環境工程水處理中超濾膜技術的應用探討

李惠林

（浙江致遠環境科技有限公司，浙江 嘉興 314000）

污水廢水會對生態環境造成破壞，威脅人的生命健康，因此，相關企業必須要重視環境工程水處理工作。如果污水中物質大小在0.001～0.02 μm之間，或者物質的分子量處于500～50 000 Da之間，可以利用先進的超濾膜技術，截流和分離這些物質，雜質去除率高達99.99%，在飲用水處理中運用該技術，能夠提高飲用水的純凈度，保證居民的健康和安全。

1 超濾膜技術分析

1.1 超濾膜技術原理

超濾膜技術最重要的組成部分就是高分子超濾膜，超濾膜可以過濾掉水中粒徑較大的懸浮顆粒及體積較大的高分子膠體。超濾膜孔徑在1 nm～100 nm之間，超濾裝置運行時，內部的壓力差在100～1 000 kPa之間，圖1為超濾膜過濾的過程。超濾膜除了能分離膠體和顆粒物，還能分離出細菌病毒和微生物。超濾膜技術需要在高壓環境下使用，高壓環境可以使水流具有更大的沖擊力，使分子量較低的水分子順利穿過超濾膜，高分子量的溶質會被超濾膜阻擋，達到分離和凈化的目的。

1.2 超濾膜技術優勢

超濾膜技術有著明顯的特點和較大的優勢，該技術具有適應性強和穩定的優點，能夠在高溫環境中完成處理，最高溫度能夠達到140 ℃，處理過程中不會出現其他化學物質，能夠避免二次污染。該技術還具有經濟性的優點，超濾膜裝置的占地面積較小，整體投資成本比較低，能夠滿足各個領域水處理的要求，起到了降本增效的作用。該技術還具有安全性的優點，能夠有效濾除水體中的懸浮物、膠體等物質。

1.3 超濾膜技術分類

超濾膜技術包括：（1）雙膜凈水處理技術，采用雙層濾膜，能夠解決水硬度問題，且凈化效率相對較高，可應用于很多領域，海水淡化一般會使用雙層凈水工藝。該技術運用反滲透技術、納濾凈化技術和超濾凈水技術，凈化完成后，可以把水體輸送到清水池中，實現水資源的二次利用。（2）超濾凈水處理技術，融合了多種水處理技術，自來水廠一般使用該技術。超濾凈水處理裝置占用空間不大，處理過程比較簡單，在原水凈化中具有較大優勢。（3）短流程凈水處理技術，該技術對水源品質有一定要求，在原水凈化中呈現出較好效果。

2 環境工程水處理運用超濾膜技術的要點

2.1 居民飲用水處理

飲用水關系著居民的健康，如果飲用水中的有毒有害物質沒有凈化干凈，將會威脅居民的生命健康，所以，一定要保證飲用水處理能夠消除水體中的泥沙、微生物、懸浮物、細菌病菌、金屬物質等。飲用水凈化可以采用超濾膜技術，該技術具有較好的處理效果，能夠徹底濾除水體中的病菌等物質。在某項飲用水凈化實驗中，在預處理環節采用了混凝沉淀的方式，運用浸沒式超濾膜技術，水體主要來源于東江水，未處理前，水體中存在各種各樣的有害物質，如重金屬物質和氨氮元素，還有不同種類的有害微生物，采用超濾膜技術可濾除這些物質，降低水體中有害物質的含量，呈現出良好的凈化效果。應用超濾膜技術進行凈化的同時，可以安裝混凝沉淀裝置，利用該裝置減少病原微生物，并與CSAA污水處理工藝共同發揮作用，最大程度減少水體中的氨氮含量，將氨氮含量控制在0.2 mg/L以下，確保飲用水的質量符合相關規定。超濾膜結構是整個超濾系統的關鍵，超濾膜能夠被重復使用，大大降低了污水凈化處理的成本。利用超濾膜技術凈化污水時，需要在管道中安裝超濾膜，當管道處于供水狀態時，超濾膜兩側的壓力并不相同，在壓力差的作用下，水體中顆粒較大的物質就不能穿過超濾膜，而微量元素和礦物質的體量較小，能夠順利穿過超濾膜。長期使用超濾膜進行過濾和凈化時，管道中會殘留較多的物質，需要定期清理雜物，避免管道內部堵塞，如果水體內的污染物質較多，殘留物質也會增多，因此要縮短清理周期，保持管道內供水通暢[1]。

