5.3　超濾和微濾

5.3.1　原理與功能

超濾主要是在壓力推動下進行的篩孔分離過程。其基本原理如圖5-17所示。

超濾膜對溶質的分離過程主要有：

①在膜表面及微孔內吸附（一次吸附）；

②在孔中停留而被去除（阻塞）；

③在膜面的機械截留（篩分）。

通常超濾法所分離的組分直徑為0.005～10μm，一般分子量在500以上的大分子和膠體物質可以被截留，采用的滲透壓較小，一般為0.1～0.5MPa。超濾膜去除的物質主要為水中的微粒、膠體、細菌、熱源和各種大分子有機物；小分子有機物、無機離子則幾乎不能截留。膜去除物質示意如圖5-18所示。

超濾的分離特征如下：a.分離過程不發生相變，能耗較少；b.分離過程在常溫下進行，適合用于熱敏性物質的分離、濃縮和純化；c.采用低壓泵提供的動力為推動力即可滿足要求，設備工藝流程簡單，易于操作、維護和管理。

微濾（MF）是一種以壓力為推動力，以膜的截留作用為基礎的高精密度過濾技術。在外界壓力作用下，它可以阻止水中的懸浮物、微粒和細菌等大于膜孔徑的雜質透過，以達到水質凈化的目的。

微濾主要有以下特征：微濾膜的孔徑大小較為均勻，過濾精度高；孔隙率高，過濾速度快。微孔濾膜的孔隙率可達到70%～80%，同時膜很薄，流道短，對流體的阻力較小，過濾速度很快；以靜壓差為推動力，利用膜對被分離組分的“篩分”作用，將膜孔能截留的微粒及大分子溶質截留。不能截留的粒子或小分子溶質則透過膜。微濾過濾的微粒粒徑在0.01～10μm，它可以截留水中的懸浮物、微粒、纖維和細菌等大于膜孔徑的雜質，以達到水質凈化的目的。

5.3.2　技術與裝備

（1）超濾和微濾膜組件

超濾和微濾膜組件按結構形式可分為板框式、螺旋式、管式、中空纖維式、毛細管式等。

①板框式組件　板框式組件是最早研究和應用的膜組件形式之一，它最先應用在大規模超濾和反滲透系統，其設計源于常規的過濾概念。板框組件可拆卸進行膜清洗，單位膜面積裝填密度高，投資費用較高，運行費用較低。

②螺旋式組件　螺旋式（又稱卷式）組件最初也是為反滲透系統開發的，目前廣泛應用于超濾和氣體分離過程，其投資及運轉費用都較低，但由于超濾除部分用于水質凈化外，多數應用于高分子、膠體等物質的分離濃縮，而卷式結構導致膜面流速較低，難以有效控制濃差極化且膜面易受污染，從而限制了卷式超濾組件的應用范圍。

③管式膜組件　管式膜組件系統對進料液有較強的抗污能力，通過調節膜表面流速能有效地控制濃差極化，膜被污染后宜采用海綿球或其他物理化學清洗，在超濾系統中使用較為普遍。其缺點是投資及運行費用都較高，膜裝填密度小。最初的管式膜組件，每個套管內只能填充單根直徑2～3cm的膜管，近年來研發的管式膜組件可以在每個套管內填充5～7根直徑在0.5～1.0cm的膜管。

（2）超濾膜的操作模式

超濾膜過濾方式主要分為錯流過濾和死端過濾。

錯流過濾指進水平行膜表面流動，透水垂直于進水流動方向透過膜，被截流物質富集于剩余水中，沿進水流動方向從組件排出，返回進水箱，與原水合并循環返回超濾系統。循環水量越大，錯流切速越高，膜表面截留物質覆蓋層越薄，膜的污堵越輕。錯流過濾可以增大膜表面的液體流速，使膜表面凝膠層厚度降低，從而可以有效降低膜的污染，一般用在原水水質條件較差的情況下。

