第4章 超微滤预处理工艺技术
4.1 超微滤膜工艺技术
在一定意义上，超滤膜与微滤膜在结构、材料、性能等多个方面没有严格的界限，从本章开始将它们统称为超微滤膜一并描述。超微滤膜分离的用途十分广泛，本章内容仅涉及其在水处理领域中作为反渗透系统的预处理工艺。
4.1.1 膜材料及结构分类
超微滤膜材料的品种繁多，水处理领域使用的有机超微滤膜主要由聚偏氟乙烯（PVDF）、聚醚砜（PES）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚砜（PS）、聚丙烯腈（PAN）等多种有机材料构成，截流分子量一般在5000～200000Da范围。
图4.1示出了内压式或内皮层单通道中空纤维超微滤膜的横截面结构，其膜丝内径一般为0.6～1.2mm，外径一般为1.0～1.6mm。内压膜的内表面孔径较小，中空纤维内壁上的致密层用于分离，膜中内孔用于导水。德国Inge等公司生产了多通道内压式中空膜，其膜丝横截面如图4.2所示。多通道膜丝外径较单通道膜丝外径稍大，通道内径较小，但总的膜面积有较大扩展，可有效提高中空膜的机械强度。
图4.1 内压式中空膜断面结构
图4.2 多通道中空膜截面
中空超微滤膜主要分为浸没式与分置式两类。浸没式将膜丝制成膜束固定在框架之上，并将框架置于水体之中，运行时丝内为负压。分置式将膜丝固定在膜壳之内制成膜组件，运行时膜丝可承内压也可承外压。
4.1.2 膜组件结构与安装
分置式中空超微滤膜组件总是用环氧树脂将中空丝束封装在筒形容器之中，浇注用树脂在筒形容器两端被固化及切割，进而形成类似管式换热器结构的膜桶。将膜桶两端各加装一个封帽即可形成直立式超微滤膜组件，将膜桶直接装入类似于反渗透膜元件配套的膜壳时将组成平卧式超微滤膜组件。
平卧式膜组件构成的膜堆集成度高、占地面积小，组件规格虽小，适用于大型规模系统；但该方式易于污染物在下半部膜表面的沉积，不宜于膜清洗。荷兰诺瑞特（NORIT）等公司的8060规格卧式膜组件长1.5m，四支组件可装入长6.0m的压力容器内，由于有组件内部流道的特殊结构，6.0m长膜壳中的4支组件实际上是并联运行。直立式膜组件的单组件规格可以更大（如10in、12in、16in甚至18in），具有易清洗、抗污染等优势，但组件间的间隙较大，系统占地面积较大。
从一定意义上讲，平卧方式是以运行成本换取空间成本，直立方式是以空间成本换取运行成本。选择超微滤组件形式时，应参考具体工程的环境、规模与水质等条件。图4.3中示出轴向与径向两类产水模式的立式内压中空超微滤组件结构。
图4.3 内压式中空膜元件两种结构示意图
水处理领域中的超微滤膜组件之间只存在并联方式，而不存在串联方式。由于超微滤工作压力较低而流道内的压力损失相对较大，流道阻力与进水压力之比较大，组件过长将造成组件进水侧与浓水侧膜通量的严重失衡，进而造成膜丝污染速率及性能衰减速率的严重失衡。这是水处理超微滤工艺与反渗透工艺在系统结构方面的重要差异。正由于超微滤系统的短流程特征，无论是直立式或平卧式安装，水处理超微滤膜系统的实际流程仅为单支膜长，一般在2.0m以内。
4.1.3 压力方向与回收率
