超滤膜在饮用水处理中的工艺分析

水是地球上一切生命赖以生存、人类生活和生产活动不可缺少的重要物质，是不可替代的重要自然资源［１］。

随着我国工业、农业和城市建设的迅速发展，对淡水的需求量急剧增加，而由于污染造成的水质性缺水更加剧了水的供需矛盾。

水已成为制约２１世纪中国社会经济持续发展的重要因素［２］。

近２０年来，虽然我国污水的处理率在不断提高，但我国污水的年排放量仍在大幅度增加。

由于大量生产和生活废弃物未经处理排入各种水体，造成水体污染，特别是日益突出的富营养化问题已经成为当今水环境管理中全社会关注的热点、难点。

面对日益严峻的水污染形势，如何保护水源水质，解决城市集中式供水水源地的水质安全问题已成为事关国家安全的重大问题，也是摆在政府和科研工作者面前的一个严峻挑战。

因此，除了加强污染治理外，开发和推广各种实用水处理技术、消除或减少污染，改善水质就成了当今社会的一项紧迫任务。

给水和排水处理应该像人身上的动脉和静脉循环血液那样，建立起健康的水循环体系，才能拯救水资源，解决水危机。

水处理技术很多，膜技术就是其中一种极具潜力的新型技术。

１　膜分离技术膜是两相之间的选择性屏障。

直观地讲，它是一种高分子材料，通过压差的作用将料液进行选择性分离的一种薄膜［３］。

通过它进行的分离过程称作膜分离。

膜可以是具有渗透性的，也可是具有半渗透性的，但不能是完全不透过的。

膜可以存于两流体之间也可以附着于支撑体或载体的微孔隙上，膜的厚度应比表面积小得多。

膜分离是以选择性透过膜为分离介质，在两侧加以某种推动力时，原料侧组分选择性地透过膜，从而达到分离或提纯的目的。

它与传统过滤器的不同在于，膜是一个有选择性的分子筛，可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不发生相的变化和不需添加助剂［４］。

在膜分离出现之前，已经有许多的分离技术在生产中得到应用，如蒸馏、萃取、深冷分离等。

膜分离与这些传统的分离技术相比，具有以下特点：（１）膜分离通常是一个高效的分离过程。

（２）膜分离过程的能耗一般比较低，大多数膜分离过程都不发生“相”的变化。

（３）多数膜分离过程的工作温度在接近常温，特别适用于对热过敏物质的处理。

（４）膜分离设备本身没有运动的部件，工作温度又在常温，所以很少需要维护，可靠性很高。

（５）膜分离过程的规模和处理能力可在很大范围内变化，而它的设备单价、运行费用等都变化不大。

（６）膜分离设备通常体积小，占地面积少。

（７）膜分离通常可以直接插入已有的生产工艺流程，不需要对生产线进行大的改变［４］。

２　膜技术在饮用水行业的发展膜作为分离两相之间的一层薄膜，对穿透物质进行选择性阻拦。

在２０世纪６０年代早期，膜主要应用于取代蒸馏工艺为城市饮用水脱盐，但随着饮用水标准日益严格，如美国Ｓａｆｅ　Ｄｒｉｎｋｉｎｇ　Ｗａｔｅｒ　Ａｃｔ（ＳＤＷＡ）要求更严格的混浊度和化学消毒，同时美国Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　Ｒｕｌｅ（ＳＷＴＲ）要求确保对特定病毒、细菌和原生生物的去除或失活。

用传统处理工艺很难达到这些要求，然而膜技术可以很容易做到这些，而不受原水水质影响。

另一个影响膜技术使用的因素是市场动力，水处理市场开放，膜价格下降，膜技术逐渐被广泛应用。

目前，超滤膜分离技术应用于原水处理存在的最大问题是膜处理过程中杂质在膜表面产生堵塞和污染，从而造成膜透水通量的下降，导致膜处理过程的频繁冲洗甚至换膜，使制水成本居高不下。

