内压式超滤膜与外压式超滤膜的比较
1. 简介
膜过滤有两种可行的操作模式：内压式过滤和外压式过滤，都可用于死端 过滤和错流过滤。膜可以在压力系统内或部分真空系统内工作，可置于外壳中（封闭式）或反应槽中（浸没式）。 ·以上总结仅限于中空纤维超滤/微滤系统，其它系统（螺旋卷式或板框式）不适用。 ·以上总结仅为可能之结合方式的简要概括
·有两种结合方式目前尚未上市（无供应商）
·从理论上讲，所有系统均可在正压力或部分真空下运行。净驱动压力通常
是透膜压力（TMP），即料液侧与渗透液侧的压力差。只要避免气蚀，绝对
系统压力与系统操作无关。
2. 理论优势
2.1预过滤
膜过滤系统通常的工艺手段是将那些可能堵塞处理系统的固体颗粒滤掉，这一作法也基本适用于所有处理系统。预过滤器的筛孔尺寸决定着处理系统的水力直径。按经验估计，预过滤器的筛孔尺寸应小于最小水力直径的20-25%。
内压式过滤系统的最小水力直径被定义为膜纤维的内部直径。该直径是恒定不变的，例如：多种内压式超滤膜系统为0.7-0.9毫米。这就要求预过滤器的筛孔尺寸为100-300微米。
外压式过滤系统的水力直径未被定义，该值（近似）从零（两根纤维接触）到几厘米（纤维束间的距离）不固定。大多数外压式过滤系统的供应商都推荐以最大水力直径（通常为包装袋印刷500至1000微米），而不是最小水力直径作为预过滤筛孔尺寸的基础。水力直径太小会发生局部堵塞，特别是那些接近膜封装的部位，颗粒状物质将堵塞膜孔，会导致膜的有效面积减少。
2.2传质
中空纤维过滤处理系统与管壳（列管）式换热器在原理上非常相似。两者都可以用一组方程式，来描述传质（过滤处理系统）或者热传递（换热器）。这组方程式描述传送率通常可以认为：
·传送率随流动速率的增加而增加。
·传送率随水力直径的增加而增加。
·膜系统中，最大的流速发生在纤维内部。纤维外壳侧的流速较低，甚至局部会发生（接近）零流动。
·管侧的水力直径与膜纤维的内径相等。但膜壳侧的水力直径变化范围很大，（近似）从零（两根纤维接触）到几厘米（纤维束间的距离）不等。水力直径的大范围变化体现在传质上亦为大范围变化。传质的不同转化为污染现象：高传质的区域比低传质的区域更迅速地被传染，也就需要更频繁地进行反冲洗。
从以上的分析我们可以得出如下结论：在膜过滤过程和反冲洗过程中，内
压式过滤都可以达到最优传质。
管壳（列管）式换热器一直以来沿用如下设计：污浊液从管的内侧流过，
过滤液流过交换器的外壳侧。这一设计是基于经验共识并有理论支持的。
2.3滞留体积
纤维内的含液量通常低于纤维外的含液量。如果含液量较少，固体水平就会
在过滤循环中迅速提升。这意味着实际操作中过滤周期变短。含液量少的优点是
在反冲洗过程里污染物去除得迅速。
对于内压式过滤系统，如果处理条件恒定，过滤周期和反冲洗周期都较短。
反冲洗周期较短的优点在于打断过滤流更少。如果需要产量保持恒定，所有过滤
流的中断都要在渗透液缓冲槽内进行缓冲。（例如：每小时反冲洗三次每次30
秒的做法优于每小时反冲洗一次90秒，这样做下游的缓冲区槽的容积只需要设
计可容30秒流量中断的尺寸即可，而不是发动机摇臂90秒，即缓冲区槽的容积仅为90秒
的三分之一。）
2.4浓度系数
当膜过滤系统用于截留病原体时，必须要考虑系统内浓度系数的问题。当过
滤系统运行时，诸如病原体类的污染物将在膜的进料液侧累计。当膜的完整性遭
