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一、什么是超濾膜
超濾膜是最早開發(fā)的高分子膜之一，是一種額定孔徑范圍為0.001~0.02微米的微孔過濾膜。在膜的一側(cè)施加適當壓力，溶液中的溶劑以及一部分分子量較低的溶質(zhì)從超濾膜的微小孔隙中穿透到膜的另一邊，而分子量較高的溶質(zhì)或一些乳化膠束團被截留，從而達到過濾分離的效果。
在水處理領域，超濾膜技術相對于其他過濾技術來說，過濾雜質(zhì)的效率更高，其過濾精度可達99.99%，能有效去除水中的絕大部分有害物質(zhì)；并且使用很少或不使用化學藥劑，有效避免水質(zhì)受到二次污染，因此處理后的水質(zhì)更好。從操作層面來說，基于超濾膜技術的過濾系統(tǒng)自動化程度高，運行簡單可靠，只有開、關兩種操作。由于超濾膜的材料化學穩(wěn)定性強，抗酸堿腐蝕，耐高溫，因此可以高溫殺菌消毒，適用性很廣。
1、超濾膜技術及特點
超濾膜技術原理
超濾膜技術是一種膜透過分離技術，其濾過能力介于納濾和微濾之間，其工作原理是：
在溶液通過一種半透膜的時候，在壓力的作用下，溶劑和溶質(zhì)中的小分子物質(zhì)可通過濾膜到達膜的另一側(cè)，而溶質(zhì)中的大分子物質(zhì)和膠體則由于無法通過濾膜孔洞而被攔截下來，隨著溶液不斷流過，膜上被攔截的物質(zhì)也越來越多，因此要想實現(xiàn)超濾作用就得對溶劑施加更大的壓力，與此同時在膜的表面形成的物質(zhì)也展現(xiàn)出一定的化學特性，對于一些污染物也具有截留和分解的作用，從而實現(xiàn)水的凈化。
隨著大分子物質(zhì)不斷高集在膜表面濾過的速度不斷降低，出現(xiàn)“濃度極化”的現(xiàn)象，為使超濾能夠持續(xù)有效地進行，實際工作中常使用攪排式超濾裝置來消除”濃度極化”的現(xiàn)象。
超濾膜技術的特點
相對于其他水處理技術而言，超濾膜技術具有很多無可比擬的優(yōu)勢：
第一，超濾膜化學穩(wěn)定性高，可耐高溫、耐酸、耐堿，因此對進水水質(zhì)要求不高，通用性強；
第二，超濾膜技術原理簡單，容易實現(xiàn)自動化運轉(zhuǎn)，節(jié)約勞動力，且操作簡便、易于維護，運行安全穩(wěn)定；
第三，超濾膜技術屬于物理方法，在水處理過程中并不需加任何化學藥劑，因此可有效的防止水體的出現(xiàn)二次污染的情況；
第四，超濾膜技術效率高，處理水量大，尤其是對污染較小的城市飲用水處理，展現(xiàn)出極高的作效率；
超濾膜技術在環(huán)保工程水處理中的應用
城市飲用水凈化
隨看社會的發(fā)展，人們對飲用水安全要求越來越高，但與此同時我國城市用水源地的污染也日益嚴重，直接取水的水質(zhì)越來越無法滿足飲用水的標準，因此必需要對城市飲用水進行凈化。
城市飲用水主要來源于地下水和地面水兩種，兩種水源的污染機理不同，飲用水的來源主要但據(jù)地下水和地面水兩種，兩種水源的污染機理不同，但污染物都主要為無性生物、細菌，真菌、病毒、懸浮物等。
傳統(tǒng)的飲用水凈化方法可實現(xiàn)對微生物和菌類的滅活凈化，以及對微米級懸浮物顆粒的凈化，而超濾膜技術在此基礎上還可實現(xiàn)對納米級顆粒的有效去除，因此出水水質(zhì)更高，對城市居民飲水健康具有重要意義。
海水淡化
不可再生資源，地球上可供人類飲用的淡水資源日益枯竭，水資源短缺已經(jīng)成為當代人類面臨的最緊迫問題之一。海水淡化被認為是解決飲用水危機的有效途徑，目前在世界范圍內(nèi)研究較多的海水談化技術是電滲析技術，雖然電滲析被認為是可以使海水淡化的有效方法，但其運行成本高昂且回收率低，隨著技術的發(fā)展，超濾膜技術開始被用于反透海水淡化中，其優(yōu)異的分離性能和物化性能使得海水淡化的效率進一步提升，同時將耗能大幅降低。
電鍍廢水的處理