使用广泛的立式膜元件还分为内压与外压两类工作模式。外压膜的致密层在膜丝外侧，并于膜丝外侧施压进水，膜丝内侧零压并导出产水；内压膜的致密层在膜丝内侧，并于膜丝内侧施压进水，膜丝外侧零压并导出产水。内压模式有效膜面积较小、进水流道较窄、污染速度较快，但易于正向冲洗不易反向冲洗，较小浓水流量即可解决浓水排污；而外压模式与其特点相反。
中空超微滤膜与复合反渗透膜存在两大差异：一是污染速度快；二是清洗速度快。前者是由于超微滤进水中存在的大量悬浮物、微生物与胶体，后者是由于超微滤膜的截留物质易于清洗，多孔结构易于反向清洗及膜体材料耐受氧化剂清洗。超微滤组件在小比例错流工艺条件下的清污效果并不明显，因此无论内压或外压运行方式，超微滤组件用于水处理时多采用90％以上的高回收率，甚至采用100％的全流运行方式。
4.1.4 膜组件的径流方向
如图4.4所示，立式超微滤膜组件的进水及产水径流，存在下进上出、下进下出、上进上出、上进下出四种可能的运行方式。超微滤组件运行时需要考虑排空组件内的气体与保持组件内通量均衡两大问题。为便于排空组件内的气体，组件运行应采用下进上出方式。如采用下进下出、上进上出、上进下出的任何方式，或使膜组件底部与上部膜两侧压差加大，不利均衡通量与均衡污染；或不利于组件内的空气排出。
图4.4 立式超滤膜组件径流方向示意图
总之，出于顺利排气及均衡通量两个方面考虑，各膜厂商的产品均设计为下进上出运行方式。
4.1.5 超微滤膜工艺性能
超微滤预处理工艺的主要截留物是悬浮物、有机物、胶体、细菌、病毒等水中杂质，可有效降低浊度、COD、TOC及污染指数（SDI）等水质指标。表4.1示出科氏公司1万及10万道尔顿截留分子量超微滤产品的截留效果指标，表4.2～表4.4示出某公司15万道尔顿截留分子量的亲水性聚醚砜超滤膜HYDRAcap系列的相关技术数据。
表4.1 美国科氏公司超滤膜的截留率与产水指标
表4.2 某公司超滤膜系列技术参数（一）
表4.3 某公司超滤膜系列技术参数（二）
表4.4 某公司超滤膜系列技术参数（三）
4.1.6 膜组件污染与清洗
超微滤膜污染主要源于悬浮物、有机物、微生物甚至少量的无机盐。膜污染不仅以吸附、堵塞与截留等形式出现，在膜表面还将形成凝胶层及滤饼层，甚至产生微生物的大量繁殖。
减缓膜污染的措施主要包括降低超微滤工艺负荷的前处理工艺，增大污染物粒径的混凝工艺与抑制膜内微生物滋生的杀菌剂投放工艺以及防止深度污染的频繁清洗工艺。尽管全流运行方式需要的频繁水力冲洗将消耗一定产水资源，但可使膜组件得到有效清污，故多数膜厂商还是推荐全流过滤加频繁冲洗工艺。
表4.5示出某公司超微滤膜组件的运行、冲洗及清洗等工序的径流模式与工艺参数。超微滤膜的水力反向冲洗工艺中，存在顶部反洗与底部反洗的区别。如表4.5中附图所示，顶部反洗是将反洗水经C口压入，从顶部的B口排出；底部反洗是将反洗水经C口压入，从底部的A口排出。分别进行顶部与底部的反冲洗，可分别加强对顶部及底部膜丝的反洗效果。
表4.5 超微滤膜组件运行参数
膜厂商对反渗透膜组件的寿命保证期一般为三年，对超微滤膜组件的寿命保证期要更长。后者的工作环境较前者恶劣得多，而寿命保证期更长的原因，主要是超微滤装置不但可以正冲洗而且可以反冲洗；不但可以采用酸碱清洗而且可以进行氧化剂杀菌。正是超微滤工艺中膜清洗方式的多样性、灵活性及有效性，形成了超微滤工艺的水源适应性强及运行寿命期长的优势。另一方面，超微滤膜的过度清洗也会产生断丝，严重影响运行寿命。