1 简介
1.1. 膜分离过程分类介绍
滤膜法液体分离技术从分离精度上划分，一般可分为四类：微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO），它们的过滤精度按照以上顺序越来越高。 微滤 能截留0.1-1微米之间的颗粒。微滤膜允许大分子和溶解性固体（无机盐）等通过，但会截留住悬浮物、细菌及大分子量胶体等物质。微滤膜的运行压力一般为0.7-7bar。 超滤 能截留0.002-0.1微米之间的大分子物质和蛋白质。超滤膜允许小分子物质和溶解性固体（无机盐）等通过，同时将截留下胶体、蛋白质、微生物和大分子有机物，用于表示超滤膜孔径大小的切割分子量范围一般在1000-500000之间。超滤膜的运行压力一般1-7bar。
纳滤 能截留纳米级（0.001微米）的物质。纳滤膜的操作区间介于超滤和反渗透之间，其截留有机物的分子量约为200-800MW左右，截留溶解盐类的能力为20%-98%之间，对可溶性单价离子的去除率低于高价离子，纳滤一般用于去除地表水中的有机物和素、地下水中的硬度及镭，且部分去除溶解盐，在食品和医药生产中有用物质的提取、浓缩。纳滤膜的运行压力一般3.5-30bar静电抑制器。
反渗透 是最精细的一种膜分离产品，其能有效截留所有溶解盐份及分子量大于100的有机物，同时允许水分子通过。反渗透膜广泛应用于海水及苦咸水淡化、锅炉补给水、工业纯水及电子级高纯水制备、饮用纯净水生产、废水处理和特种分离等过程。反渗透膜的运行
压力一般介于苦咸水的12bar到海水的70bar。
1.2. 超滤膜的种类及应用特点
超滤膜按结构来分主要有四种：板式膜，卷式膜，管式膜，中空纤维膜。 板式膜：它是最早出现的膜，但因为难以保证膜表面适当的流速及复杂的密封问题，这类膜的应用非常有限。前处理要求不严格；弯曲刚度
卷式膜：以板式膜为起点发展起来的，因为卷式膜的格网带来死点及无法反洗，通常不适用于工业原水处理。它们适用于高温、高压物料分离等，前处理要求也不严格；
管式膜：因为它的能耗较大，从经济上来说不适用于普通水处理，一般适用于高固体含量或高含油浓度的流体，在四种膜中，它的前处理要求最不严格。
中空纤维膜：因为它压力低，通道无死点，通量高，能进行反洗，所以除特殊水体（如高含油、高固体含量等）外，都是很好的选择，对四种膜而言，在水处理中应用最为广泛。
注：因为中空纤维膜应用最广泛，后面资料中除共同点外，其他均以中空纤维膜为例进行
说明。
1.3. 应用范围
超滤在水处理领域应用十分广泛，按应用场合划分，主要可以用于：
1.3.1. 原水前处理（地表水、地下水、自来水）
澄清池、砂滤替代、RO前处理及离子交换前处理
应用在前置予处理中，超滤替代澄清池或砂滤器，用于去除原水中的固体和胶体以改善后续工段设备的运行，如改善离子交换器的反洗频率和反渗透膜元件的更换频率，但其需要较频繁的清洗/冲洗。膜型一般为10万分子切割量。
1.3.2. 纯化处理
去颗粒（如18WΩ水）、去微生物及热原体、RO或离子交换后处理
应用在反渗透/离子交换设备后，超滤用于去除水体中的胶体和固形物，水透过率较高，清
洗频率较低，其不需要较频繁的清洗/冲洗，只有当系统压力降低到操作不便或有细菌产生时才清洗。在医药及电子行业，超滤放在使用点用以去除微生物及热原体。膜型一般为1-10万分子切割量。
1.3.3. 水循环和回用
生化处理后、澄清后（二级和三级）
2 超滤术语
不对称膜 Anisotropic Membrane | 一种人工合成聚合中空纤维，由一层很紧，很薄内膜 及自我支撑的海绵状外层结构构成。这层内膜起着半 透水超滤膜的作用。 |
平均透膜压差 Average Trans-membrane Pressure | 产水侧和原水进出口压力平均值的差异， 平均透膜压差＝（P 进＋P 出）/2－P 产水 |
反洗 Back-flush | 从中空纤维外侧把透过液质量的水输向内侧。因为水 被从反方向透过纤维,从而松解并冲走了膜表面的污物。 注意：在此过程中纤维膜内侧无压力。 |
胶质污染 Colloidal Fouling | 在中空纤维内侧膜表面形成微粒沉淀层。 |