電工業(yè)產(chǎn)生的廢水量巨大，而且含有大量的六價鉻、銅、鎳等重金屬，危害性極強，可生化性極低，實際工作中常采用鐵氧化法電解法等等，但鐵氧化法會產(chǎn)生大量的污泥，這些污泥還需進一步處理：電解法雖然可以很好地處理電廢水，但運行成本較高，不適合大范圍推廣。而將超濾購技術和反滲透技術聯(lián)合使用被認為是電廢水處理的有效方法，其利用兩種膜技術能夠使電鍍廢水中大部分的重金屬、有機碳和硝酸鹽被去除，并且超濾膜的使用也降低了滲透膜的污染，提高使用壽命。
含油廢水的處理
含油廢水的主要來源包括原油泄漏、屠宰場廢水以及生活廢水等，其主要成分是浮油、分散油、乳化油和重油等，常用的含油廢水處理裝置是隔油池，但其對乳化油卻無法處理，因此常采用氣浮法進行軸助處理。由于乳化油分子一般較大，因此可采用超濾膜技術使含油廢水在加壓的條件下通過超濾膜，乳化油及其他大分子污染物就會被截留下來，去除效率較高。
城市污水回用
城市污水回用是緩解城市用水壓力的重要措施，將城市生活污水經(jīng)過處理達到回用標準后將其用于城市綠化用水以及城市中水系統(tǒng)。使用超濾膜技術可快速將城市污水處理達標，由于城市污水一股可生化性較好，在實際工作中，為了提高出水水質(zhì)，常將周期循環(huán)活性污泥法（CASS）與超濾膜技術同時使用。在水力作用時間為12小時的條件下，該法COD去除率達到86％以上．氨氮的去除率達到90％以上，出水的pH值范圍為7.25－7.89，達到了城市水回用標準。
食品工業(yè)廢水回收
超濾膜技術除了可以提高出水水質(zhì)外，還能將大量的有用固態(tài)物質(zhì)濃縮回收，最典型的應用就是在食品工業(yè)領域。食品工業(yè)產(chǎn)生的廢水中含有大量的脂肪、蛋白質(zhì)、淀粉、酵母等，這些物質(zhì)如果排放到外界環(huán)境中不但會造成環(huán)境的污染，而且還會造成大量的浪費，因此采用超濾模技術將廢水中的有用成分截留下來，同時水中的BOD和COD等也從水中被分離出來，將分離出的周態(tài)物質(zhì)經(jīng)過提取回收，可為企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟效益。
結(jié)束語
綜上所述，超濾膜技術是環(huán)保工程水處理的一項重要技術，其在城市污水處理和各種工業(yè)廢水處理以及有用物質(zhì)回收等方面都具有極為廣闊的應用前景。目前，超濾膜技術的研究方向一個是發(fā)明更高效的超濾裝置，另一個是根據(jù)進水水質(zhì)特點與其他水處理技術相結(jié)合，提高出水質(zhì)量。
二、超濾的運行方式
1.1.2 錯流過濾
當超濾進水懸浮物、濁度較高時，比如污水或者污水回用處理應用，超濾可按照錯流過濾模式運行。進水進入超濾膜組件，部分透過膜表面成為產(chǎn)水，另一部分則夾帶懸浮物等雜質(zhì)排出膜組件成為濃水，排出的濃水重新加壓后又循環(huán)回到膜組件內(nèi)，保持膜表面較高流速產(chǎn)生的剪切力，把膜表面上截流的懸浮物等雜質(zhì)帶走，從而使超濾膜組件的污染層保持在一個較薄的水平。
1.1.3 濃水排放過濾
當超濾進水懸浮物含量較低時，超濾可按照濃水排放過濾模式來操作。進水進入超濾膜組件，以較低比例的濃水量排出膜組件，通常5-10%的進水量，大部分的進水透過膜表面成為產(chǎn)水產(chǎn)出。
濃水排放過濾和錯流過濾模式操作同樣需要定時水反洗、化學加強反洗以及定期的化學清洗來恢復超濾膜過濾性能。全流過濾模式能耗低、操作壓力低，因而運行成本更低；而錯流過濾模式則能處理懸浮物含量更高的進水。具體模式的選擇需要根據(jù)進水中的懸浮物含量、濁度和COD來確定。
2、超濾膜污染
2.1 超濾膜運行中的檢測
為了檢驗超濾裝置的運行效果和膜發(fā)生污堵的可能性，需要在超濾裝置的運行過程中監(jiān)測一些關鍵性參數(shù)。
2.1.1 濁度：是指水中的泥砂、粉塵、細微有機物、浮游生物等懸浮性物質(zhì)及膠體物質(zhì)等，都會導致水質(zhì)變得渾濁而呈現(xiàn)出的一定程度的渾濁度。通常這些懸浮性物質(zhì)及膠體物質(zhì)也會寄生細菌和病毒等。例如生活飲用水的濁度一般要求不得超過1 NTU，超濾膜的出水濁度一般要求不得超過0.1 NTU。
