运行条件对超滤膜污染的影响

王磊，福士宪一
?(［日］八户工业大学 工学研究科)

　　摘　要：为了进一步明确超滤过程中运行条件对膜污染的影响，以三菱造纸厂黑液经井水稀释(10⁴～10?5倍)作为试验原水，用截留分子质量为15×10⁴的超滤膜对不同原水浓度、透水率、反冲洗方式、间隔时间、压力等条件下的膜压差变化情况进行了试验。结果表明：原水浓度在E260值为0.03～0.16之间运行，可以控制膜压差的迅速增大，提高运行效率；相反E260＞0.35时，可能引起膜的不可逆污染。在不影响系统压力的原则下，增大膜表面的流速可以起到边透水边洗膜的作用，即膜表面流速为1.6 m/s时能大大缓解膜压差的增加。虽然反冲洗的间隔时间和压力会影响膜压差，但前者并不是重要的影响因素。从水质结果可以看出，膜污染层起到了和膜本体同样的过滤作用。?
　　关键词：超滤；运行条件；膜污染；膜压差?
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2001)10-0001-04

Effects of Operational Condition on Ultrafiltration (UF) Membrane Fouling
WANG Lei，Fukushi Kenichi?
(Engineering Research Division,Hachinohe University of Technology,Japan)

　　Abstract：To further understand the effects of operational condition on UF membrane foulin
g,an experiment using kraft pulp liquor diluted with 10⁴～10⁵ times well water as synthetic raw water was carried out to examine the influence of raw water strength,permeability,backwash mode,interval,and pressure on the trans?membrane pressure difference by applying UF membrane with “molecular weight cutoff”of 15×10⁴.The results show that the raw waterE₂₆₀ value of 0.03～0.16 may cause little change in trans?membrane pressure difference and increase operating efficiency,while?E₂₆₀ value is greater than 0.35,an irreversible fouling of UF membrane may be observed.On the principle of no influence exerting on the system pressure,the increase of membrane surface velocity may result in water permeation while membrane cleaning,that is,at membrane surface velocity of 1.6 m/s,little change is observed in the trans?membrane pressure difference.Although the backwash intervals and pressure have effect on the trans?membrane pressure difference,the backwash period is not an important factor influencing the pressure difference.?
　　Keywords:　ultrafiltration;operational condition;membrane fouling；trans?membrane pressure difference[HK]

　　在水处理领域，膜分离以其高度的固液分离性、节省占地、运行管理简单等优点，对引导与推进水处理工艺改良的进程具有深刻的意义［1］。超滤膜早在20世纪的后期即进入污水处理领域，而今又在给水处理界得到了较为广泛的关注，在出水水质基本得以确保的基础上，稳定持久的透水性能已成为研究的中心课题［2、3］。?

1 试验内容及方法

1.1　原水水质
　　采用日本八户市内的三菱造纸厂黑液经用校内井水稀释(10⁴～10⁵倍)后作为试验原水，其水质如表1所示。反映有机成分的指标用TOC/E₂₆₀表示，其值在25～35之间。

表1　试验水质 项目 原水 井水(稀释用) 未过滤 0.45 μm?过滤 未过滤 0.45 μm过滤 UV₂₂₀，1 cm(abs.) 0.489 0.472 0.357 0.355 UV₂₆₀，1 cm(abs.) 0.051 0.043 0 0 色度(倍) 10 8.8 0 0 TOC(mg/L) 1.69 1.51 0.52 0.50 pH 7.16 7.21 7.40 7.44 电导率(μS/cm) 192 200 163 164 浊度(NTU) 0.12 0.09 0.1 0.09 总铁(mg/L) 0.03 0.016 0.019 0.016 溶解性硅酸(mg/L) 42 42 42 42 硬度(mg/LCaCO₃) 52 50 51 50 碱度(mg/LCaCO₃) 46 50 46 46