2.2 海水淡化處理

我國具有豐富的海水資源，地球上大部分水資源都屬于海水，占全部水資源的97.2%，如果把海水中的鹽分過濾掉，海水資源就會變成淡水資源。處理后的淡水資源能夠作為生產生活用水，有效解決了水資源短缺問題。海水中存在各種各樣的物質，成分十分復雜，除了鹽分，水體中還有金屬離子和各種微量元素。海水淡化技術是環境工程水處理工作的主要內容，科研人員研發的反滲透技術，能夠成功淡化海水，但應用成本較高，且實際水資源利用率并沒有達到既定目標。利用該方法處理海水，也會浪費較多水資源，導致水資源總量減少。經過科研人員的不懈努力，研發出超濾膜技術，該技術具有良好的過濾效果和分離效果，可以把海水中的鹽分和微生物等物質過濾出來，使海水中的鹽堿量降低。在利用該技術處理渾濁度和污染度較高的海水時，可以與反滲透技術結合使用，發揮兩種技術的優勢，保證海水淡化處理的質量[2]。

2.3 電鍍廢水處理

電鍍行業的生產環節經常要進行洗刷，要想徹底洗刷干凈，就需要使用大量水資源，洗刷后的水體中含有沖刷下來的物質，所以電鍍行業污廢水中的重金屬含量非常高，如果能夠將電鍍廢水中的重金屬和其他有害物質濾除干凈，就能夠對電鍍廢水進行二次利用。電鍍行業在處理廢水時，一般會使用超濾膜技術，同時還會使用反滲透技術，這兩種技術結合使用能夠進一步提高水處理質量。處理電鍍廢水時，要讓廢水進入反滲透單元，在壓力作用下，水體中的水離子會向相反方向運動。利用超濾設備進行過濾，將電鍍廢水中顆粒較大的物質過濾掉，如大分子有機物、較大的雜質和膠狀物等，超濾設備能夠為反滲透單元提供幫助，增強設備的耐用性[3]。

2.4 電廠鍋爐補給水處理

我國發電是以熱力發電為主，熱力發電要用鍋爐燒水，水溫達到一定高度后，發電機組就開始運行，將熱能轉化成電能。在整個發電工程中，水是非常重要的媒介，水體的成分和各成分的含量會對轉化效率產生較大影響，如果水體中存在較多碳酸鹽，在高溫環境下，鍋爐內壁將會結垢，這不僅會降低傳熱效率，水體中的有害物質還會腐蝕管道，無法保證鍋爐運行效果，結垢腐蝕會縮短鍋爐的使用壽命，降低鍋爐的耐用性，還有可能會引發嚴重的安全事故。所以，必須要重視鍋爐補給水的處理工作。在供水之前，先對水體進行凈化，再將處理后的水輸送到鍋爐中，以減少結垢腐蝕等問題，提高加熱效率，降低生產成本，保證熱力發電安全。超濾膜技術能夠過濾掉水體中的鹽類物質，避免鹽類物質結垢和腐蝕管道，避免鍋爐設備的質量性能受到影響。在實際運用超濾膜技術時，要使用石灰，在石灰材料的作用下，水體會轉變成中水，中水穿過過濾裝置后，會過濾掉一部分有害物質，水體繼續進入超濾器，在超濾膜的透過作用和反滲透膜的反滲透作用下，能夠有效濾除水體中的有毒有害物質。超濾膜技術不僅可以將膠狀物質和雜質濾除出去，還可以將鹽類物質濾除干凈，鹽類物質越少，結垢的情況越少，鍋爐補給水越純凈，發電效率越高。

2.5 食品污水和含油廢水處理

食品企業在生產加工時，會形成大量的污水廢水，且水體中存在著較多的懸浮物質和有機物質，必須要按照排放標準進行排放，如果沒有進行處理直接排放到自然環境中，將會污染當地的水源，使水體產生富營養化和缺氧情況，嚴重影響生物多樣性和生態平衡。超濾膜技術能夠對食品生產過程中的污水廢水進行處理，消除污廢水中的有害物質，消除水體中的細菌，分離各種雜質，使處理后的水能夠被回收利用。另外，處理和凈化后的含油廢水可以再利用。含油廢水主要有三種狀態，分別是乳化狀態、漂浮狀態和分散狀態，漂浮和分散狀態中的含油廢水處理難度較低，可以直接用機械分離，也可以使用活性炭進行吸附，還可以采用凝聚沉淀的方式，這幾種方法都能夠減少廢水中的油。乳化狀態含油廢水的處理難度較大，如果油脂已經處于乳化狀態，油內部的有機物就會變得難以清理，常用的物理手段或化學手段都無法徹底清理干凈，而超濾膜技術能夠很好地凈化這些物質，因為只有水分子能順利穿過半透膜，從而將乳化狀態的油隔離在半透膜的另一邊，并對含油廢水可以進行二次利用[4]。