死端過濾，又稱全流過濾，指原水以垂直于膜表面的方向透過膜流動，水中的污染物被截留而沉積于膜表面。全流過濾和錯流過濾如圖5-19所示。

錯流過濾的回流比一般在10%～100%之間，也可選擇更高的回流比，但必須考慮液體在膜絲內的流速以及在膜絲方向上的壓降，防止膜表面的污染不均勻。使用錯流過濾可以降低膜的污染，但由于需要更大的水輸送量，因此相對死端過濾需要更大的能耗。

一般錯流過濾產生的濃水都是回到原水箱或到預處理的入口，再經過預處理后重新進入超濾系統，也有為了提高膜絲表面水流速度而添加循環泵的方式。圖5-20是一種錯流過濾工藝流程示意圖。

微錯流過濾，其特點為濃水回流比的范圍一般在1%～10%。這部分濃水全部排放而不是回流。這種工藝的特點介于錯流過濾和死端過濾之間，兼顧了污染和能耗的因素，缺點是降低了水的回收率。其工藝流程如圖5-21所示。

死端過濾的操作方式主要適用于原水水質較好的情況（通常指其濁度小于10NTU），其膜上的截留物不能通過濃水帶出，只能釆用周期性反洗操作，由反洗水帶出。這種操作方式因省去循環泵而使能耗降低。圖5-22為其工藝流程示意圖。

當處理廢水水質相同時，在確保相同使用效能和壽命的條件下，錯流過濾可以選擇更高的膜通量，即錯流過濾所需要的膜面積少，可以節省一次性投資費用，但錯流過濾的運行費用略高，因回流比不同，運行費用存在差異。

（3）膜組件選擇與組合

①膜組件選擇　超濾裝置設計時，首先應根據所處理廢水的化學及物理性能、處理規模和對產品質量的要求，選擇滿足工藝需求的超濾膜及其組件類型；其次通過小試或中試，確定超濾膜的設計水通量，設計需要的膜面積和組件數，確定膜組件的排列和操作流程。

1）超濾膜選擇。超濾膜的合理選材和選型，主要依據所處理廢水的最高溫度、pH值、分離物質分子量范圍等水體特征選用的超濾膜在截留分子量、允許使用的最高溫度、pH值范圍、膜的水通量、膜的化學穩定性及其膜的耐污染性能等方面，必須滿足設計目標的要求。

2）組件選擇。膜組件有管式、平板式、卷式和毛細管式等多種結構形式，應根據所處理廢水的特點進行選擇。高污染的廢水為避免濃差極化可考慮選用流動狀態好、對堵塞不敏感和易于清洗的組件，例如管式或板框式。但同時要考慮其組件造價、膜更換費和運行費。近年來，毛細管式組件和卷式組件的改進提高了其抗污染的能力，在一些領域正在取代造價較高的平板式和管式組件。

②膜組件排列組合　在確定超濾工藝是間歇操作、連續操作或重過濾操作的前提下，根據超濾處理規模和膜組件的數量，設計組件的排列組合方式。組件的組合方式有一級和多級，在各個級別中又分為一段和多段。一般來講，可將組件串聯或者并聯連接。在多個組件的情況下，可以將串聯方式和并聯方式結合起來。

膜組件安裝推薦方法如下。

1）組件直立，并聯組裝，液體由膜組件的下端進入，以利于空氣的排放。

2）大型的超濾設備應安裝高低壓保護以及采用變頻供水，使水壓逐漸上升，避免沖擊。

3）對于大型的超濾裝置宜單設清洗系統，清洗用水可采用超濾水貯罐。

4）使用錯流過濾要采用濃水循環方式，每支膜的濃水應為產水的2.5～3倍，濃水排放為進水的1/10～1/8。

5）釆用全過濾方式，其反洗周期需通過試驗確定。

5.3.3　膜組件比較與運行參數

（1）幾種超濾膜組件的特點比較

表5-14是4種超濾膜組件的特點比較，在實際應用中要根據處理對象加以選擇。

（2）兩種超濾膜組件的運行參數與性能

兩種超濾膜組件的運行參數與性能見表5-15、表5-16。