膜透水通量随时间逐渐下降，其主要原因是浓差极化和膜污染。

截留分子量更小，抗污染能力更强的超滤膜组件的研制和开发是超滤膜技术向更高水平发展的关键所在。

３　超滤膜在饮用水处理中的工艺３．１工艺流程图实验的工艺流程如图１所示，实验采用一体式膜反应器形式。

一体式膜反应器的主要优点是体积小，接体性强。

膜组件直接置于生物反应器中，大大减少了占地面积；运行动力费用低。

膜表面的错流是靠空气搅动而产生的，混合液随气流向上运动，在膜表面产生剪切应力，在这种剪切应力的作用下，沉积在膜表面的颗粒容易脱离膜表面，因此不需要功率较大的循环泵，处理每吨生活污水的能耗较低。

主要缺点是需要定期将膜组件取出生物反应器进行化学清洗，因而管理方面上不及分置式；出水不连续；单位膜面积的产水率较低，一般仅为５～１０Ｌ／ｍ２ｈ。

３．２工艺流程各单元描述整个实验装置由反应器系统、超过滤系统、自动反冲洗系统三个部分组成。

３．２．１反应器系统（反应器系统，当做超滤自来水实验时，不添加活性污泥，所以称为反应器系统）在本试验中，反应器的底部设有排泥孔，上部设有入水孔，侧面距离底部６０ｃｍ处设有取样孔；反应器的曝气分为两部分：一部分为底部的反应器曝气，另一部分为膜组件的曝气。

３．２．２超过滤系统超过滤系统采用外压式中空纤维膜组件。

膜组件直接置入反应器内，通过泵的抽吸，得到过滤液。

膜组件是膜系统的最小可替换单元。

一片膜组件由上千根水平的中空纤维膜丝以及两端垂直的塑料固定封头所构成。

膜丝两端由封头固定住，膜组件的上端和下端并通水，以产生由下自上垂直超滤膜在饮用水处理中的工艺分析吴松林（浙江省丽水市青田县油竹新区管理委员会 浙江丽水 ３２３９００）摘　要：随着全球经济的发展和城市化进程的加快，饮用水水源的污染同趋严重。

而对污染物研究的深入以及饮用水水质标准的加强，饮用水中影响健康的潜在问题越来越让人们重视。

膜分离技术被认为是“二十一世纪的水处理技术”，超滤被认为可能替代传统给水处理工艺的最佳选择。

本文对超滤膜在饮用水处理中的工艺进行了分析。

关键词：超滤膜 饮用水处理中图分类号：Ｒ１２３文献标识码：Ａ文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２０１１）０１（ｃ）－００５３－０２图１　超滤膜处理饮用水工艺流程图１．入水罐；２．生物反应器；３．膜组件；４．清水储罐；５．反冲洗水罐；６．时间控制继电器；７．液位控制继电器（下转５５页）于膜丝的水流。

将膜组件在水平和垂直方向上排放组成膜列，在垂直方向上，标准的膜列由三个组件构成，但在比较浅的膜池中也可以只放置两片膜的膜列。

这样的膜组件排列方式能保证膜列与实际膜池的配套，更有效地改造现有水池。

膜组件就像书本从书架中插入和取出一样可以任意从膜列中插入或者取出。

每一片膜都由独立的阀门与垂直的产水管相连接。

由一定数量的膜列浸没在一个开放式的池中就构成了膜池，进水由沿着膜池的配水渠由下自上进入膜池。

产水则由统一收集在产水管中。

３．２．３自动反冲洗系统为了减缓膜的水通量衰减，实验装置设了自动反冲洗系统。

自动反冲洗系统的工作过程是交替地启动和关闭抽吸泵、反冲洗泵及相应的电磁阀，定期对膜进行反冲洗。

反冲的压力由阀门控制，反冲洗的周期由０－９９ｍｉｎ时间继电器控制，反冲洗的时间由０－９９０ｓ的时间继电器控制。

３．３维护性清洗有机物的污染和微生物的滋生可能造成膜过滤能力下降，为了防止膜污染，必须进行消毒和清洗．目前试验过程中，每天要对膜系统进行一次维护性清洗，具体步骤为：正常反冲洗一次，然后用１００ｐｐｍＮａＣｌＯ浸泡１０ｍｉｎ，排水，管道清洗。