1?2 试验装置
　　试验材质为醋酸纤维素中空超滤膜，截留分子质量为15×10⁴，试验装置见图1。透水方式为十字流式。

1.3　试验方法
　　试验的操作条件见表2。?
　　将表2所示的原水浓度、透水率、膜表面流速、反冲洗的间隔时间(透水时间)、反冲洗历时以及压力6种操作因子，在不同的阶段赋予不同的数值进行试验，对不同条件下膜两侧的压力差和透过水质进行比较分析。各因子均设定有标准值，在探讨某种操作因子的影响时，其他因子都以设定的标准值进行试验。透过水的温度控制在20 ℃左右，反冲洗时加氯消毒。?

表2　　操作条件 操作因子 设定值 原水浓度（E260） 0.030、0.075、0.16、0.35 透水率（m/d） 0.7、1.0、1.5、2.0 膜表面流速（m/s) 0.6、1.0、1.6、0 反冲间隔时间（min） 30、60、120 反冲洗历时（s） 10、20、40 反冲洗压力（kPa) 100、200、250 注：有下划线者为标准值。

2　影响膜压差的因素

2.1原水浓度
　　受原水浓度的影响，膜压差和透水水质的变化如图2所示。?

　　可以清楚地看出，在原水浓度(E₂₆₀，1 cm)设定值较高的情况下，膜压差在短时间里迅速增加。设定标准值E₂₆₀=0.075时，试验至第15 d的膜压差上升到限度值；而当原水浓度为0.160和0.350时，分别仅需5 d和3 d的膜压差就急速上升至限度值；相反在0.030这样的低浓度下，膜压差在35 d后也并没有明显的增加。随着浓度的增加，由于浓差极化作用，膜表面溶液浓度的增加，逐渐形成了污染层，加之试验为定流量运行，加速了原水中污染物的堆积，透水阻力迅速增大，因而导致了膜压差的提高。值得注意的是，试验后对堵塞的膜进行了化学清洗，设定浓度为0.030、0.075、0.16时，使用过的膜均完全恢复到了初期的透水性能，唯有原水浓度为0.350时的过滤膜性能不能恢复。由此看出，在一定的浓度范围内运行时，可以通过化学清洗实现反复利用。当超出此范围时，可能引起膜的不可逆堵塞。在实际的运行中，对应不同的膜选择适当的原水浓度也是提高运行效率的一个手段。在透水水质方面，图2中随着膜压差的增高，透过水的E₂₆₀值逐渐降低，唯有原水浓度为0.030的设定值时，透过水的E₂₆₀值一直处于不变状态。透水过程中，除了膜本身的过滤过程以外，随着表面污染层的形成，污染层起到了和膜类似的过滤作用，因此从透水水质上也可以判断膜受污染的程度。?
2.2　　透水率
　　透水率的影响如图3表示。?

　　和原水浓度的影响类似，当透水率＞1.0 m/d时，随着透水率的提高，膜压差急剧增大。其中透水率为1.5 m/d时，5 d达到上升限度值；透水率为2.0 m/d时，仅仅需2 d膜差压即达到限度值。反之，当透水率为0.7 m/d时，试验开始50 d后，仍然保持开始时的膜压差。试验中，膜的透水率设定值在0.7～1.0 m/d之间，能保证稳定经济地运行。透水水质和上述受原水影响的结果一致，透水率的提高促进了膜表面污染层增长的进程，促进了膜本体和污染层的双层过滤作用，于是出水水质也随之逐渐提高。当透水率为0.7 m/d时，对E₂₆₀的去除率始终保持在35%，说明膜表面无大量的污染物附着。?
2.3　膜表面流速
　　随着膜表面流速的提高，膜压差也随之上升。当流速为1.6 m/s的较高值时，一方面膜表面的污染物被垂直于透水方向的水流剥离，同时污染物在高速的水流作用下也不易向垂直方向沉降，从而使膜压差得到了控制，但其缺点是需要的回流量较大；当膜表面流速为零时，则称为全透过方式，此时没有原水的循环和表面流速对污染物的剥离，很快达到了膜压差上升限度值(和预想的一致)；而当膜表面流速为0.6 m/s时，仍然保持十字流优势运行方式，低流速直接影响加压侧的压力，使系统压力降低，使膜压差上升平缓稳定。由此可见，中空管式膜在十字流透水时，在不改变系统压力的前提下，提高膜表面的流速可以缓解膜压差的提高，相反膜堵塞的进程会被加快。试验结果见图4。?

