理

9)高分子物质的浓缩

超滤膜组采用先进技术生产的高度不对称的网络孔结构聚醚砜中空纤维膜，具有高度网络化的海绵状孔结构，支撑着起分离作用的内皮层和外皮层，使之具有优异的性能：

1)高度亲水性材料，保障高的水透过率。

2)高度不对称的孔结构，内皮层孔径比外皮层孔径至少小一个数量级，保障膜良好的抗污染性，易于清洗。

3)先进工艺造就高度完整性的分离层，保障分离的高度可靠性和高的分子截留精度。

4)高度网络化的海绵状孔结构不易出现泄露，符合医药、卫生及食品工业的使用要求。

5)高性能的材料与结构，使其能承受较高的操作压力和操作温度，具有较宽的pH值耐受范围。

6)适应不同的操作场合。

超滤在系统中的使用位置

超滤系统可被置于整个水处理系统的不同位置，主要应用可分为四大类：

1)前处理

前处理的应用中，超滤前可加絮凝，沙滤，多介质过滤或滤芯。任何在超滤系统前去除的物质将增加超滤的生产率。超滤用于去除原水中所有的固物和胶体以改善后面设备的运行。这通常使滤膜需要较频繁的清洗。成本回收计算需建立在系统后设备减少的维护上，而这个值较难衡量。但数据显示超滤减少去离子床的再生和反渗透膜元件的更换。清洗和生产中的交错流很重要。有时系统需要用循环模式保持高流速来减少污染。

2)离子交换设备后

让超滤发挥去除胶体和固形物的作用的另一方式是把它放在离子交换后面，为了设备良好运行离子交换前需预处理，并且它也被当作填料滤器而去除有机物。所有这些都改善了进超滤的水质并减少了超滤的污染，系统不必像前处理那样频繁清洗。通常这类系统按正常生产模式来生产和处理。反流/快冲不需要。当有机物水平较高时就需要这类选择。通常选用10万切割分子量，对低TOC的锅炉给水或类似去离子系统，应选用1万切割分子量。如用户用于去热原体，那么也应选用1万切割分子量。

3)反渗透/离子交换后

如超滤放在反渗透和混床后，透水率就会较高，清洗频率也会比前两种应用低。这类系统化学清洗频率较低，通常当系统压力降到一个不能接受的范围或产水中发现菌类时才需要清洗。快冲清洗必须包括。但系统设计中在是否需要包含反清洗有很多争论。

当所有设备（包括储罐，泵，混床反渗透系统等）超滤前的系统操作良好，反洗就可被省去。但将近15％－20％操作中的系统在省去这一步骤后出现的问题。供应商所保证的产能将会由于前面设备的缺陷如反渗透系统的问题而未能达到。我们建议使用1万切割分子量于这类应用，但这类系统不允许化学消毒时。

4)使用点

超滤系统也可放在使用点（POU）。此应用仅限于电子及医药行业。这些系统不太复杂，一般不连续操作，在工厂内可安装多处。每套配上独立的清洗系统不经济，通常共享一套可移动的清洗系统，或把膜管移到其他地方清洗。前者的优点是连接不用打开从而避免可能的空气中微粒或菌类的污染。但如超滤是用于净室那么移动清洗装置就不可行，因为这可能对净室带来污物。如在其他地方清洗，膜管中可加入杀菌剂并在安装时清洗掉。推荐的膜类为1万切割分子量。清洗的频率和安装的地方将决定那种清洗方法更方便。如使用点的超滤位于离子交换后，那么就需要一天一次的快冲和每周一次的化学清洗，而如在反渗透/离子交换后，就只需每周一次的快冲。

四、亚里士多德中空超滤膜系统设计导则

超滤系统设计

将膜组件按一定的形式（一般采用并联）进行连接，配备自动控制、水泵、监控仪表等便组成了超滤系统。建议每个系统的监控参数包含：

1）、进水温度

2）、进水浊度

3）、进水压力

4）、产水浊度

5）、产水流量

6）、产水压力

7）、浓水流量（有浓水时）

8）、反洗压力

9）、反洗流量

10）、化学清洗液流量

11）、化学清洗液pH值

12）、化学清洗液温度

对于饮用水处理的系统应配备完整性自动检测系统。

模块设计

在进行系统设计时，为了制作、安装的规范和标准化，往往采用模块设计的方法。

将一定数量的膜组件并联成一个整体，便可成为模块，此模块与单个组件在正常过滤、反洗、化学清洗和完整性等方面的性能一致，模块的产水量＝单支膜组件的产水量×膜组件的数量，此模块还包含了监控仪表、阀门、支架、连接件等，此模块完全可以自成一个系统独立运行，也可多个模块并联起来组成一个更大的系统，此种积木叠加式的连接方法几乎没有放大效应。

