摘要：从 20 世纪 90 年代末起，低压膜 (微滤和超滤) 在美国饮用水处理中的应用按指 数规律增长。 增长的主要驱动力包括更加严密的水质法规，水资源短缺、以及市场竞争带来 的技术进步和价格下降。其中，美国环保署颁布的《膜过滤指南》和《第二阶段地面水处理 长期改善法规》 对低压膜在美国饮用水处理中的应用有着非常深远的影响。 本文将着重从以 下讨论低压膜在美国饮用水处理中应用的现状和前景： (1) 饮用水处理微滤和超滤的比较， (2)饮用水处理中低压膜的应用(包括如何把低压膜整合到水处理过程之中，膜污染控制等 等)。
关键词
低压膜
微滤和超滤
饮用水处理
Abstract: Low-pressure membrane (microfiltration and ultrafiltration) becomes increasingly popular in US drinking water industry since middle 1990’s. Its popularity is the result of the combination of several factors, more rigorous regulations on drinking water quality, water shortage, and technological advance
ment and reduction in price of membrane products by market competition. The Membrane Filtration Guidance Manual (MFGM) and Long-Term 2 Enhanced Surface Water Treatment Rule (LT2ESWTR) published by the USEPA have driven and continue to drive the growth of low-pressure membranes in drinking water treatment. This paper will focus discussions in the following aspects of applications of low-pressure-membrane in drinking water treatment: Comparison of microfiltration and ultrafiltration membranes, and applying low-pressure membranes for drinking water treatment Keywords Low pressure membrane, Microfiltation and Ultrafiltration, Drinking water treatment 1 引言
低压膜滤是指微滤（MF）和超滤（UF）。自 90 年代中期以来低压膜滤在饮用水行业 中的使用越来越广泛。这一现象是若干因素综合作用的结果。
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Charles Liu （Pall Corporation, NY, USA
The Application of Low Pressure Membrane Filtration (MF/UF) in US Drinking Water Industry
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11050）
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驱动低压膜滤技术在饮用水行业应用的主要因素是饮用水水质法规。20 世纪 70 年代后 期消毒副产物的发现， 以及 80 年代后期至 90 年代初出现的抗消毒病原体如贾第虫和隐孢子 虫传染病事件从根本上改变了美国饮用水界对待处理工艺的传统思维。 一方面是对降低处理 后消毒副产物的关切限制了使用加氯为主要消毒手段； 另一方面， 对加氯消毒的限制进一步 降低了对抗消毒病原体消毒效率。 这种传统饮用水处理上的两难迫使饮用水业界开拓其他的 水处理工艺。低压膜（微滤和超滤）工艺提供了这样的选择。由于低压膜去除病原体的机理 为机械筛分，去除率不再依赖于传统的消毒工艺。所以，使用低压膜工艺水处理消毒副产物 的产生不再是个问题。
第二个因素推动低压膜的增长原因是供水的需求增加而供给减少所成的供需不平衡。 由
理低水质及水及变化大的水源的理想工艺。 与其他处理工艺相结合， 低压膜可用来满足各种 水质指标的处理流程。
第三个促进低压膜增长的因素是市场竞争。 市场竞争促进了科技进步和膜产品的价格 下降。因此，相比于常规处理工艺低压膜越来越更具有优越的性价比及竞争力。
北美第一家低压膜水处理厂在 1994 年安装投产[1]。从那时起，无论是低压膜厂的数量 还是北美的累
计产水量均在呈指数式增长（见图 1）。图 1 中实线代表 Adham 等人的实际 数据，虚线代表预测值。与此同期美国饮用水主要法律法规也显示在同一图上，提供一个低 压膜应用增长过程的法规背景。
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于低压膜滤后水水质很好，而且其水质不受水源水质和预处理条件的影响，因此，它成为处
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600
低压膜水厂数 累计总产水能力（百万加仑 /天）
2400
500
2000
累计总产水量 （白万加仑/天）
pvc文件袋400 低压膜水厂数
Stage 1 D/DBP,
1600
300
100
LT2ESWTR Stage 2,
200
手提机箱0 1986
1992
1998 年
2004
