能源与环境超滤膜元件运行性能分析Ξ孟凤鸣,靖大为(天津城市建设学院膜技术中心,天津300384)摘要:以特定的水源和国产超滤膜元件为基础,较为系统地分析了国产超滤膜的水力特性、水质特性以及清洗特性,就此对该超滤膜的性能做出综合评价,从而为超滤膜元件的设计和运行提供依据.关　键　词:超滤技术;膜性能;膜污染;膜清洗中图分类号:T U991.2 文献标识码:A 文章编号:100626853(2004)0320186205 超滤技术是水处理领域最活跃的技术之一,广泛应用于给水的深度处理、中水的回用、纯水和高纯水的制备等领域.超滤技术应用范围之广,处理规模之大,是其它膜技术无法比拟的. 经过多年的努力,国产超滤膜技术有了很大的发展.在制膜材料、制膜工艺、元件规格、膜的性能、膜系统工艺等诸多领域均取得了很大成就.但是,由于超滤工艺处理料液的多样性,很难给定超滤膜元件的性能参数.这一现象在客观上为超滤膜元件的设计与运行增添了障碍,在一定程度上制约了它的发展.因此,寻找有代表性的料液,检测并分析对应代表性料液的超滤膜元件的运行性能参数,并建立相应的数学模型是超滤系统设计的基础性工作. 笔者以特定的水源、特定的膜品种为例,给出了国产超滤膜的技术参数,以供设计和工程人员参考.相关技术参数主要包括给水水质、给水温度、错流量等外部参数对超滤膜元件的产水通量、产水水质的影响,同时,分析了膜系统的污染与清洗特性. 超滤膜的通量是产水流量与膜面积的比值,它是跨膜压差、水质、温度、错流量的函数,且与进水方式有关.设通量为Q ,跨膜压差为P ,水体温度为T ,给水水质为W ,错流量为B ,则产水通量可表示为 Q =f (P ,T ,W ,B ) 本文涉及的特定水源为湖水,特定膜元件为国产聚丙烯腈内压式超滤膜(膜面积为20m 2,规格为4040),水质的主要指标为C OD 和浊度.1　进水水质的通量特性1.1　标准曲线的测定 在以纯水作为原水,25℃,错流量分别为0,8,12,16L/min 的情况下,此膜元件的标准通量2压力特性曲线均为一条直线且重合,如图1中的纯水曲线.由于纯水中悬浮固体很少,对膜的污染、堵塞很小,因此有无错流对通量没有影响,通量是跨膜压差的一元一次函数.1.2　不同浊度的通量特性 当分别以其它水源水作为超滤膜的原水时,在同样的温度、同样的错流量下,超滤膜的通量2压力特性曲线不再是直线.在压力较低的情况下,由于污染刚刚开始,通量2压力特性仍然遵循线性关系;随着压力的增加,通量也增加,但由于污染越来越严重,甚至形成凝胶层,通量增加的幅度会明显减小,通量2压力特性曲线已不再是直线;如果压力进一步上升,通量增加的幅度进一步减小,直至通量的增加量几乎为零,此时压力增加,通量几乎不再增加. 通常把通量变化幅度明显下降,通量与跨膜压差明显不再遵循线性关系的点,称为凝胶层形成点.刚形成凝胶层的压力称为临界压力,此时的通量称为临界通量[1-2].膜的操作压力一定要在临界压力以下,当操作压力高于临界压力时,产生的污染为不可逆的,通过水洗无法恢复,必须要化学清洗.Ξ收稿日期:2004206202;修订日期:2004207208 作者简介:孟凤鸣(1975-),女,河北晋州人,天津城市建设学院硕士生. 天津城市建设学院学报　第10卷　第3期　2004年9月Journal of T ianjin Institute of Urban C onstruction V ol.10　No.3　Sep.2004 不同水质的通量压力特性如图1.水源一的浊度为6NT U ,水源二的浊度为12NT U.可以看出,由于水源一和水源二中含有一定的悬浮固体,对膜构成了污染或浓差极化,产水通量低于纯水;且在相同跨膜压差的情况下,浊度高的原水,超滤膜的通量小;在相同通量的情况下,浊度高的原水,所需跨膜压差大.由此得出,在保持一定产水量的情况下,浊度高的原水,由于压力大、污染严重,更易形成凝胶层.因此宜采取预处理或错流方式运行.图1　不同水质下的通量2压力特性曲线2　温度的通量特性 温度的通量2压力特性如图2所示.在水质相同、运行方式相同的情况下,温度越高,相同跨膜压差下的膜通量越大;或相同膜通量下的跨膜压差越小.这是由于温度升高,原水的粘度降低,传质系数增大的缘故.图2　不同温度下的通量2压力特性曲线 在设计工作中,由于一年四季的温差较大,因此,应校核年最低温度时的产水量是否符合设计要求.在工程管理中,也应密切注意低温时的产水量变化,一旦产水量不能满足用水要求,应及时地调整压力. 