2.6 造紙廢水處理

造紙企業在生產過程中需要大量的水資源，產生廢水的量也非常大。由于國家對污水廢水的排放有明確規定，所以造紙企業必須要處理大量廢水，水質達標后才能排放。傳統的污廢水處理工藝成本較高，而超濾膜技術具有低成本的優勢，企業能夠以較低的成本對大量的污廢水進行處理。超濾膜技術在造紙企業的應用具有較大的價值，在對廢水過濾過程中，可以自動濃縮造紙原漿，并通過添加適量的漂白粉實現二次利用。使用超濾膜技術時，要考慮造紙工藝的特點和廢水處理的要求，并根據廢水的具體情況和處理要求選擇適合的超濾膜材料。在處理造紙廢水時，可以使用PES200膜，該材料的過濾度在98%以上，與之相比，無機陶瓷膜的過濾度僅在30%～48%之間，所以，可以在造紙廠的廢水處理中使用PES200膜。

2.7 化工廢水處理

化工廢水的成分十分復雜，對環境的危害也非常大，如果處理不徹底，沒有達到標準就直接排放，將會污染當地的環境，還有可能危害人們的健康。化工廢水存在鍍離子，鍍離子的吸附性較差，很難將鍍離子從工業廢水中分離出去，如果采用電解處理方法，將會增加用電成本。而超濾膜技術能夠有效處理工業廢水中的各種雜質，且過濾效果非常好，成本也比較低，同時能使處理后的工業廢水達到排放標準，甚至能夠滿足二次利用的要求。化工污水廢水中存在較多的氧化物，超濾膜技術能夠過濾掉90%以上的有害物質和大顆粒污染物，且超濾膜上存在具有吸附作用的活性劑，能夠進一步吸附化工污廢水中的污染物質，由于增壓篩孔的孔徑非常小，僅有0.1 μm，因而能夠有效處理化工污廢水，實現回收水的再利用[5]。

2.8 生活廢水處理

居民在生活中需要使用水資源，生活用水的消耗量非常大，使用后會形成大量的生活廢水，對生活廢水進行處理和再利用有利于節約水資源。使用洗滌劑會污染水體，垃圾和糞便也會污染水體，生活廢水中含有大量的氮磷元素和硫元素，將城市污水和生活廢水直接排放，會對城市環境產生影響，致病微生物和致病菌會通過生活廢水和城市污水傳播，可利用超濾膜技術對生活污水廢水進行處理。廢水經超濾膜裝置凈化后，可作為消防用水或灌溉植被。在污染比較嚴重的情況下，可以將超濾膜技術和其他廢水處理技術結合使用，在用超濾膜裝置處理之前，需使用活性炭對生活污廢水進行預處理，活性炭的種類較多，可以選擇微濾活性炭，也可以使用粒狀活性炭，經過初步吸附處理后，再用超濾膜裝置處理生活污水廢水。超濾膜能夠阻止有機物的通過，所以在超濾膜裝置中可以搭配使用膜生物反應器，在生活污水廢水處理中使用活性污泥超濾耦合設備，可以減少生活污廢水中COD的含量，利用該方法進行凈化，能夠去除95%以上的有害物質[6]。

3 超濾膜技術在環境工程水處理中運用的案例分析

3.1 工程概況

某發電廠的鍋爐補水主要是黃河水，在一期工程中，水處理工藝需要使用多個裝置，有離子交換器、反滲透裝置和過濾器，過濾器主要包括多介質和活性炭兩種類型。在二期工程中，決定在水處理工藝中使用超濾裝置，不再使用活性炭過濾器。水處理系統主要包含多介質過濾器、超濾裝置、反滲透裝置、離子交換器。從投入使用到第15月的時間段內，使用聚氯乙烯（PVC）超濾膜，外徑為1 mm，內徑為1.5 mm；第16月到第57月的時間段內，使用改性聚砜（mPS）超濾膜，前后兩個時間段的截留分子量分別為80 000 Da 和45 000 Da 。