2.1.2 TSS（總懸浮固體）：是指水樣通過孔徑為0.45μm 的濾膜，截留在濾膜上并于103℃～105℃烘干至恒重的固體物質(zhì)。總懸浮固體是衡量水體水質(zhì)污染程度的重要指標之一，該參數(shù)一般比濁度更加精確（濁度通常無法檢測出極細微的顆粒）。
2.1.3 SDI（淤積密度指數(shù)）：是反滲透水處理系統(tǒng)的重要水質(zhì)指標參數(shù)之一，SDI 值代表了水中顆粒、膠體和其他能阻塞各種水凈化設備的物質(zhì)含量，通常采用該參數(shù)來判斷水中顆粒及膠體等物質(zhì)阻塞各種水凈化設備的可能性（見下圖）。
SDI 的測定是在直徑為47mm 孔徑為0.45μm 的微孔濾膜上連續(xù)加入一定壓力（30PSI，相當于2.1kg/cm）的被測定水樣，記錄濾得500ml 水所需的時間Ti（秒）和連續(xù)過濾15 分鐘(T)后再次濾得500ml 水所需的時間Tf（秒），通過公式計算SDI 值；一般要求反滲透入口（即超濾產(chǎn)水）的SDI數(shù)值不得超過5。
2.1.4 TOC（總有機碳）：該參數(shù)最常用于測定水中的有機物含量，指水體中溶解性和懸浮性有機物含碳的總量，包括天然有機物和合成有機物?？傆袡C碳一般用來評估超濾進水中可能導致膜發(fā)生有機污堵和生物污堵的可能性和趨勢。當超濾膜進水TOC 大于2 mg/L 時，則表示超濾膜表面發(fā)生生物污堵的可能性很高。
2.1.5 DOC（溶解有機碳）：總有機碳（TOC）中能溶解于水的部分，一般指能通過孔徑為0.45微米濾膜、并在分析過程中未蒸發(fā)失去的有機碳。除污水外，大部分自然水體溶解有機碳（DOC）占總有機碳（TOC）的比例約為80~95%。
2.1.6 鐵和錳：鐵和錳的氧化形態(tài)可以被超濾膜系統(tǒng)截留，但同時也會造成膜的污堵。鐵離子一般天然存在（如地下水等）、或由超濾前處理管道或設備的腐蝕產(chǎn)生，或在超濾預處理的混凝澄清設備中投加絮凝劑殘留造成等。
2.1.7 鈣和鎂：水的硬度主要來自鈣離子和鎂離子。根據(jù)硬度的不同可將水分為軟水（以CaCO3 計最高不超過60mg/L）、硬水（以CaCO3 計最高不超過180mg/L）和極硬水（以CaCO3 計超過180mg/L）。硬度對人體健康沒有危害，但水中硬度過高，水處理過程中會導致管道、設備或膜表面結(jié)垢。
2.1.8 電導率：水的電導率與總?cè)芙夤腆w(TDS)呈線性關系，表示水的導電能力。
2.1.9 pH 值：用于表示水的酸堿值的大小。pH 值小于7 為酸性，pH 值大于7 為堿性。純水的pH 值是7為中性。高pH值會導致水有苦味，并容易導致水管和設備結(jié)垢，pH值低的水會腐蝕或溶解金屬和其它設備。
2.1.10 二氧化硅：分為活性二氧化硅（溶解硅）或非活性二氧化硅（膠體硅）。一般情況下膠體硅會加速造成超濾膜的污堵。
2.3 超濾膜污染的種類
2.3.1 膠體污染：膠體主要是存在于地表水中，特別是隨著季節(jié)的變化，水中含有大量的懸浮物如粘土、淤泥等膠體，均存在于水體中，它對超濾膜的危害性極大。因為在過濾過程中，大量膠體微粒隨透過膜的產(chǎn)水流涌至膜表面，被膜截留下來的微粒容易形成凝膠層，更有一部分與膜孔徑大小相當及小于膜孔徑的粒子會滲入膜孔內(nèi)部堵塞流水通道而產(chǎn)生不可逆的變化現(xiàn)象。另外，水中鐵、錳以及在超濾預處理中加入鐵或者鋁系混凝劑形成的膠體，都有可能在膜表面形成凝膠層。
2.3.2 有機物污染：水中的有機物，有的是在水處理過程中人工加入的，如表面活性劑、清潔劑和高分子聚合物絮凝劑等，有的則是天然水中就存在的；這些物質(zhì)也可以吸附于膜表面而損害膜的性能。
