超濾膜發展現狀概述及國內外工程應用分析

行業視角

超濾膜發展現狀概述及國內外工程應用分析

巨姍姍

(信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司，四川成都610021)

摘要如今超濾膜系統正廣泛地運用于水廠新建和改造中。該文介紹了超濾膜材料、化學性質、使用類型等，分析了PVDF膜廣泛運用的原因，并以工程實例對壓力式和浸沒式超濾膜比較了經濟性。結果表明PVDF膜具有耐污染、易清洗、化學穩定性好等特點；壓力式超濾膜系統工程投資較浸沒式省，維護方便，運行成本低。

關鍵詞水處理超濾膜比較

中圖分類號：X703文獻標識碼： B

[收稿日期]2015-03-20

[作者簡介]巨姍姍(1982—)，女，碩士研究生，工程師，研究方向為水處理及給排水設計。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超濾系統概述

圖1　中空纖維膜過濾示意圖 　Fig.1　Filtration of Hollow Fiber Membrane

超濾技術為核心的組合工藝作為水處理中的新技術，引起了人們的廣泛關注[1]。超濾是介于微濾和納濾之間的膜過濾，膜孔徑為0.05μm～1nm，實際應用中一般不以孔徑表征超濾膜，而以截留分子量表征[2]。超濾系統是以中空纖維超濾膜為中心處理單元，處理液以一定的流速通過膜表面，水分子在一定的壓力驅動下透過膜，而懸浮物、膠體、大分子有機物及微生物等則被阻截，從而達到凈化分離的目的。圖1為中空纖維膜過濾示意圖。

超濾技術對膠體、病原微生物、懸浮物等有較好的去除效果，近幾年，隨著膜技術的發展，膜成本的降低，使得超濾技術在水處理行業得到了廣泛的應用[3]。

超濾膜有多種不同的分類方式： 根據膜材料，超濾膜可以分為PVDF膜、PVC膜、PES膜等；根據處理液流動方向，超濾膜可以分為內壓膜、外壓膜；根據處理液進水的壓力，超濾膜可分為壓力式和浸沒式；根據膜組件的形狀分為管式膜、板式膜等。

1.1超濾膜材料

目前，超濾膜使用的材料主要分為有機高分子材料和無機材料兩大類。其中無機材料類尚未得到大規模商業化應用，目前在供水行業應用更多的是有機高分子材料制造的超濾膜。有機高分子材料分類如表1所示。

表1　超濾膜材料分類

目前國際知名超濾膜品牌供貨商有陶氏(DOW)、通用(GE、澤能ZENOE)、科氏(KOCH)、旭化成(ASAH)、美能(MEMSTAR)等，部分公司超濾膜產品材質統計如表2所示。

表2　各品牌超濾膜產品材料表

由表2可知PVDF已經成為世界主流的超濾膜用材料，其次是PES膜。PVC膜除國內個別廠家生產外，其他國家很少采用。飲水用超濾膜采用聚氯乙烯(PVC)時關鍵在于控制PVC材料不能使用抗氧化劑。PVC在熱成型時會降解，所以必須添加抗氧化劑，常規抗氧化劑以鉛鹽居多，效果好成本低，近年來有機抗氧化劑出現，但效果稍差，成本高。與聚偏氟乙烯相比，由于聚氯乙烯耐酸堿性能較差，使用壽命低10%～20%。

PVDF超濾膜具有以下特點。

(1) 耐污染： 以PVDF為材料制成的超濾膜，其耐污染性能明顯高于其他材料制成的超濾膜，因此過濾通量較大，同時產水性能衰減較小，從而延長了運行時間，減少了清洗次數，節省了清洗費用，延長了膜的使用壽命。

(2) 易清洗： 由于以PVDF為材料制成的超濾膜有良好的耐污染性能，使清洗變得容易，在通常情況下，用透過水對其進行反沖洗即可。

(3) 化學穩定性好： 由于PVDF有著良好的化學穩定性，有耐受較強酸、堿的能力，因此在必要時可對超濾膜進行大強度的化學清洗。

1.2國內外工程實例

在凈水處理領域中，目前較常用的是壓力式外壓超濾膜和浸沒式外壓超濾膜。浸沒式膜系統將膜組件或膜箱直接浸入到需要處理的水中，采用泵或虹吸的方式實現負壓將水抽出；壓力式膜系統將處理水經過泵加壓后，通過管路引到膜組件內，在壓力驅動下透過膜。

在市政供水處理中，采用超濾膜處理技術有快速增長的趨勢，國內外大型膜處理工程如表3和表4所示。

表3　國外大型膜處理工程實例

表4　國內大型膜處理工程實例

(1) 早期、改造項目采用浸沒式，近期、新建項目中壓力式更多被采用；國外最新發展趨勢表明壓力式超濾已經逐漸取代浸沒式，成為自來水處理的主流形式。

(2) 目前用于自來水行業的膜材料除了國內立升采用PVC材質外，各知名膜廠商(如GE、陶氏、MEMCOR旭化成、美能等)都以耐污染、親水性好、更安全的聚偏氟乙烯(PVDF)為主。

2壓力式超濾膜與浸沒式超濾膜的比較

2.1兩種膜系統的使用比較

從整個系統來看，壓力式超濾膜系統為封閉式系統，安全性高、衛生性好，外觀美觀；浸沒式超濾膜系統為敞開式系統，衛生安全較差。壓力式超濾膜系統如圖2所示，浸沒式超濾膜系統如圖3所示。

圖2　壓力式超濾膜系統 Fig.2　System of Pressurized Ultrafiltration Membrane

圖3　浸沒式超濾膜系統 Fig.3　Ssystem of Immersed Ultrafiltration Membrane

由圖2和圖3可知如遇膜絲斷裂或者檢修，浸沒式超濾系統需要將膜組件膜箱整體吊出，再查找斷裂膜絲，導致耗時長，影響大，而且需要較多人工；壓力式超濾系統僅需更換某個膜柱，體積小，影響膜絲數量少，對運行影響小。

2.2兩種膜系統的經濟性比較

以國內某城市新建的10萬t/d水廠為例，水廠設計工藝系統如圖4所示。

圖4　某水廠工藝設計流程圖 Fig.4　Design Process of A Water Plant

浸沒式超濾系統和壓力式超濾系統兩種系統的設計方案的經濟性比較結果如表5所示。

由表5可知浸沒式超濾由于膜系統面積大、藥劑消耗量大、設備數量多等，直接運行成本高于壓力式超濾膜系統。

表5　超濾系統方案比較表

3結語

(1) 在水廠膜處理系統中，從親水性、穩定性、使用壽命來看，建議采用PVDF材質的超濾膜；PVDF膜具有耐污染、易清洗、化學穩定性好等特點。

(2) 浸沒式超濾系統膜組件大，重量重，起吊困難，維護人工成本高；壓力式超濾膜系統膜組件小，重量輕。在運行維護方面，壓力式超濾膜系統具有操作簡便，勞動強度低等優點。浸沒式超濾膜系統每次化學清洗歷時較長，耗藥量高(膜池容積大)；壓力式超濾膜系統化學清洗歷時較短，耗藥量小。

(3) 壓力式超濾膜系統工程投資較浸沒式省，工程直接運行成本較低。

參考文獻

[1] 李永紅,張偉,張曉健,等.超濾膜的污染控制研究進展[J].中國給水排水,2009,25(2)： 1-4.

[2] 任建民.膜分離技術及其應用[M].北京： 化學工業出版社,2003.

[3] 李圭白,楊艷玲.超濾——第三代城市飲用水凈化工藝的核心技術[J].供水技術,2007,1(1)： 1-3.