3.2 工藝流程和設計參數

對超濾系統進行設計：系統占地46.2 m2，主要包含6個單元，通過母管采用并聯方式連接，計劃每日的處理量為10 080 t。超濾系統中共有84個超濾膜組件，平均通水量是125 L/（m2·h），系統啟動后，瞬時通量是135 L/（m2·h）；對系統的反洗工作進行設計，反洗時需要添加次氯酸鈉，該材料具有殺菌作用，每次反洗的間隔時間為60 min；對系統的錯流濃水流進行設計，將流量參數設置為20 mm3/h，如果該水流準備進入給水泵，就要按照1.7 mm3/h的流量進行排放，該系統的水利用率能夠達到97.7%。在膜污染的處理中，將化學藥洗的時間設定為180天，可徹底清除生物和膠體帶來的污染。

3.3 優化運行參數

在超濾系統投入使用后，前36月的系統一直保持著穩定的運行狀態，化學藥洗周期不低于6個月，運行通量始終保持為125 L/（m2·h），跨膜壓差處于0.06～0.08 MPa之間。由于熱電系統突然面臨增容和超濾供水壓力變低的情況，所以工作人員對出水量和跨膜壓差進行了調整，將通量降低為65 L/（m2·h），將跨膜壓差降低為0.03～0.04 MPa，以保證超濾系統運行的穩定性。在調整過程中，把所有的錯流濃水回用，將水利用率提高到了98.3%。在對反洗周期進行優化時，要分析單套濾膜組件跨膜壓差（TMP）在反洗前后的變化情況，在不改變產水量的情況下，要保證跨膜壓差的變化量不高于5%。反洗周期的優化設計參考了產量，每產水360 mm3（需要100 min左右），就要進行一次反洗，經過優化后，水利用率增加了0.3%。對超濾系統進行檢驗，在完整性檢驗中，給水閥門處于關閉狀態，產水閥門處于開啟狀態，將壓縮空氣輸入給水系統，氣壓值為0.1 MPa時，將氣閥關閉，對氣壓進行記錄。如果2 min內，氣壓損失在5%以上，就要開展完整性檢驗，按照每周一次的頻率進行檢驗，工作人員還可以每天測量產水的SDI值，并根據該數據分析系統的完整性。

3.4 運行結果分析

超濾膜材料和超濾膜組件結構會對超濾系統的運行產生影響。在各個參數條件都相同的情況下，對比兩種不同的超濾膜材料，其性能和使用壽命有很大差異。最初使用的是聚氯乙烯（PVC）超濾膜，雖然前期效果較好，但是使用6個月之后，產生了嚴重的“斷絲”問題，受到“膜破損”的影響，超濾膜的組件已經不再具備完整性，只能更換新的超濾膜，但是新的超濾膜使用3個月后出現了同樣的問題。經過討論，將超濾膜材料換成改性聚砜（mPS）超濾膜材料，更換超濾膜材料之后，系統沒有再出現類似的問題，而且各方面的情況也滿足生產要求。雖然新材料的成本相對較高，但是其使用壽命較長，各方面性能良好，能夠有效保護膜絲。

在反滲透預處理環節，要重點關注污染指數值（SDI），該數據能夠反映出水體內部膠體和懸浮物的總量，如果污染指數值較低，說明微生物被有效濾除，如果出現斷絲問題，污染指數值會快速升高。對兩種超濾膜組件進行比較，PVC超濾膜組件前3個月的污染指數值處于1.3～2的范圍內，使用6個月時，污染指數值高達4.2，出現了膜破損的情況。而mPS超濾膜組件的污染指數值一直處于0.5～0.9范圍內，說明mPS超濾膜組件具備更好的性能。在飲用水處理中，最關鍵的就是減少水體中的懸浮物，濾除水體中的致病微生物，超濾膜的作用就在于此，如果發生膜破損和斷絲的情況，超濾膜就無法發揮作用，所以，一定要重視超濾膜材料的性能，合理選擇超濾膜材料。

4 結論

綜上所述，超濾膜技術能夠在各個領域的水處理工作中發揮作用，且與其他水處理技術相比，超濾膜技術的成本更低，凈化效率較高、處理效果較好，能夠將污水廢水中的有毒有害物質過濾掉。如果將超濾膜技術和其他技術搭配使用，可以進一步提高水處理質量。但在運用該技術時，要重視超濾膜材料的類型和性能，并根據實際需求選擇合適的超濾膜。