5.3　超滤和微滤

5.3.1　原理与功能

超滤主要是在压力推动下进行的筛孔分离过程。其基本原理如图5-17所示。

超滤膜对溶质的分离过程主要有：

①在膜表面及微孔内吸附（一次吸附）；

②在孔中停留而被去除（阻塞）；

③在膜面的机械截留（筛分）。

通常超滤法所分离的组分直径为0.005～10μm，一般分子量在500以上的大分子和胶体物质可以被截留，采用的渗透压较小，一般为0.1～0.5MPa。超滤膜去除的物质主要为水中的微粒、胶体、细菌、热源和各种大分子有机物；小分子有机物、无机离子则几乎不能截留。膜去除物质示意如图5-18所示。

超滤的分离特征如下：a.分离过程不发生相变，能耗较少；b.分离过程在常温下进行，适合用于热敏性物质的分离、浓缩和纯化；c.采用低压泵提供的动力为推动力即可满足要求，设备工艺流程简单，易于操作、维护和管理。

微滤（MF）是一种以压力为推动力，以膜的截留作用为基础的高精密度过滤技术。在外界压力作用下，它可以阻止水中的悬浮物、微粒和细菌等大于膜孔径的杂质透过，以达到水质净化的目的。

微滤主要有以下特征：微滤膜的孔径大小较为均匀，过滤精度高；孔隙率高，过滤速度快。微孔滤膜的孔隙率可达到70%～80%，同时膜很薄，流道短，对流体的阻力较小，过滤速度很快；以静压差为推动力，利用膜对被分离组分的“筛分”作用，将膜孔能截留的微粒及大分子溶质截留。不能截留的粒子或小分子溶质则透过膜。微滤过滤的微粒粒径在0.01～10μm，它可以截留水中的悬浮物、微粒、纤维和细菌等大于膜孔径的杂质，以达到水质净化的目的。

5.3.2　技术与装备

（1）超滤和微滤膜组件

超滤和微滤膜组件按结构形式可分为板框式、螺旋式、管式、中空纤维式、毛细管式等。

①板框式组件　板框式组件是最早研究和应用的膜组件形式之一，它最先应用在大规模超滤和反渗透系统，其设计源于常规的过滤概念。板框组件可拆卸进行膜清洗，单位膜面积装填密度高，投资费用较高，运行费用较低。

②螺旋式组件　螺旋式（又称卷式）组件最初也是为反渗透系统开发的，目前广泛应用于超滤和气体分离过程，其投资及运转费用都较低，但由于超滤除部分用于水质净化外，多数应用于高分子、胶体等物质的分离浓缩，而卷式结构导致膜面流速较低，难以有效控制浓差极化且膜面易受污染，从而限制了卷式超滤组件的应用范围。

③管式膜组件　管式膜组件系统对进料液有较强的抗污能力，通过调节膜表面流速能有效地控制浓差极化，膜被污染后宜采用海绵球或其他物理化学清洗，在超滤系统中使用较为普遍。其缺点是投资及运行费用都较高，膜装填密度小。最初的管式膜组件，每个套管内只能填充单根直径2～3cm的膜管，近年来研发的管式膜组件可以在每个套管内填充5～7根直径在0.5～1.0cm的膜管。

（2）超滤膜的操作模式

超滤膜过滤方式主要分为错流过滤和死端过滤。

错流过滤指进水平行膜表面流动，透水垂直于进水流动方向透过膜，被截流物质富集于剩余水中，沿进水流动方向从组件排出，返回进水箱，与原水合并循环返回超滤系统。循环水量越大，错流切速越高，膜表面截留物质覆盖层越薄，膜的污堵越轻。错流过滤可以增大膜表面的液体流速，使膜表面凝胶层厚度降低，从而可以有效降低膜的污染，一般用在原水水质条件较差的情况下。

