超滤膜发展现状概述及国内外工程应用分析

行业视角

超滤膜发展现状概述及国内外工程应用分析

巨姗姗

(信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司，四川成都610021)

摘要如今超滤膜系统正广泛地运用于水厂新建和改造中。该文介绍了超滤膜材料、化学性质、使用类型等，分析了PVDF膜广泛运用的原因，并以工程实例对压力式和浸没式超滤膜比较了经济性。结果表明PVDF膜具有耐污染、易清洗、化学稳定性好等特点；压力式超滤膜系统工程投资较浸没式省，维护方便，运行成本低。

关键词水处理超滤膜比较

中图分类号：X703文献标识码： B

[收稿日期]2015-03-20

[作者简介]巨姗姗(1982—)，女，硕士研究生，工程师，研究方向为水处理及给排水设计。E-mail： 652441745@qq.com。

Development Situation and Engineering Application of Ultrafiltration Membrane at Home and Abroad

Ju Shanshan

(ITElectronicsEleventh&ResearchInstituteScientificandTechnologicalEngineeringCo.,Ltd.,Chengdu610021,China)

AbstractUltrafiltration membrane system is wildly used in newly-built and reforming water plants nowadays. The materials of ultrafiltration membrane, chemical properties and types were introduced in this paper. The reasons of extensive use of PVDF were analyzed. The economy of pressurized ultrafiltration membrane and immersed ultrafiltration membrane was compared. The results indicate that PVDF has advantages of resistance to pollution, easy-to-clean and good chemical stability. Pressurized ultrafiltration membrane has advantages of saving project investment, easy-maintenance, low operating cost compared with immersed ultrafiltration membrane.

Keywordswater treatmentultrafiltration membranecomparison

1超滤系统概述

图1　中空纤维膜过滤示意图 　Fig.1　Filtration of Hollow Fiber Membrane

超滤技术为核心的组合工艺作为水处理中的新技术，引起了人们的广泛关注[1]。超滤是介于微滤和纳滤之间的膜过滤，膜孔径为0.05μm～1nm，实际应用中一般不以孔径表征超滤膜，而以截留分子量表征[2]。超滤系统是以中空纤维超滤膜为中心处理单元，处理液以一定的流速通过膜表面，水分子在一定的压力驱动下透过膜，而悬浮物、胶体、大分子有机物及微生物等则被阻截，从而达到净化分离的目的。图1为中空纤维膜过滤示意图。

超滤技术对胶体、病原微生物、悬浮物等有较好的去除效果，近几年，随着膜技术的发展，膜成本的降低，使得超滤技术在水处理行业得到了广泛的应用[3]。

超滤膜有多种不同的分类方式： 根据膜材料，超滤膜可以分为PVDF膜、PVC膜、PES膜等；根据处理液流动方向，超滤膜可以分为内压膜、外压膜；根据处理液进水的压力，超滤膜可分为压力式和浸没式；根据膜组件的形状分为管式膜、板式膜等。

1.1超滤膜材料

目前，超滤膜使用的材料主要分为有机高分子材料和无机材料两大类。其中无机材料类尚未得到大规模商业化应用，目前在供水行业应用更多的是有机高分子材料制造的超滤膜。有机高分子材料分类如表1所示。

表1　超滤膜材料分类

目前国际知名超滤膜品牌供货商有陶氏(DOW)、通用(GE、泽能ZENOE)、科氏(KOCH)、旭化成(ASAH)、美能(MEMSTAR)等，部分公司超滤膜产品材质统计如表2所示。

表2　各品牌超滤膜产品材料表

由表2可知PVDF已经成为世界主流的超滤膜用材料，其次是PES膜。PVC膜除国内个别厂家生产外，其他国家很少采用。饮水用超滤膜采用聚氯乙烯(PVC)时关键在于控制PVC材料不能使用抗氧化剂。PVC在热成型时会降解，所以必须添加抗氧化剂，常规抗氧化剂以铅盐居多，效果好成本低，近年来有机抗氧化剂出现，但效果稍差，成本高。与聚偏氟乙烯相比，由于聚氯乙烯耐酸碱性能较差，使用寿命低10%～20%。