浓缩或排放液 Concentrate or Reject | 原水中不能透过膜的那部分，它包含了比原水浓度高 的颗粒，胶体，细菌和热原体等杂质。 |
浓差极化 Concentration Polarization | 引起被排斥的悬浮物在膜表面聚集的现象。纤维内的 高剪力（高流速）能降低极化。 |
错流过滤 Cross Flow | 浓水沿平行于有效膜面方向流动，有助于冲刷掉膜表 面的污染物碎片。 |
压力差 Differential Pressure | 纤维膜管进出口压力差。压力差PD＝P 进 - P 出 |
下向流 Downward Flow | 超滤膜组件的循环流向按照自组件顶部向底部的方向 流动。 |
原水 Feed | 进入超滤系统的水，然后 分为产水及浓缩液。 |
通量 （透水率） Flux | 产水透过膜的流率，通常表达为每天每平方英尺膜面 积产多少加仑的水（gfd）， gfd = lmh x 0.59 |
正流 Forward Flow | 排放液的循环流动方向，对垂直安装的膜管常指向上 运动。 |
凝胶层 Gel Layer | 在运行的超滤膜有效内侧表面形成的一层高浓度或固 体沉淀物层，通常为高分子物质。往往是凝胶层的渗 透性而不是过滤膜的渗透性决定了超滤水通量（这会 导致与实际滤膜的截留分子量相比更紧密的过滤效 果）。 |
截流分子量 Molecular Weight Cutoff | 膜的一种特性，描述对一种已知进料体系中溶质的公 称截留率，即被截留污染物的最小尺寸。 |
公称截留 Nominal Cut Off | 在一已知溶质的单一溶液体系中，对溶质截留率达到 最大（通常为90%）时对应的膜孔径大小。 |
透过液，产水 Permeate | 透过滤膜的那部分水，基本上无胶体，颗粒和微生 物。 |
回收率 Recovery | 产水占总原水的百分比。 %回收率＝产水/原水×100 |
滞留物 Retentate | 也称为浓缩物。进水中无法通过滤膜的部分，包括有 浓度高于其进水中含量的被截留固体物。 |
滞留物排放 Retentate Bleed | 滞留物中自超滤单元排放掉的或再循环的部分。此排 放过程防止被截留固体物在膜过滤侧发生积累。 |
交错流 Reversal Flow | 液体交错进入膜管内。 水从上进液管进入膜管内， 过 一段时间后改成从下进入，这样交错变化以改进膜内 流动条件 |
上向流 Upward Flow | 超滤膜组件的循环流向按照自组件底部向顶部的方向 流动。 |
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3 超滤基本原理
3.1概述
超滤是一种流体切向流动和压力驱动的过滤过程，并按分子量大小来分离水中颗粒。超滤膜的孔径大约在0.002—0.1微米范围内（pg接头MWCO约为1，000-500，000）。溶解物质和比膜孔径小的物质能作为透过液透过滤膜，不能透过滤膜的物质将被截留下来浓缩于排放液中。因此产水（透过液）将含有水、离子和小分子物质，而胶体物质、颗粒、细菌、病毒和原生动物将被膜去除。
中空纤维超滤膜是一种很薄的聚合材料，由聚砜PS，聚醚砜PES，PVDF或聚丙烯腈（PAN）制成并带有非对称的微孔结构。不对称超滤膜拥有一层极光滑极薄（0.1微米）的孔径在0.002到0.1微米间的内表面，此内表面由孔径大到15微米的非对称结构海面体支撑结构支撑。这种小孔径光滑膜表面合较大孔径支撑材料的结合使得过滤微小颗粒的流动阻力很小并不易堵塞。
3.2基本原理
超滤是一个错流合切向流的过程，要过滤的液体沿膜表面流动。这样在中空纤维的内壁上形成流体剪切的条件，而使得污染物较难在膜表面形成。
要过滤的水经由超滤给水泵加压后输入膜组件中。由于膜内外的压力差，一部分水渗过滤膜，而水中的杂质则截留在剩余部分水中被过滤除去。
如果欲分离的杂质在膜上过多沉积，根据膜的类型不同，会导致难溶性盐沉积或形成部分覆盖层。所以要避免这一点，一部分水会成为浓缩液流出去掉，根据膜的类型和应用不同，这样的过程要持续进行或者在回流时进行。
下图是超滤膜过滤的基本原理图。
