水处理应用技术

对于反渗透（RO）和纳滤（NF）系统的用户们来说，现在该认真考虑膜法（微滤（MF）和超滤（UF））预处理的操作费用和性能优势了。特别是在我们要面对那些地表水、废水以及开放抽提海水等高污染性水源的时候，这种优势就更加明显。所谓集成膜系统（IMS），就是指在反渗透系统的预处理工艺中采用了其他的膜系统。与采用传统预处理工艺的反渗透系统相比，IMS设计具有明显的优势。
● MF/UF滤液质量更好。SDI和浊度更低，明显降低了反渗透的胶体污染负荷。

● 由于膜在这里是污染物的屏障，MF/UF滤液的高质量可以保持稳定。即便是地表水和废水等水质波动异常频繁的水源，这种稳定性也不会改变。

● 由于胶体污染减少，反渗透系统的清洗频率明显降低。

● 与一些传统过滤工艺相比，MF/UF系统操作更容易，耗时更少。

● 与采用大量化学品的传统工艺相比，MF/UF浓缩废液的处置比较容易。

● 占地面积更小，在一些大系统中，有时只相当于传统工艺的1/5。

● 有利于系统的扩大增容。

● 运行费用基本相当，在一些情况下会较少。

● 设备投资基本相当，在一些情况下会较少。

历史回顾

对于采用MF/UF作为高污染性原水（比如地表水和废水）反渗透的预处理工艺的兴趣可以追溯到十九世纪八十年代。微滤、超滤的确在当时无法取代传统预处理。比较明显的理由是：

● 设备投资：MF/UF的设备投资是地表水处理所无法接受的。单算MF/UF系统的投资便相当于反渗透系统的100％，而传统预处理系统（如澄清、重力过滤、石灰软化、多介质过滤、碳过滤等）只有反渗透系统的20－50％。

● 操作费用：没有来自现场试验装置的原始数据积累，无法确认和保证MF/UF工艺能够比传统工艺节省运行费用。

● 需要现场试验：小系统和工业用户在政府对其没有特别要求的情况下，从时间和费用等方面考虑，一般不愿意接受现场试验。

● 性能保证：OEM对于系统的整体性能要全面负责。没有现场试验数据来确保MF/UF系统在投标条件下的优势，默认的预处理系统自然是传统预处理的各种组合。

● 对于未确认技术的恐惧：那时超滤、微滤工艺的确是一个新的技术。购买这样一套系统便意味着在许多方面要冒先吃螃蟹的危险：只有很少可选择的MF/UF供应商，MF/UF膜及组件的设计为各公司所有，将来的换膜和服务也别无选择。

当前的状况

在过去两年的市政用水市场上，微滤、超滤技术在水过滤工艺中的应用呈爆炸性增长趋势。世界各地有数百套MF/UF系统在运行之中，微滤、超滤处理水量超过了200mgd（每天百万加仑）。在市政用水市场上MF/UF的迅速崛起，得益于对以地表水源为主的自来水水质指标日益增长的严格控制。在美国，MF/UF作为高质量饮用水制造设备得到了普遍的认可，因为能够有效控制病原微生物和有潜在致癌危险的消毒副产物（DBP）。这些微生物和DBP控制指标的提出是联邦政府行为，已经被确定为今后的“地表水处理规则（SWTR）”、“改进地表水处理规则（ESWTR）”和“消毒剂/消毒副产物规则（D/DBPR）” 的一部分。

市政市场大量采用微滤、超滤工艺，无论是在技术是还是商业上，都获得了明显的收益，其他水处理市场也开始对MF/UF产生了巨大的兴趣。市政用水市场的巨大容量引起了私人资本的注意，对于微滤、超滤技术的投资也增加了。现在对MF/UF的投资使我们回忆起过去的两次投资高潮，一次在上世纪七十年代电力工业引起的，另一次是上世纪八十年代电子工业引起的。本次投资高潮带来了诸多好处：