死端过滤，又称全流过滤，指原水以垂直于膜表面的方向透过膜流动，水中的污染物被截留而沉积于膜表面。全流过滤和错流过滤如图5-19所示。

错流过滤的回流比一般在10%～100%之间，也可选择更高的回流比，但必须考虑液体在膜丝内的流速以及在膜丝方向上的压降，防止膜表面的污染不均匀。使用错流过滤可以降低膜的污染，但由于需要更大的水输送量，因此相对死端过滤需要更大的能耗。

一般错流过滤产生的浓水都是回到原水箱或到预处理的入口，再经过预处理后重新进入超滤系统，也有为了提高膜丝表面水流速度而添加循环泵的方式。图5-20是一种错流过滤工艺流程示意图。

微错流过滤，其特点为浓水回流比的范围一般在1%～10%。这部分浓水全部排放而不是回流。这种工艺的特点介于错流过滤和死端过滤之间，兼顾了污染和能耗的因素，缺点是降低了水的回收率。其工艺流程如图5-21所示。

死端过滤的操作方式主要适用于原水水质较好的情况（通常指其浊度小于10NTU），其膜上的截留物不能通过浓水带出，只能釆用周期性反洗操作，由反洗水带出。这种操作方式因省去循环泵而使能耗降低。图5-22为其工艺流程示意图。

当处理废水水质相同时，在确保相同使用效能和寿命的条件下，错流过滤可以选择更高的膜通量，即错流过滤所需要的膜面积少，可以节省一次性投资费用，但错流过滤的运行费用略高，因回流比不同，运行费用存在差异。

（3）膜组件选择与组合

①膜组件选择　超滤装置设计时，首先应根据所处理废水的化学及物理性能、处理规模和对产品质量的要求，选择满足工艺需求的超滤膜及其组件类型；其次通过小试或中试，确定超滤膜的设计水通量，设计需要的膜面积和组件数，确定膜组件的排列和操作流程。

1）超滤膜选择。超滤膜的合理选材和选型，主要依据所处理废水的最高温度、pH值、分离物质分子量范围等水体特征选用的超滤膜在截留分子量、允许使用的最高温度、pH值范围、膜的水通量、膜的化学稳定性及其膜的耐污染性能等方面，必须满足设计目标的要求。

2）组件选择。膜组件有管式、平板式、卷式和毛细管式等多种结构形式，应根据所处理废水的特点进行选择。高污染的废水为避免浓差极化可考虑选用流动状态好、对堵塞不敏感和易于清洗的组件，例如管式或板框式。但同时要考虑其组件造价、膜更换费和运行费。近年来，毛细管式组件和卷式组件的改进提高了其抗污染的能力，在一些领域正在取代造价较高的平板式和管式组件。

②膜组件排列组合　在确定超滤工艺是间歇操作、连续操作或重过滤操作的前提下，根据超滤处理规模和膜组件的数量，设计组件的排列组合方式。组件的组合方式有一级和多级，在各个级别中又分为一段和多段。一般来讲，可将组件串联或者并联连接。在多个组件的情况下，可以将串联方式和并联方式结合起来。

膜组件安装推荐方法如下。

1）组件直立，并联组装，液体由膜组件的下端进入，以利于空气的排放。

2）大型的超滤设备应安装高低压保护以及采用变频供水，使水压逐渐上升，避免冲击。

3）对于大型的超滤装置宜单设清洗系统，清洗用水可采用超滤水贮罐。

4）使用错流过滤要采用浓水循环方式，每支膜的浓水应为产水的2.5～3倍，浓水排放为进水的1/10～1/8。

5）釆用全过滤方式，其反洗周期需通过试验确定。

5.3.3　膜组件比较与运行参数

（1）几种超滤膜组件的特点比较

表5-14是4种超滤膜组件的特点比较，在实际应用中要根据处理对象加以选择。

（2）两种超滤膜组件的运行参数与性能

两种超滤膜组件的运行参数与性能见表5-15、表5-16。