到破坏后，膜的性能就会受到严重影响。发生这种情况的程度取决于系统的构成，
即内压式或外压式。
2.4.1外压式
浸没式膜系统的标准模型为一继续不断搅动的反应槽，或称CSTR。在该系
统中，料槽中不断地抽出清洁的滤出液，再补充以料液，料槽内污染物的浓度将
不断增加，直至达到即将进行反冲洗的程度，这样一来，在进料槽内污染物的浓度远高于料液本身污染物的浓度。其结果是浓度系数（CF）必然高于1。
一旦膜的完整性遭到的破坏，受损处就暴露于槽内高污染物浓度的体系中。
这样污染物（即：病原体）就可以从有缺陷处穿过，带来高风险，进行对系统的
对数去污率（LRV）产生重大影响。总的来说，CF越高（过滤器运行时间越长，
进料槽越小，滤过速度越高），污染泄露的风险就越大。
2.4. 2内压式
对于“内压式”系统，污染物堆积和容纳于纤维腔内部。与纤维内部的
情况不同，膜组件本身的进液端浓度不会增加。对于内压式系统，如果出现个别纤维的完整性受损，这根纤维内的浓缩液会从缺口处进入渗透液一侧。然而，需要指出的是，这种情况仅仅可能发生于单个受损纤维，但其它完好的纤维不会受到任何影响。实际上，完整纤维内的被截留的污染物是不可能流到受损纤维内的。所以，污染物有可能进入渗透液侧
的量可以疏忽不计（仅为单根受损纤维容量：0.75毫升）。即使发生纤维缺陷，从缺陷处通过的是料液，污染物的浓度是料液中的浓度，而不是更高。
与外压式相比，内压式发生纤维受损对去污率的影响要小得多，这是内压式的优点。
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3. 实践优势
3.1渗透性更高
由于传质率较低，外压式过滤系统膜的渗透性下降比内压式过滤系统更快。渗透性低带来的缺点如下：
·渗透性下降意味着如果要保持产量不变，就必须增加膜面积，或者使用更大功率的进料泵。不论增加膜面积还是使用更大功率的进料泵都需要更多的投资和更高的运行费用。
·清洁的膜与被污染的膜在渗透性上有非常明显的差别，这就解释了为什么在膜污染后产量会大幅度下跌，运行费用会陡然上涨。
浸没式系统在局部真空的条件下运行，其透膜压力与内压式系统的透膜压力
相似。但浸没式的膜的通量与内压式系统相比却低得多，并且所需安装的膜面积
要比内压式系统多50%。浸没式的最大透膜压力受泵出液气蚀压力的限制，这导
致浸没式的压力范围受限。
压力驱动外压式过滤系统必须在较高的透膜压力下操作，这样才能在低传质
率的基础上维持合理的膜通量（透膜压力高达3bar，而内压式的透膜压力还不到
1bar）。所以，它所需安装的进料泵的功率要3倍于内压式膜。
内压式超滤系统渗透性高的优点是：在产量一定的情况下，膜面积较小并且
/或者进料泵功率较低。这不仅降低投资，也降低运行费用（能耗和换膜费用）。
3.2无需进行气冲洗
内压式过滤系统依靠单级离心泵进行膜系统的反洗，通常去污率超过85％。
一般反洗泵操作时间还不到总操作时间的10％。
所有外压式过滤系统都需采用某种形式的气冲洗，这样才能保持膜的渗透
性。进行气冲洗是为了破坏滤饼层，增加膜的传质率。气冲所用鼓风机的效率通
常在70%左右。气冲过程要么连续不断地进行，要么采取开-断循环模式进行，
乳化液废水处理操作时间占总操作时间的10%到50%。
气冲不能代替反冲洗泵。外压式过滤系统中既要用气冲鼓风机，也要用反冲
洗泵。
内压式过滤系统不需要安装气冲鼓风机，可减少资金投入，降低运作成本（低