2.3.3微生物污染：微生物污染對超濾膜的安全運行也是一個危險因素。一些營養(yǎng)物質(zhì)被膜截留而積聚于膜表面，細菌在這種環(huán)境中迅速繁殖，活的細菌連同其排泄物質(zhì)，形成微生物粘液而緊緊粘附于膜表面，這些粘液與其他沉淀物相結(jié)合，構(gòu)成了一個復雜的覆蓋層，其結(jié)果不但影響到膜的透水量，也包括使膜產(chǎn)生不可逆的污堵。
3.1 氣泡觀察法
將膜組件中充滿測試所用的液體，使膜絲完全浸潤，膜絲所有的孔中都充滿了液體。在膜組件的進水側(cè)緩慢通入無油壓縮空氣，且逐漸提高進氣壓力，同時通過觀察產(chǎn)水側(cè)是否有氣泡連續(xù)溢出（產(chǎn)水閥門處于打開狀態(tài)）。通常通入空氣的壓力從0bar 開始，逐漸增大到1.5bar。如果在1.5bar 的條件下，有連續(xù)的氣泡產(chǎn)生，表明膜組件存在缺陷。
3.2壓力衰減法
將膜組件中充滿測試所用的液體，使膜絲完全浸潤，膜絲所有的孔中都充滿了液體。在膜組件的進水側(cè)緩慢通入無油壓縮空氣，且逐漸提高進氣壓力至設定值（產(chǎn)水閥門處于打開狀態(tài)），對于外壓式超濾膜組件，測試壓力的設定值為2.0bar。
最初時，進氣側(cè)的液體會在壓力作用下透過膜絲進入產(chǎn)水側(cè)，因此會有一定量的液體排出（大約會持續(xù)2 分鐘）。等待壓力穩(wěn)定在設定值時，停止進氣（產(chǎn)水側(cè)閥門處于打開狀態(tài)），并密封進氣側(cè)保持測試壓力，靜止保持壓力10 分鐘。
此時膜組件的進水側(cè)充滿帶壓的空氣，并與外界隔絕；產(chǎn)水側(cè)充滿液體，且與大氣相通。如果保持壓力測試10 分鐘后進氣側(cè)壓力降不大于0.2bar，表明膜組件完整；如果壓力降大于0.2bar，則表明膜組件有缺陷（斷絲或泄漏等）。
壓力衰減測試即可以針對單個膜組件進行，也可以針對整套膜裝置進行，是一種在現(xiàn)場簡便易行的方法。
4、結(jié)束語
4.1 超濾系統(tǒng)的運行管理
4.1.1 至少每周監(jiān)測并記錄超濾預處理的進出水COD、濁度以及鐵/錳金屬等；
4.1.2 每周查看一次預處理所用絮凝劑、助凝劑及其他化學藥品的消耗量；
4.1.3 至少每三個月校正一次各種儀表；
4.2 超濾系統(tǒng)的保養(yǎng)
4.2.1 超濾系統(tǒng)短期停運1-2天，可每天運行30-60 分鐘或者進行一次單獨的反洗；
4.2.2 超濾系統(tǒng)停運2-7天，進行徹底的反洗后，關閉進出口閥門保存；每天可運行30-60 分鐘或者進行一次反洗后，注入保護液（0.5-1.0%NaHSO3 溶液），關閉進出口閥門保存；
4.2.3 超濾系統(tǒng)長期停用7 天以上，停機前進行一次加強反洗后，注入保護液（0.5-1.0%NaHSO3 溶液），關閉進出口閥門保存。每月檢查一次保護液的pH值，如果pH<3 時應及時更換保護液；
4.2.4 超濾系統(tǒng)長時間停機后重新投入運行時，應將超濾裝置進行連續(xù)沖洗至排放水無泡沫，將保護液沖洗干凈。
4.3 化學清洗的注意事項
化學清洗是解決膜污染問題最有效的方法，針對特定的污染，只有采取相應的清洗方法，才能達到好的效果，若錯誤地選擇清洗化學藥品和方法，有時會使情況惡化。因此，在清洗之前需先確定膜表面的污垢物種類。
日常操作時必須嚴格監(jiān)控超濾系統(tǒng)的運行性能，包含運行壓差和產(chǎn)水流量，隨著超濾膜的污染，壓差將升高，產(chǎn)水流量下降。當標準化產(chǎn)水量下降25%，或標準化跨膜壓差上升1.0-2.0bar時，就必須要進行化學清洗來恢復其性能；但是需要注意的是，如果進水溫度下降，超濾膜產(chǎn)水流量也會下降，這是正?，F(xiàn)象并非膜污染所致，此時超濾膜可能并不需要清洗。
總之超濾裝置是迄今為止最有效的反滲透預處理技術，只有在實際運行的過程中得到了合理的運行控制，以遏制膜污堵現(xiàn)象的發(fā)生，才能有效保證超濾膜的使用壽命。(來源：水處理新視野)
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