４　结语超滤工艺系统对浊度和有机物的去除效果是验证膜分离技术实用化可行性的前提。

通过超滤膜处理，能较好的去除饮用水中的微量三致（致诱、致畸、致癌）物质前驱物和浊度。

在加入粒状活性炭的条件下，其对三致物质前驱物的稳定去除率为８０％，其对浊度的稳定去除率都达到９０％。

超滤膜的作用机理认为主要存在以下三种作用：①溶质在膜面及孔壁上的附；②溶质的粒径与膜孔相当，在孔中停留，引起膜孔堵塞；③溶质的粒大于膜孔，在膜面被机械截留，实现筛分［５］。

超滤膜的这三种机理协同作，构成了胶体和悬浮颗粒的有效屏障，所以去浊效果十分理想。

添加粒状活性炭可以明显改善反应器中水的流动状态，降低膜面的浓差极化层的厚度，加强膜面的传质动力，提高膜的水通量，同时减缓污染物在膜面的沉积，降低膜污染的速度。

组件的摆放方式的改变可以明显的减缓膜的污染，提高膜的水通量。

对反冲洗及其流量的大小的实验结果表明，反冲洗可以明显的降低膜污染的速度。

参考文献［１］陈益明，等．城市污水回用现状及发展趋势［Ｊ］．净水技术，２００３，２２（５）：３４－３６．［２］黄永基，陈晓军．我国水资源需求管理现状及发展趋势分析［Ｊ］．水科学进展，２０００，１１（２）：１５－０６．［３］马云翔．田福利一膜分离技术［Ｊ］．内蒙古石油化工，２００３，２９（１）．［４］任建新．膜分离技术及其应用［Ｍ］．化学工业出版社，２００３．［５］张捍民，等．淹没式膜过滤饮用水装置去除水中污染物试验研究［Ｊ］．给水排水，２０００，２６（６）．度的增加而增加，因为过高的磁场强度会降低靶材利用率［５］。

当前磁约束磁控溅射装置中的永磁铁选用的是钕铁硼，尺寸为５０ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍ，文中矩形平面靶的靶长度远大于宽度，在整个靶的工作区域磁场分布基本一致。

因此对于工作区域的磁场我们采用ＡＮＳＹＳ有限元软件进行分析计算［６］。

２．１磁铁厚度对磁场的影响文中在ＡＮＳＹＳ模拟过程中，分别对永磁铁的厚度为１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ时所产生的磁场进行模拟对比，最终得出磁场强度分布曲线如图２所示，从图２中可看出当磁铁厚度为１０ｍｍ时，磁铁两端的磁场强度与中心点磁场强度比值最大，且磁场强度分布比较对称，也就是说磁铁厚度为１０ｍｍ时磁约束效果最好。

由此可见，磁铁的厚度对磁约束装置中的磁场强度分布是有一定影响的，厚度越大，磁约束效果越差。

２．２磁铁间距对磁场的影响在磁铁的设计中分别对磁铁间距为１４０ｍｍ、１６０ｍｍ时的磁场进行模拟，得出磁场强度分布曲线如图３所示。

从图中可以看出当磁铁间距为１６０ｍｍ时，磁场强度分布比较对称，两端磁场强度与中心点磁场强度比值较大，即磁约束效果较好。

从以上的模拟结果可以得知，磁铁的最终参数为厚度１０ｍｍ，磁铁间距为１６０ｍｍ。

通过实验的验证得出如图４所示的磁场强度分布曲线。

图４为实测靶面磁场强度与模拟值的对比，首先，从图中可以看出靶面Ｙ轴方向的场强分布是两边强中间弱，由于两侧磁铁的作用从而验证了磁约束原理，其次，理论值与实际值基本吻合，但仍存在一定的偏差，原因是因为在理论模拟过程中网格的划分存在误差造成的，而实际测量时磁铁的磁场可能也会受到外界一些因素的影响而与实际值有所偏离，但这些基本都在误差范围之内，对实验结果影响不会很大。

３　结语图４　模拟数据与实测数据的对比图Ｆｉｇ．４　Ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｄａｔａ通过研究磁场对磁控溅射过程的影响，总结出矩形平面直流磁控溅射装置工作区域的磁场强度分布情况。

文中采用不同结构参数进行了对比分析，得出磁铁厚度为１０ｍｍ、相对磁铁间距为１６０ｍｍ时约束效果较好。