● 膜生产厂商开发出了的毛细管和卷式微滤、超滤膜。

● 微滤、超滤膜制造商及其OEM开发出了的运行技术，将污染速度和化学清洗频率降低到了可以接受的程度。

● 目前MF/UF膜产品的巨大销售量降低到了制造系统所需的MF/UF的制造成本，可以于传统预处理进行竞争。

● 市政市场的需求能够允许进行大量经过仔细设计的现场试验，这些现场试验能够得到高水平工程咨询公司的指导。广泛的现场试验评价数据促进了膜供应商的能力，能够为变化的水质条件、清洗频率和滤液质量提供更好和操作参数方案。

MF/UF作为反渗透预处理

市政市场上将MF/UF技术开发成为商业化过滤工艺的主要活动首先集中在生产适宜于饮用的过滤水方面。接下来的市场开发焦点便是将MF/UF工艺用于集成膜系统，MF/UF用作RO的预处理。对于MF/UF作为RO预处理的市场需求实际上起源于日益增长的低污染水源（比如井水）的不足，以及对更加复杂的原水（如地表水、工业废水和市政排水）进行处理的需求。

MF/UF膜的特性

市场销售的微滤膜的孔径一般在0.1－0.2微米。用于反渗透预处理的超滤膜的切割分子量一般在8～50万道尔顿（孔径0.01～0.05微米）。

常见的操作跨膜压差(TMP)在3－30psi。跨膜压差被定义为驱动水透过膜所需的压力，为进水压力和过滤液压力的差值。孔径较小的膜所需的跨膜压差也较大，在水温较低、通量较高以及发生污染时，跨膜压差也较高。

常见的高聚物膜材料包括聚砜、聚烯烃、聚醚砜、聚偏氟乙烯、纤维素类。大多数膜材料具有宽的pH忍耐范围，以便于在低和高pH条件下进行化学清洗。大多数膜还具有耐游离氯的性能，可以进行周期性或连续杀菌处理。聚合物膜的大运行温度为40℃，但陶瓷膜可以在较高温度下使用。

MF/UF膜有许多构型：卷式平板膜、管式、中空纤维和板框式。用于RO预处理比较普遍的是中空纤维和卷式，这主要是由于考虑到投资、能耗、耐污染以及在冲洗和化学清洗的情况下的通量恢复性能。

MF/UF膜的基本分为外置加压式和浸没负压式。

MF/UF运行特性

MF/UF膜有两种不同的运行模式：全量过滤和错流过滤。全量过滤模式与筒式滤器相类似，即过滤时只有进水和产水（没有浓排水）。全量过滤可实现水回收率的大化，达到95－98％，但一般限于原水的悬浮固体含量较低的情况（比如浊度<20 NTU）。错流过滤用于进水浊度较高时。

在一些情况下，MF/UF系统的原水回收率可以达到99％以上，需要将浓缩水和周期性反冲洗水收集后进行二次处理。二次处理可以通过采用传统固体沉降或另外一套MF/UF系统。

众多的MF/UF供应商开发了各种各样的膜和元件设计以及运行技术，用来控制运行期间的污染速度并大程度地降低停车化学清洗频率。然而所有这些设计的共同目的却无外乎在于对膜采用高速的正向冲洗和反向冲洗来去除膜面和原水流道上的污染物。对污染物的反冲洗一般采用透过液，空气或化学药品（如：氯）被用来增强反冲效果。冲洗周期一般少于2分钟，设置一定的冲洗频率（一般为15－60分钟一次）来保持系统的性能的长期稳定。

MF/UF系统需要简单的预处理，一般预处理精度要求：MF500微米以下，UF150微米以下。有时添加铁盐混凝剂，可获得较好的有机物去除效果。

MF/UF膜的典型通量在35－110 gfd之间（60－180 l/m2hr）。悬浮物浓度较高或污染倾向较强的料液系统，运行通量也较低；高通量用于处理的悬浮物负载的料液系统（比如地表水的通量可以是70gfd）。应用研究工作的一个重要方面是，在不进行现场试验的情况下，能够利用原水的污染参数（如浊度、悬浮固体等）设计出合理的通量。