2.4　反冲洗间隔时间
　　反冲洗时间间隔对膜压差的影响见图5。?

　　由图5可见，设定间隔时间为120 min时，和60 min的相比，膜压差到达上升限度值的时间减少了1/4左右；设定间隔时间为30 min的膜压差到达30 kPa后，上升较为缓慢。由此可见，反冲洗的间隔时间设定在30～60 min之间能够最大程度地提高膜的工作效率。另外，透水水质和上述情况有着同样的变化趋势。从图4中可以看出，取30 min的间隔时间进行反冲洗时，在第14 d的透水E₂₆₀值突然增大，这是由于膜表面的附着层在高频度的反冲洗作用下脱落而造成的。?
2.5　反冲洗压力
　　反冲洗压力对膜压差等的影响见图6。?

　　反冲洗压力设定为100 kPa和200 kPa时，对膜压差的影响基本没有什么不同，透过水的E₂₆₀值也随着时间在变化。只有压力设定在250 kPa时，膜压差的上升时间推迟10 d左右，同时透过水的E₂₆₀值在第14 d有上升趋势，此现象和上述提高反冲洗频度所引起的水质结果是由同样原因所造成的。
2.6　反冲洗历时
　　分别对上部冲洗5 s+下部冲洗5 s、上部冲洗10 s+下部冲洗10 s以及上部冲洗20s+下部冲洗20s等三种情况进行了试验，结果3种不同组合对膜压差上升的影响基本一致，而且都和反冲洗间隔时间设定为60 min的结果一致。由此可见，在一定频度下的反冲洗历时对膜压差的控制并没有起到决定性的作用。?

3　结论

　　①如果原水经过预处理，其E₂₆₀值为0.03～0.16，则可以控制膜压差的迅速增大，提高运行效率。若?E₂₆₀＞0.35，则可能引起膜的不可逆污染。?
　　②膜表面的流速与膜污染关系密切。在不影响系统压力的原则下，增大膜表面的流速可以起到边透水边冲洗膜的作用。膜表面流速为1.6 m/s时即能大大缓解膜压差的增大。?
　　③〖JP2〗反冲洗的间隔时间和压力都影响膜压差，但是反冲洗间隔时间对膜压差并不是重要的影响因素。?
　　④膜压差增高意味着膜污染层的生成。从透水水质可以看出，此污染层起到了和膜本体同样的过滤作用。
　　因此，根据原水水质、膜的种类等因素，设定透水率、膜表面流速以及反冲洗的条件，对保持稳定的膜压差、维持膜长期稳定的透水性能有着重要的意义。?

参考文献：

　　［1］Adham S S,?et al?.Characteristics and costs of MF and UF plants［J］.J AWWA,1996,(5):22.
　　［2］　Wang L,Fukushi K,?et al?.A fundamental study on the application of nanofiltration to water treatment［J］.J of Japan Water Works Association,69(5):35-45.
　　［3］Laine,J-M,?et al?.Effects of Ultrafiltration Membrane composition［J］.Journal AWWA,1989,81(11):61.

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　　作者简介：王磊(1971-)，男，陕西西安人，现为日本国八户工业大学工学研究科土木工学专业的博士后，研究方向为水处理技术；福士宪一为日本国八户工业大学工学研究科教授，工学博士。
　　电　话：(029)2202522(王志盈)?
　　E-mail:[email protected]
　　收稿日期：〖HTSS〗2001-07-16