超濾水處理系統優化設計分析

鄭得鳴 苗 圣 肖 悅

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司 湖北武漢 430010）

引言

超濾技術是一種利用薄膜進行物質分離的技術，第一張超濾薄膜在19世紀六十年代就生產出來了，從1970年開始，超濾技術就逐漸應用于工業生產中，在工業上實現應用之后，各類研制超濾薄膜的公司和生產超濾薄膜的企業如雨后春筍一般大量涌現，具有多重功能的超濾薄膜也研制成功并實現量產。如今，超濾技術已經在食品行業、醫藥領域、污水處理企業中實現了廣泛應用。

1 超濾在水處理中的應用研究進展

國外學者將某公司研發的超濾薄膜用于海水的預處理過程中，將地中海和紅海的海水作為研究對象，設置超濾膜的進水流量為每小時100升，對超濾薄膜處理后的海水進行分析研究，發現水質符合反滲透的進水標準，這表明超濾工藝能夠滿足海水預處理工藝要求。進一步的分析研究表明，經過超濾處理的地中海和紅海海水作為預處理水樣時能夠保持進水流量的穩定性，膜組件的清洗工作量被大大降低。

某課題組以新加坡的海水作為研究對象進行超濾技術研究，對比了傳統過濾方法、超濾和微濾結合法、超濾方法以及微濾方法過濾后的水體質量。傳統過濾法是采用固體過濾介質對海水進行過濾，超濾和微濾的區別在于薄膜孔徑不一樣，超濾膜孔徑為微濾膜孔徑的十分之一。結果顯示當采用傳統過濾介質進行海水過濾時所獲得的水體質量最差，并且過濾所得到的海水水體質量水平上下浮動較大。而超濾膜和微濾膜作為過濾介質時所獲得的水體質量優異，以水質SDI為衡量標準，均低于2.5，表明水體質量較好。除此之外，超濾膜和微濾膜在過濾總懸浮固體和膠體硅方面成效顯著，是其他過濾工藝無法比擬的。

2 超濾系統組成

超濾系統主要包括四個部分，分別是進料液的預處理系統、水泵系統、超濾薄膜組件以及超濾的后處理系統。

超濾系統的預處理指在進料前對水進行預先過濾，以去除有害雜質，包括懸浮物質和膠體物質等，以使預處理后的水質滿足超濾工藝進水要求。水泵系統能夠將預處理后的水泵送至薄膜組件一端，能夠為超濾過程提供推動力。由于超濾過程無需太大的泵送壓力，因此采用離心泵即可達到要求。超濾薄膜是超濾系統的核心組件，在選擇超濾薄膜時應該著重考慮溶劑和溶劑中的小分子物質透過速率、超濾薄膜的機械強度以及截留性能。后處理系統需要實現的功能是截留液的回收操作和超濾薄膜的清洗，以便于下一次使用。

3 超濾水處理系統優化設計思路分析

超濾系統和其他水處理系統一樣，都有多種工藝可以選擇，在實際過濾處理過程中，對其過濾工藝進行研究和改善最終能夠得到一套合理的設計方案。通常的設計思路都是以單位時間內所過濾的水量以及過濾后的水體質量為設計目標。在這種設計思路下，只要考慮過濾后水流量大小以及水質是否符合規定要求即可。這種設計思路對于超濾的工藝流程制定和工藝參數選取僅僅是滿足其可行性原則，并沒有進行優化設計。

3.1 優化設計方法

鑒于上述分析，對超濾工藝流程和工藝參數進行優化設計可以增加產水量、提高水質、減少成本，對超濾企業來講非常重要。對超濾工藝流程和參數進行優化最好的方法是數學規劃法，通過建立數學模型來進行優化計算，通過計算結果來衡量超濾工藝的優劣，再將工藝流程中的參數量化，改變參數以計算出最優的結果。

3.2 優化設計對象

上文已經闡述了超濾系統的組成結構，不難看出超濾薄膜是超濾系統中最核心的組件。隨著超濾過程的進行，超濾薄膜的通量會因為雜質的污染而出現明顯下降，膜性也會發生變化，同時膜組件的清洗又會使膜組件發生損耗現象。因此需要對超濾系統進行有效的設計，對膜組件流程結構和系統參數進行優化，以得到一個高效運行的超濾系統。

3.3 關鍵問題

膜組件的合理結構設計是很重要的，若某一段時間內通過超濾膜的流量過大，則會使壓力損失增大，若某一段時間內通過超濾膜的流量過小，又易發生濃差極化現象。另外，膜組件被污染后，若清洗和更換時機選擇不當，也易損壞膜組件，導致需要更換膜組件，使系統的投資費用增加。因此，系統的合理操作也是十分重要的。

結語

本文對超濾在水處理中的應用研究進展做了闡述，超濾系統組成進行了介紹，提出了超濾水處理系統優化設計思路。