3.3超滤的特点
与传统的净化方式相比，超滤具有许多优点：
● 能完全去除微生物和微粒
对水中污染物去除率
组份 PM10 PM100
胶体硅 99.8% 99.0%
电加热反应罐胶体铁 99.8% 99.0%
胶体铝 99.8% 99.0%
悬浮物 5 LRV 4 LRV
浊度 < 0.3 NTU (通常小于0.1 NTU)
SDI < 1.0 SDI
Giardia 6 LRV 5 LRV
原生动物 6 LRV 5 LRV
菌类 6 LRV 5 LRV
病毒 5 LRV 4 LRV
内病毒 4 LRV 2 LRV
TOC avg. 70% avg. 30%
● 过滤效果不受原水水质的影响
● 能够去除耐氯的病菌
● 超滤的浓缩液中只含有原来水中含有的那些物质
● 比起其它的传统方式，超滤中沉淀物的量明显较少
● 支架的紧凑结构提高了空间利用率，节省费用，也可在现有的厂房中，可以高度灵活的增加装置配备。
● 超滤可以实现全自动化工业连续生产。
● 由于超滤几乎能完全滤去形成覆盖层的物质，所以可以在后续的膜净化步骤中增加面积负荷，因而减小后续净化装置的规模。
4 流程模式
原水进入中空纤维内腔，由内向外通过纤维过滤。
通常原水由膜件的一端进入，在30-40psi的压力驱动下流经整个长度的纤维。
较高固含量的浓缩液自膜件的另一端排出。
透过液经纤维膜壁的过滤流入膜件中心的透过液集水管中。透过液经集水管自每支膜件的中心流出。
超滤根据原水水质的不同一般有两种运行流程模式：死端过滤模式和循环过滤模式。
4.1 死端过滤模式
一般当原水中悬浮物和胶体含量较低时（如SS<5,浊度<5NTU）时采用。如下
图2：死端过滤示意图面图2所示，原水以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%，由原水水质决定。和循环模式相比，死端过滤的操作成本低，但回收率和系统的出水能力可能会受限制。这种模式通常需要定期快冲和反冲来维持系统出力，当污物积累到一定程度，就需要化学清洗来进行处理。
4.2 循环过滤模式
当原水中悬浮物含量较高及在大多数非水应用领域，就需要通过减少回收率来保持加膜管内部的高流速。这样就会造成大量的废水。如图3所示，为了避免浪费，排出的浓水就会被重新加压回流到膜管内。这样，虽然降低膜管的回收率，但对于整个系统，回收率仍然可以很高。在这种模式，进水连续的在膜表面循环。循环水的高速阻止了微粒在膜面积的堆积，并增加了通量。因为较少的进水成为产水，为了获得相同的产率，能耗就比死端过滤模式大。
5 超滤膜的性能
5.1膜元件的操作范围二苯甲酮腙
最高压力（水）：45psi（3.1bar）
最高压力（气）：15psi (1.0bar)
最高进水温度：104℉（40℃）
最低进水温度：32℉（0℃）
最大透膜压差：35psi (2.4bar)
最大反洗透膜压差：20psi (1.4bar)
最大平均压力变化： 6psi/sec(0.4bar/秒伞型齿轮)， 10秒钟阀门开启时间
最大总氯耐受能力@77℉（25℃）或更低： 200ppm @8.5pH或更高pH。
最大总耐氯接触量： 200，000ppm 小时（累计） @8.5pH或更高pH。
最大有机溶剂接触： 避免接触
最大紫外线接触： 避免暴露于日光直射下。
5.2组件的截留性能
5.2.1对MS2噬菌体的截留
对病毒MS2噬菌体的截留比较难以确定。如果要在浓度很小的时候检测这种生物体，就需要特殊的微生物检测技术。另一方面，要在足够长的时间中使较高浓度的噬菌体混合流入原水中，也很难。
由于膜的净化效率很高，所以要能测量出噬菌体的截留来，原水中它的浓度至少要达到每毫升10万个。在此浓度下，滤液中不到噬菌体。
因此，对噬菌体的截留在99.999%或者说对数级5以上。
5.2.2对隐孢子体（Kryptosporidien）的截留
精确的检测表明超滤膜对隐孢子体（大小为4-6μm）的截留超过对数级6。
5.2.3对微粒的截留
豫公网安备41160202000603
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