此外,由于膜材料本身有一定的耐温范围,处理的料液也有一定的温度或温度范围,因此在实际的设计和运行时,应统筹兼顾,合理调整,既要保证系统的正常运行,又要保证处理水量或产水量的要求.3　错流量的通量特性 对于一般水源,由于错流量影响着膜表面的浓差极化程度,因此错流量的大小,影响着通量2压力特性,如图3所示,同温同水质下,错流量越大,相同跨膜压差下的通量也越大.因此,在浊度大或悬浮固体较多时,宜采用错流方式运行.但由图3可以看出,由于错流量增加的幅度大,通量增加的幅度小,使得膜的收率减小.收率减小的问题,可以采用回流的运行方式解决.当原水为纯水时,错流量不再影响通量2压力特性,如图1中纯水曲线.此处不再赘述.图3　不同错流量下的通量2压力特性曲线4　水力清洗、化学清洗的方法和效果 在超滤膜的使用过程中,不可避免地要产生污染.膜的污染是指处理水体或物料中的微粒、胶体、或大分子等,由于与膜存在着物理化学作用,而引起的膜表面或膜孔内的吸附和沉淀,造成膜孔径变小或堵塞,致使膜通量或膜的分离特性产生不可逆转的变化,这种现象称为膜污染[2]. 减轻膜污染的方法有多种,其中,清洗是不可缺少的.清洗包括水力清洗和化学清洗.膜的清洗频率和时间,应根据具体的水质、产水量要求和膜的种类而定.一般应为标准通量降低20%～25%时,进行一次水洗,当水洗后的通量不能满足要求时,进行化学清洗. 膜的水力清洗,采用正冲—反冲—正冲连续进行,正冲和反冲的时间为60s ,水洗间隔为15min.正冲采用原水,冲洗力度为正冲的流量是产水流量的三倍;反·781·　天津城市建设学院学报 孟凤鸣等:超滤膜元件运行性能分析冲采用超滤水,冲洗力度为反冲的流量是产水流量的两倍. 膜的化学清洗要考虑几个方面的因素[3].首先是膜的性质.某公司生产的聚丙烯腈中空超滤膜元件,使用的温度范围为0～45℃,pH 范围为2～10,耐氯性最大为10000mg/L.其次是污染物的性质.由于原水为地表水,pH 为10,微生物污染是最大的危害;再者,是一些无机污染物.结合超滤膜的性质,采用了盐酸和次氯酸钠清洗,盐酸酸洗的pH 范围为2～3,次氯酸钠清洗的pH 范围为9～10,药液的温度在(30±2)℃.最后是清洗方式.由于此超滤膜元件为内压式中空超滤膜,在清洗的过程中采用正冲与反冲结合的形式,清洗力度与水力清洗相同.具体的化学清洗方式为:酸正冲30min ,酸反冲30min ,酸正冲30min ;次氯酸钠正冲30min ,浸泡3h ,次氯酸钠反冲30min ,次氯酸钠正冲30min. 在分析中,采用特性通量(参阅美国环保局、世界卫生协会环境认证声明,见EPA ,NSF.ET V Jiont Verifi 2cation Statement.May 2000,NSF 00/07/EPADW395)的恢复率作为判断清洗效果的指标.特性通量是单位膜面积、单位跨膜压差、单位时间的产水量(单位:L/(h ·m 2·MPa )),它与膜面积、压力无关,与温度、污染程度、水质、运行方式有关.当温度、水质、运行方式一定时,反映了膜表面的污染程度.恢复率为清洗前的特性通量与清洗后的特性通量之差除以最初特性通量. 水力清洗的结果如图4所示.随着系统的运行,水力清洗的恢复率逐渐降低,但降低的幅度逐渐减小,直至恢复率几乎不再改变,系统的运行渐趋平稳.同时也说明,单纯的水力清洗不能使特性通量完全恢复,必须化学清洗.水力清洗效果如图5所示,正如分析的一样,通过水力清洗,特性通量的恢复率很低,不到40%.当恢复量降至250L/(h ·m 2·MPa ),需要化学清洗.图4　特性通量恢复率 化学清洗的结果比较理想,当特性通量衰减72.26%时(如图5),单纯的水力清洗只能恢复其中的33%,其余的39%损失,要靠化学清洗实现恢复.通过水力清洗和化学清洗,最终实现了70.85%的恢复,如图6所示.图5　特性通量的恢复图图6　化学清洗效果图·881·天津城市建设学院学报 2004年　第10卷　第3期　5　原水水质对截留率和出水水质的影响 截留率是超滤膜的重要指标,在一定程度上代表了膜的精度.但是,截留率的大小,不仅仅与膜品种有关,还与原水水质有关.当原水的浊度较高时,对浊度的截留率也较高;当原水C OD Mn 增加时,对C OD Mn 截留率也随之增加.对于某一地表水而言,一般截留分子量为5万Dalton 的超滤膜,对浊度的截留率在99%以上,对C OD Mn 的截留率在70%以上. 超滤膜的出水水质是决定超滤技术能否占有水处理市场的重要因素.