MF/UF透过液的水质在浊度或SDI等指标上明显好于传统预处理水。一般MF/UF的产水浊度在0.04－0.1 NTU之间，而且不随原水浊度波动。典型的MF/UF产水的SDI为0.3－2，较低的SDI降低了反渗透的污染速度。

MF/UF改善反渗透的经济性

利用浊度和SDI都非常小的MF/UF优质产水，反渗透设计通量会大大提高。采用MF/UF的反渗透系统通量可设计为12到20gfd。采用传统预处理的废水反渗透系统的典型设计通量为：废水处理8－12gfd，地表水10－15gfd。采用了更高的通量，需要的膜元件、膜壳和管线都减少了，系统的固定资产投资便降低了。而且提高通量还有一个好处，可以将产水透盐量减少20－50％。

LFC：一种用于集成膜系统的新型反渗透膜

采用MF/UF预处理后增加膜通量设计的一个大的担心是反渗透膜的有机物污染问题。MF/UF对有机物的去除作用很小，大也只有20－30％。传统的聚酰胺复合膜带有负电荷，有机物污染会导致操作压力的明显提高。现场观察表明，使用低污染膜对于获得长期稳定的通量和操作压力非常重要。低污染膜具有电中性表面，而且更加亲水，这样便降低了对带有电荷的疏水性有机污染物的吸附，在化学清洗时也能更有效地除去[3]。

与传统的聚酰胺膜相比，在污染物为有机物时，LFC膜在长期的通量恢复稳定性方面具有显著的优势。依靠LFC膜的这种耐污染能力，我们在预处理中不需要象从前那样将有机物的去除考虑得非常重要。

低污染反渗透膜

在集成膜系统中使用的降低有机物污染效果好的膜元件，应该具有电中性的膜表面以及天然的亲水性，这样便能大程度减少与带电污染物的接触。还可以采用生物杀灭剂来控制生物污染，更高的膜装填面积以降低单位通量，提高错流速率等措施。在过去，醋酸纤维素（CA）膜具有电中性表面性质，而且能够耐受1ppm的氯，或26,280ppm-小时的耐氯能力，CA膜在复杂水质的处理方面显示了良好的耐污染性能。然而与一般的负电性聚酰胺复合膜相比，CA膜的pH范围有限，运行压力高，透盐率高。现在我们可以使用新一代低污染聚酰胺复合膜了。LFC膜具有无二的性能，脱盐率和压力与耐久聚酰胺膜相同，与CA膜一样具有电中性表面（表－1）。LFC膜本身是一种聚酰胺材料，耐氯能力与传统聚酰胺膜类似，为1,000ppm-小时。

MF/UF系统的投资及运行费用

MF/UF系统的投资及运行费用随情况而定。首先，原水的水质及其对系统设计通量的影响是固定资产投资的一个因素。一种高污染倾向的原水需要设计较低的通量，这样就需要更多的膜组件、更大的反冲洗及化学清洗系统，固定资产的投资自然就高了。影响运行费用的首要因素是系统的设计通量、回收率合原水的污染倾向。运行费用升高的因素有：料液压力的升高、降低回收率导致的料液流速的提高、反冲洗和清洗周期的增加以及清洗组件数目的增加等。

设备投资可以从0.1mgd（70gpm）的系统每gpd产水1.00美元，到0.7mgd（486gpm）的系统每gpd产水0.50美元，再到5 mgd（3,472gpm）的系统每gpd产水0.40美元。小系统的设备投资偏高，其中辅助反冲洗合化学清洗台架所占的比例较大。上述设备投资估算基于系统设计通量为70gfd的情况。。－1是通量为70gfd的MF/UF系统以及通量为15gfd的反渗透系统的设备投资随规模变化的情况（二者均含有清洗系统）。如果将设计通量从70提高到100gfd，一个大型的MF/UF系统投资将减少30％，而将设计通量从70降低到40gfd，则投资增加50％。运行费用估计在每1000加仑产水＄0.10－＄0.40之间，取决于运行费用的计算方法。简单的算法包括能耗、清洗用化学品以及每6年一次换膜费用。