PVDF超滤膜具有以下特点。

(1) 耐污染： 以PVDF为材料制成的超滤膜，其耐污染性能明显高于其他材料制成的超滤膜，因此过滤通量较大，同时产水性能衰减较小，从而延长了运行时间，减少了清洗次数，节省了清洗费用，延长了膜的使用寿命。

(2) 易清洗： 由于以PVDF为材料制成的超滤膜有良好的耐污染性能，使清洗变得容易，在通常情况下，用透过水对其进行反冲洗即可。

(3) 化学稳定性好： 由于PVDF有着良好的化学稳定性，有耐受较强酸、碱的能力，因此在必要时可对超滤膜进行大强度的化学清洗。

1.2国内外工程实例

在净水处理领域中，目前较常用的是压力式外压超滤膜和浸没式外压超滤膜。浸没式膜系统将膜组件或膜箱直接浸入到需要处理的水中，采用泵或虹吸的方式实现负压将水抽出；压力式膜系统将处理水经过泵加压后，通过管路引到膜组件内，在压力驱动下透过膜。

在市政供水处理中，采用超滤膜处理技术有快速增长的趋势，国内外大型膜处理工程如表3和表4所示。

表3　国外大型膜处理工程实例

表4　国内大型膜处理工程实例

(1) 早期、改造项目采用浸没式，近期、新建项目中压力式更多被采用；国外最新发展趋势表明压力式超滤已经逐渐取代浸没式，成为自来水处理的主流形式。

(2) 目前用于自来水行业的膜材料除了国内立升采用PVC材质外，各知名膜厂商(如GE、陶氏、MEMCOR旭化成、美能等)都以耐污染、亲水性好、更安全的聚偏氟乙烯(PVDF)为主。

2压力式超滤膜与浸没式超滤膜的比较

2.1两种膜系统的使用比较

从整个系统来看，压力式超滤膜系统为封闭式系统，安全性高、卫生性好，外观美观；浸没式超滤膜系统为敞开式系统，卫生安全较差。压力式超滤膜系统如图2所示，浸没式超滤膜系统如图3所示。

图2　压力式超滤膜系统 Fig.2　System of Pressurized Ultrafiltration Membrane

图3　浸没式超滤膜系统 Fig.3　Ssystem of Immersed Ultrafiltration Membrane

由图2和图3可知如遇膜丝断裂或者检修，浸没式超滤系统需要将膜组件膜箱整体吊出，再查找断裂膜丝，导致耗时长，影响大，而且需要较多人工；压力式超滤系统仅需更换某个膜柱，体积小，影响膜丝数量少，对运行影响小。

2.2两种膜系统的经济性比较

以国内某城市新建的10万t/d水厂为例，水厂设计工艺系统如图4所示。

图4　某水厂工艺设计流程图 Fig.4　Design Process of A Water Plant

浸没式超滤系统和压力式超滤系统两种系统的设计方案的经济性比较结果如表5所示。

由表5可知浸没式超滤由于膜系统面积大、药剂消耗量大、设备数量多等，直接运行成本高于压力式超滤膜系统。

表5　超滤系统方案比较表

3结语

(1) 在水厂膜处理系统中，从亲水性、稳定性、使用寿命来看，建议采用PVDF材质的超滤膜；PVDF膜具有耐污染、易清洗、化学稳定性好等特点。

(2) 浸没式超滤系统膜组件大，重量重，起吊困难，维护人工成本高；压力式超滤膜系统膜组件小，重量轻。在运行维护方面，压力式超滤膜系统具有操作简便，劳动强度低等优点。浸没式超滤膜系统每次化学清洗历时较长，耗药量高(膜池容积大)；压力式超滤膜系统化学清洗历时较短，耗药量小。

(3) 压力式超滤膜系统工程投资较浸没式省，工程直接运行成本较低。

参考文献

[1] 李永红,张伟,张晓健,等.超滤膜的污染控制研究进展[J].中国给水排水,2009,25(2)： 1-4.

[2] 任建民.膜分离技术及其应用[M].北京： 化学工业出版社,2003.

[3] 李圭白,杨艳玲.超滤——第三代城市饮用水净化工艺的核心技术[J].供水技术,2007,1(1)： 1-3.