超滤膜的出水水质由超滤膜的精度决定,但也与原水水质有关.特别是当污染物在水中的存在形态有很大的变化时,更要特别关注影响污染物存在形态的因素.若以浊度和C OD Mn 两个指标作为衡量超滤膜出水水质的标准,一般随着原水浊度和C OD Mn 的增加,超滤膜出水的浊度和C OD Mn 稍有增加,但增加幅度很小,如图7,8所示,说明超滤膜的出水水质比较稳定.正是由于超滤膜对浊度、C OD Mn 具有较高的截留率和出水水质稳定的特点,使得超滤工艺被广泛应用于给水的深度处理、中水回用等领域.图7　不同浊度下出水的COD值变化图8　不同原水浊度下半水的浊度变化6　结　论 超滤膜运行性能试验研究,解决了超滤技术的一些水力特性和水质特性问题;明确了运行方式、进水水质、温度、压力等对通量、水质的影响及其变化规律;寻找出了切实有效的清洗方法和试剂,评估了此品种超滤膜的运行稳定性,为超滤技术的设计和应用奠定了可靠的基础. (1)同温度下,当原水为纯水时,超滤膜的通量2压力特性不受错流量的影响,呈直线关系;当原水为某一特定的水源水时,膜的通量2压力特性不再呈直线关系.如果跨膜压差小于临界压力,通量2压力特性仍呈直线关系;如果跨膜压差大于临界压力,通量增加的幅度将随跨膜压差的增大而逐渐减小,直至几乎为零.当原水为不同浊度的水源水时,浊度大的原水,其相同跨膜压差下的通量小,或相同通量下的跨膜压差大. (2)温度严重地影响着通量2压力特性.同水质、同运行方式下,温度升高,相同跨膜压差下的通量将增加. (3)错流量影响着浓差极化,从而影响着通量2压力特性.同温、同水质下,随着错流量的增大,相同跨膜压差下的通量也增大,但由于与错流量增加的幅度相比,通量增加的幅度较小,故收率将逐渐降低. (4)清洗是保持产水量、降低污染的重要手段.由于正常的水力清洗不能使特性通量完全恢复,必须化学清洗.当以地表水为原水时,微生物污染占绝对优势,无机盐污染相对较低.采用盐酸和次氯酸钠作为清洗剂,效果是比较理想的,特性通量的衰减基本恢复,化学清洗后的特性通量是初始特性通量的98%. (5)超滤膜的出水水质由超滤膜的精度决定,但受原水水质的影响.当原水的浊度和C OD Mn 值较高时,超滤出水的浊度和C OD Mn 值也较高,但变化幅度很小,与原水水质相比较,出水水质是很稳定的,从而证明超滤膜系统的运行具备一定的稳定性.参考文献:[1]　大连欧科新源超滤膜技术有限公司.超滤膜技术介绍[E B/O L ].http :∥w w /p19.htm ,2002209210/2004206230.[2]　任建新.膜分离技术及其应用[M].北京:化学工业出版社,2003.22.[3]　张玉忠,郑领英.液体分离膜技术及应用[M].北京:化学工业出版社,2004.722105.·981·　天津城市建设学院学报 孟凤鸣等:超滤膜元件运行性能分析Analysis of running performance of ultrafiltration membrane elementsME NG Feng 2ming ,J I NG Da 2wei(Membrane T echnology Research Center ,TI UC ,T ianjin 300384,China )Abstract :On the basis of specific water s ources and ultrafiltration membrane elements ,s ome characteristics of the domestic ultra 2filtration elements are discussed ,including hydraulic features ,water quality features and cleaning features.And the performance of the ultrafiltration element is comprehensively valued ,thus providing a basis for the design and operation of the elements.K ey w ords :ultrafiltration technology ;membrane performance ;membrane pollution ;membrane cleaning·091·天津城市建设学院学报 2004年　第10卷　第3期　。