每个模块的控制建议包含以下参数

1）、给水压力

2）、产水压力

3）、浓水端压力

4）、产水流量

5）、浓水流量（有浓水的情况下）

对用于饮用水处理的模块还应增加独立的完整性测试系统并增加浊度仪

模块的连接

将模块连接成系统时，要注意以下几点;

1）、每个模块中所使用的膜组件的规格和数量要相同

2）、每个模块能在不影响其他模块正常工作的情况下，可从系统中独立分离出来

3）、每个模块要有自己独立的控制阀门和监测仪表；

4)、每个模块可独立完成化学清洗、反洗和完整性测试

水泵的选择

超滤膜是靠压力差为推动力进行过滤的，当原水的水压不能满足过滤需求时，系统需要增加水泵来提升水压

1)原水泵的选择

根据超滤系统设计中所需要的进水工作压力，跨膜压差和通水流量，来选择泵的扬程和流量。一般选择水泵的扬程和流量应当等于或略大于设计供水量和工作压力，以满足超滤系统的正常运行。

P0=ΔP1+ P2 +H/100+P3

P0：进水需要的压力（MPa）

ΔP1:预过滤的最大压损（MPa）

P2：过滤所需压力（MPa）

P3：与温度和水泵性能参数有关，一般取0.1－0.15Mpa

H:膜组件的平均高度（米）

超滤膜组件的最大进水压力0.25MPa，最大跨膜压差为0.25MPa

2)反洗泵

在对系统进行清洗时，为了尽量维持系统的流量的稳定，必须对膜进行反洗，反洗时按时间顺序分别对每个模块轮流进行，每台泵能匹配模块的数量与设计时的反洗频率和反洗进行的时间有关，例如，每个模块30分钟反洗一次，每次反洗60秒，则一台反洗泵最多可匹配29个模块，但实际运行中一台反洗泵合理的匹配为10个模块以下。

反洗泵的压力最大设置为0.25 MPa,反洗流量为设计产水流量的1.5-2倍。

3)化学清洗泵

化学清洗泵的的选择与反洗泵类似，但要注意泵体的材料要能耐化学试剂的溶解和腐蚀。

减压阀

当原水水压大于系统设计水压时，要对原水进行减压。一般采用可减静压的减压阀来实现，减压阀减压的精度视超滤系统而定。另根据原水的水质选择适合材质的减压阀，一般可选的材质为铜、不锈钢、铁、塑胶。

预处理

1)预过滤

由于超滤膜的内孔直径为1.1mm，为了防止膜内孔的堵塞，往往需要根据水质的情况进行预过滤，一般采用1-50μm的过滤器来处理进水，推荐使用叠片式过滤器来进行预处理，叠片式过滤器有手动和自动两种，30吨以上设备建议采用全自动的叠片式过滤器。

2)预加药

对于原水为海水或废水，污染较严重的地表水，采用对原水连续加药絮凝，能改善超滤系统的运行状态，使膜易于清洗。例如：原水为海水时，可连续投加0.5ppm的FeCl3。

对于原水中含藻类和有机物较严重的水体，建议在进水中连续投加1－2ppm的余氯，这样有利于膜通量的稳定。

3)物理清洗和化学清洗系统

清洗系统主要由配药箱、净水箱、循环泵组成，采用气水混合清洗的还包括空压机，一般物理清洗分为等压冲洗和反冲洗。等压冲洗时是关闭产水阀，全开浓水阀，使原水以快于正常工作状态时的流速冲刷膜内表面，去除污垢。反冲洗是关闭原水阀采用循环泵，将净水箱中的水从产水口打入膜组件。使净水按正常过滤的反方向透过膜，冲刷掉膜表面的污染物，并使其从浓水口排出，反冲洗后，马上进行等压冲洗。能更有效地将被截留的污染物排出，为了加强清洗效果，顺冲时，可采用气水混合液进行冲洗。化学清洗系统是用循环泵将配药箱内的清洗液送入超滤系统，进行循环清洗和浸泡，靠化学药品的作用去除膜表面的污垢。以恢复膜的产水能力，维持设计流量要求。

4)消毒灭菌系统

超滤的消毒灭菌系统所用设备和操作程序与化学清洗系统相同，仅需要将清洗液换成灭菌液即可，一般使用的灭菌剂为15ppm次氯酸钠或30ppm的过氧化氢。