超濾技術

    超濾技術是一種以壓力差為推動力，利用膜的透過性能，達到分離水中離子、分子以及某種微粒為目的的膜分離技術。超濾膜的孔徑范圍大致在0.005~1微米之間，填補了微濾和納濾之間空隙。國內外學者提出超濾過程實際上同時存在三方面的情形：①溶質在膜表面以及微孔壁內產生吸附；②溶質的粒徑大小與膜孔徑相仿，溶質在孔中停留，引起堵塞；③溶質的粒徑大于膜孔徑，溶質在膜表面被機械截留，實現篩分。

    超濾過程一般有兩種方式:終端過濾和錯流過濾。對濁度較低、水質較好的原水，一般采用終端過濾，這樣可以大大降低工藝的能耗;對于濁度較高、污染較為嚴重的水，就采用錯流過濾，這樣可以避免大量的污染物累積在膜的表面，造成膜的污染，降低過濾性能。

    超濾膜的形態結構和種類

    超濾膜的橫截面具有不對稱結構。它一般是由一層厚度<1微米，起到篩分作用的致密層和一層厚度較大(通常為125微米)、具有海綿狀或指狀多孔結構的支撐層組成。目前，已經在工業生產和生活中常用的膜組件主要有:管式、板框式、卷式和中空纖維式等幾種。中空纖維膜又有內壓膜(致密層在內)、外壓膜(致密層在外)和雙向膜(內外都有致密層)三種結構。總的來說，還是存在膜品種少、膜孔徑分布較寬和性能不穩定等缺陷。

    超濾膜對有機物的去除效果及影響因素

    超濾膜的截留分子量范圍一般為5000~10000ODalton，天然水體中有相當大一部分溶解性有機物的分子量低于該范圍，導致超濾膜對其攔截效果很差。事實上，天然水中這一類的低分子溶解性有機物所占的比例往往較大。

    超濾膜對有機物的去除，不同情況下差異很大。有學者用切割分子量為10萬Dalton的中空纖維超濾膜對20種不同的原水進行過濾，TOC平均去除率為18%，UV25的平均去除率為28%。同樣為去除水中的TOC，Laine等人用終端過濾的方式處理地表水，超濾膜對TOC的去除率在42%左右。

    所以，尋找合適的方式盡可能地減少這種差異，提高超濾膜的處理效率是關鍵。從膜方面著手，就是尋找新的膜材料或者對膜進行改性；從處理工藝方面著手，就是尋找合適的處理工藝與超濾膜相組合，從而達到優化處理的效果。

    預處理對膜過濾性能的影響

    水中的懸浮物、膠體雜質、細菌(病毒)等在過濾過程中會附著在膜表面，使膜受到污染，被截留的雜質也會迅速在膜的表面產生濃差極化現象；同時，水中部分細小的顆粒物會進入膜孔內使水通道堵塞，水體中的微生物及其代謝產物也會粘附在膜表面。所有這些都會影響到膜的過濾性能，再加上前面提及的諸多影響因素，因此，膜供水必須進行適當的預處理，盡可能多的去除水中的溶解性有機物或者改變其在狀態、降低膜污染、提高膜的過濾性能、延長使用壽命并降低水處理費用。預處理方法有很多:生物預處理、臭氧預處理、活性炭(顆粒炭GAC或者粉末炭PAC)預處理混凝預處理等。其中研究最多的則是臭氧、活性炭(GAC或PAC)和混凝三種預處理方法。

    臭氧預處理對膜過濾性能的影響

    日本的SSawada等人研究了臭氧預氧化對孔徑為0.1微米的PVDF微濾膜過濾性能的影響。試驗用5.0mg/l的腐殖酸和10mg/l的高嶺土配置原水，然后向水中投加4.5mg/l的，結果發現該狀況下的透水通量是未臭氧預處理時的2倍。并且，投加時，過濾阻力下降;停止投加，過濾阻力上升。他認為臭氧能將水中本來對膜有污染作用的有機物(腐殖酸)分解成不易污染膜的、更分散的物質，減緩膜污染，并使得反沖洗時膜表面的污染層更容易去除。

    可見，臭氧預氧化對膜過濾性能的改善是有利的。但是臭氧氧化副產物(如溴酸鹽)和膜組件的耐臭氧性能是該預處理方法應該考慮的問題。

    活性炭(GAC或PAC)預處理對膜過濾性能的影響

    利用活性炭(GAC或PAC)和其他多孔的具有較大比表面積的吸附劑來吸附原水中能夠污染膜的溶解性有機物，達到降低過濾阻力、提高透水通量和有機物的去除率的目的。

    董秉直等人，用粉末活性炭與超濾聯用技術處理黃浦江原水，試驗表明，粉末活性炭與膜聯用能有效提高有機物的去除效果;粉末活性炭不會造成膜過濾阻力的增加，并且膜過濾阻力隨著粉末活性炭投加量的增大而減小。

    JamesA.Nilisont等人用PAC作為NF的預處理，試驗結果發現PAC并不能有效地防止膜污染。他們認為疏水性有機物是引起膜污染，造成膜通量下降的主因。而PAC只能有效地去除親水性有機物，對疏水性有機物去除效果很差。所以，PAC對膜過濾沒有起到實質性作用。活性炭對膜過濾性能的影響，有利地一面是吸附大量可以污染膜的有機物，減小過濾阻力，提高膜的透水通量；不利的一面就是在去除有機物方面，它也存在一定的局限性；同時，長期吸附在膜表面的活性炭有可能會在炭粒內部滋生微生物進而污染膜。

    混凝(絮凝)預處理對膜過濾性能的影響

    Carroll等人用“原水—混凝(鐵鹽)—微濾”和“原水—0.2微米濾膜過濾—微濾”兩種工藝進行膜過濾通量的比較試驗，結果發現混凝后的膜通量與0.2微米濾膜過濾后，膜通量的下降是相同的。他認為混凝主要去除的是大于0.2微米的膠體，而不能去除溶解性有機物，膜污染主要是溶解性有機物中的中性親水性有機物，所以說混凝無法降低膜污染。

    董秉直等人認為，相對分子質量>1000的有機物是造成膜污染的主要因素，相對分子量<1000的有機物對膜污染影響較小。混凝能有效去除分子量較大的有機物，因而可以防止膜污染。同時，又指出混凝劑的投加量與膜過濾性能密切相關。

    李偉英側用鐵鹽混凝劑作為超濾的預處理，通過大量的中試試驗，認為混凝能去除溶解性有機物，降低膜污染，但是投加的鐵鹽混凝劑卻也加重了膜的不可恢復通量。

    混凝(絮凝)對膜過濾性能的影響，到現在還沒有一個定論。原因很多，一方面，人們對引起膜污染的原因及其物質還沒有達成共識;另一方面，混凝對水中有機物和膜表面的荷電性有什么影響也還不清楚。