由于低压膜在饮用水处理市场的快速增长，美国环境保护局（USEPA）开始将其列入 用于达到水质法规批准的处理工艺，并开始制定管理膜工艺的规定。由美国环保局 2005 年 发表的《膜过滤指南》（MFGM）和 2006 年发表的《第二阶段地表水处理长期改善规则》 （LT2ESWTR）是两个在这方面最重要的标志。这两个文件的发表已经推动并将继续推动 低压膜在饮用水处理上的增长。 2 微滤和超滤膜比较
低压膜包括微滤（MF）和超滤（UF）膜。在美国饮用水行业认为微滤和超滤基本上是 相同的过程。这种态度反映在很多技术文献之中。例如，在美国环境保护局发表的报告《低 压膜去除病原体：应用，实施和管理问题》[2]中，不将微滤和超滤加以区别。另一个例子是 美国水工协会出版的《操作手册：微滤和超滤》[3]。同样，微滤和超滤都被认为是相同的低 压膜过程。
微滤和超滤的分离机理是基于尺度排除，或机械筛分。如果膜的最大孔径为已知，任何 大于此孔径的非变形颗粒将肯定被膜所截留。 对于粒径小于膜的最大孔径， 或是可变形的颗 粒物，其截留率取决于多种因素， 会呈现某种概率分布。
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图 1：美国低压膜用于市政水处理的增长。实线代表 Adham 等人的数据, 虚线是预测。 SWTR = 地表水处理规则; TCR = 总大肠菌的规则; Stage 1 D /DBP = 1 阶段消毒剂/消毒 副产物规则; IESWTR = 临时地表水处理改善规则; LT1ESWTR = 一阶段地表水处理长期 改善规则; LT2ESWTR = 二阶段地表水处理长期改善规则; Stage 2 D /DBP = 二阶段消毒 剂/消毒副产物规则
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微滤和超滤的区别并不精确， 两者间也没有明确的边界。 使区分微滤和超滤进一步复杂 化的一个因素是在标定上微滤和超滤膜上的混乱。微滤膜测量膜孔径，以微米为单位。一些 超滤膜是用孔径来标定，而另一些超滤膜则是以截留分子量（MWCO）标定，以道尔顿为 单位[3]。 对于微滤膜， 膜孔径可以用扫描电子显微镜观察和测量。 超滤膜的孔径非常小 – 小 于微滤膜孔径约一个数量级以上并超出了扫描电子显微镜的分辨度。 因此难以用扫描电子显 微镜对超滤膜孔径进行直接测量。 关于微滤和超滤的术语是早在原子力显微镜（AFM）发明之前就有了的。超滤膜的标 定是通过标准挑战试验来确定的。在具某分子量的标记物达到一定的去除率（例如，百分之
到百分之百， 该膜的绝对截留分子量就被评为此标记物的分子量。名义截留分子量和绝对 截留分子量的标定如图 2 所示。 根据不同的孔径分布， 有同一名义截留分子量的膜可以有明
标记物去除率 % 1.0 0.9 0.5
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& 的名义截 留分子量 膜 膜 标记物分子量 Da
显不同的绝对截留分子量 （见图 2）。
图 2：超滤膜的不同标定等级：名义截留分子量和绝对截留分子量。膜 A 和 B 有相同的名 义截留分子量。由于孔径分布差异膜 A 和 B 有不同的绝对截留分子量 因为超滤膜对标记物的截留不仅取决于标记物的分子量，而且取决于标记物分子的形 状， 以及膜的孔径分布，因此截留分子量和孔径两者之间的相关关系亦取决于标记物分子 的形状。膜孔径和具有不同形状的标记物分子量之间的理论关系如图 3 所示。图 3 表明，标 记物分子的形状对孔径和和分子量之间的关系有非常重大的影响。 如果分子形状不同， 同一
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九十）时，该膜的名义截止分子量就被定为标记物的分子量。同样，如某标记物的去除率达
A 的绝对截留分子量 的绝对截留分子量
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大小的标记物可以在分子量上相差两个数量级以上。 在水溶液中颗粒和大分子的形状和大小 还受到溶液化学性质的强烈影响已达到化学热力学上的稳态。 由于复杂的折叠模式， 水溶液 中颗粒物和大分子通常会具有相对紧密地结构。 也就是说， 3 中碟状和球状分子分子量与 图 孔径之间的之间的关系更接近现实。 另一方面， 代表线状分子分子量与孔径之间的关系是不 太可能存在于现实之中的。
光电烤箱200
160 线状分子 分子大小 (nm) 120 碟状分子 80
40
0 0.1 10.0
牙科涡轮机1,000.0 分子量 (kDa)
美国的饮用水行业对超滤的一般共识是超滤有通常小于 0.05 微米的膜孔径。微滤可去 除如隐孢子虫
和贾第鞭毛虫致病原生动物和细菌， 而超滤用于清除致病原生动物， 细菌及病 毒。从饮用水处理的实际应用角度来看，这个微滤和超滤之间的区别微不足道：首先，病毒 很容易用化学消毒灭活。即使在最坏的情况下，氯消毒可轻易达到 4-log （即 99.99%） 以 上的病毒灭活 （Ct 值小于 15（毫克/升）- 分钟）。氯或氯胺消毒是所有在美国饮用水处 理厂的标准做法。其次，不少低压膜水处理厂有一些预处理，如预氧化和/或消毒，或是混 凝沉淀。这些工艺流程形成了对病毒多重障碍。因此，既使微滤有相对低的病毒去除率，也 不会危及该工艺满足水质法规的要求。 一些美国州一级环保管理机构不批准低压膜系统 （包 括微滤和超滤） 用于病毒去除， 是因为目前的检测方法还无法核实膜完整性以确保对病毒的 去除。
为了满足达到处理目标， 用微生物挑战试验中对目标病原体的去除率来评价膜的去除效 率可能更有意义。 在过去的研究中曾发现膜供应商赋予膜的标定级并不总是与该膜对微生物 去除的效果相吻合[5]。这种差异可能是生产过程中不充分的质量控制或膜完整性问题所致。
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图 3：不同形状的分子大小与分子量之间的关系[4]
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球状分子 100,000.0
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