能耗，低折旧）
3.3无需局部反冲洗
由于传质率低、预过滤不充分，外压式过滤系统存在反洗不充分的风险。反
应槽中取出的进行过反冲洗后的过滤系统内部。我们把这种微粒阻塞于浸没式膜
集束顶端的现象称之为“roping粘黏”。roping粘黏造成膜通量在膜表面的分布
不均匀，膜相对清洁的部分必须将通量增大至一定程度才能维持原有的产量，这
会加速膜被污染的速度。尽管roping粘黏在短期内对膜性能的影响有限，但在
系统运行的过程中，这种碎屑的积累经常会破坏膜纤维。
外压式过滤系统的供应商尝试过多种操作方式，以期对付上述现象：
·将料液槽排空
·反冲洗进程中增加气冲洗
·反冲洗中加入化学药品（如氯）去除污垢
很显然以上方法并不是总能奏效，这时就需要中断系统运转，进行额外的
（人工）清洁。
内压式超滤膜的优点是：由于采用内压式操作，保证反冲洗能有效清洁膜的
全部表面。
4.市场误导
内压式与外压式过滤系统应严格加以区别。外压式过滤系统可以采用浸没式或密封式，在局部真空或高压环境下操作。本文件仅描述内压式与外压式过滤系统的不同。有些膜供应商企图混淆它们真正的区别，将浸没式膜与压力驱动膜、或是浸没式膜与内压式膜进行对比。这些过程不能进行比较，因为它们不是对立的过程，不具可比性。
通常存在以下市场误导
4.1预过滤器
误导1：内压式需要更好的预过滤器
预过滤器的筛孔尺寸水力直径的函数。外压式过滤系统的供应商考虑到局部堵塞
造成水力直径较小（在罐端的膜纤维间），通常选择相对较大的筛孔尺寸。内压式膜推荐使用最小水力直径的20-20%为筛孔尺寸，可以保证不发生膜堵塞。
适当的预过滤处理有如下优点：
·出水最高，全部膜面积均参与过滤。工业盐水
·没有可供微生物滋生的死角，能更有效去除微生物。
·化学清洗中，化学药品用量更少。标准的XIGA化学加强反洗过程要求普通的反洗优先于化学清洗。普通的反洗就可以去除所有的颗粒物质。化学加强反洗中的化学药品仅用于溶解被吸收的污垢。如果预过滤不合理，颗粒物质也和被吸收的污垢一样，会消耗化学清洗药品。
4.2转化/回收
误导2：外压式过滤系统的转化率高于内压式。
标准的内压式超滤膜设计在计算系统转化率时考虑到以下因素：
·反冲洗损失
·清洁损失
·由于泵ramp up/ramp down启动和停转带来的损失
·完整性测试中的耗水量
通常来说，外压式过滤系统在计算转化率时只考虑到反冲洗损失，其它的损
失都假定可以忽略不计，但实际上有时候其它的损失量也相当可观。
四合扣 浸没式外压式过滤系统是通过如下方法达到高转化率的：在过滤槽内放置多
个膜盒，并安装一个活塞流/推流系统，进料液从槽的一端流向另一端，在流动
过程中不断浓缩。槽末端的膜盒所处理的料液浓度就远远高于料液原来的浓度。
从图中也可以看到，系统的转化率是线上超滤单元数量的函数。如果减少线上超
滤单元的数量，减少推流的长度，那么转化率就会随之降低。
内压式过滤系统（独阶段）采用间歇式操作，全部进料都流入系统进行处理，
然后进行反冲洗。内压式超滤膜系统的转化率与线上超滤单元的数量无关。如果
要求较高的转化率，内压式系统可以增加二段过滤。二段过滤将一段过滤的浓缩
液再度进行浓缩。通过此方法达到的高转化率，与外压式过滤系统的转化率基本
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