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超滤培训教材

2007年10月

超滤培训教材
超滤培训教材
1 简介
1.1. 膜分离过程分类介绍
滤膜法液体分离技术从分离精度上划分，一般可分为四类：微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO），它们的过滤精度按照以上顺序越来越高。

微滤 能截留0.1-1微米之间的颗粒。微滤膜允许大分子和溶解性固体（无机盐）等通过，但会截留住悬浮物、细菌及大分子量胶体等物质。微滤膜的运行压力一般为0.7-7bar。
超滤 能截留0.002-0.1微米之间的大分子物质和蛋白质。超滤膜允许小分子物质和溶解性固体（无机盐）等通过，同时将截留下胶体、蛋白质、微生物和大分子有机物，用于表示超滤膜孔径大小的切割分子量范围一般在1000-500000之间。超滤膜的运行压力一般1-7bar。
纳滤 能截留纳米级（0.001微米）的物质。纳滤膜的操作区间介于超滤和反渗透之间，其截留有机物的分子量约为200-800MW左右，截留溶解盐类的能力为20%-98%之间，对可溶性单价离子的去除率低于高价离子，纳滤一般用于去除地表水中的有机物和色素、地下水中的硬度及镭，且部分去除溶解盐，在食品和医药生产中有用物质的提取、浓缩。纳滤膜的运行压力一般3.5-30bar。
反渗透 是最精细的一种膜分离产品，其能有效截留所有溶解盐份及分子量大于100的有机物，同时允许水分子通过。反渗透膜广泛应用于海水及苦咸水淡化、锅炉补给水、工业纯水及电子级高纯水制备、饮用纯净水生产、废水处理和特种分离等过程。反渗透膜的运行压力一般介于苦咸水的12bar到海水的70bar。
1.2. 超滤膜的种类及应用特点
超滤膜按结构来分主要有四种：板式膜，卷式膜，管式膜，中空纤维膜。
板式膜：它是最早出现的膜，但因为难以保证膜表面适当的流速及复杂的密封问题，这类膜的应用非常有限。前处理要求不严格；
卷式膜：以板式膜为起点发展起来的，因为卷式膜的格网带来死点及无法反洗，通常不适用于工业原水处理。它们适用于高温、高压物料分离等，前处理要求也不严格；
管式膜：因为它的能耗较大，从经济上来说不适用于普通水处理，一般适用于高固体含量或高含油浓度的流体，在四种膜中，它的前处理要求最不严格。
中空纤维膜：因为它压力低，通道无死点，通量高，能进行反洗，所以除特殊水体（如高含油、高固体含量等）外，都是很好的选择，对四种膜而言，在水处理中应用最为广泛。
注：因为中空纤维膜应用最广泛，后面资料中除共同点外，其他均以中空纤维膜为例进行说明。
1.3. 应用范围
超滤在水处理领域应用十分广泛，按应用场合划分，主要可以用于：
1.3.1. 原水前处理（地表水、地下水、自来水）
澄清池、砂滤替代、RO前处理及离子交换前处理
应用在前置予处理中，超滤替代澄清池或砂滤器，用于去除原水中的固体和胶体以改善后续工段设备的运行，如改善离子交换器的反洗频率和反渗透膜元件的更换频率，但其需要较频繁的清洗/冲洗。膜型一般为10万分子切割量。
1.3.2. 纯化处理
去颗粒（如18WΩ水）、去微生物及热原体、RO或离子交换后处理
应用在反渗透/离子交换设备后，超滤用于去除水体中的胶体和固形物，水透过率较高，清洗频率较低，其不需要较频繁的清洗/冲洗，只有当系统压力降低到操作不便或有细菌产生时才清洗。在医药及电子行业，超滤放在使用点用以去除微生物及热原体。膜型一般为1-10万分子切割量。
1.3.3. 水循环和回用
生化处理后、澄清后（二级和三级）

2 超滤术语

不对称膜
Anisotropic Membrane

一种人工合成聚合中空纤维，由一层很紧，很薄内膜
及自我支撑的海绵状外层结构构成。这层内膜起着半
透水超滤膜的作用。
平均透膜压差
Average Trans-membrane
Pressure
产水侧和原水进出口压力平均值的差异，
平均透膜压差＝（P 进＋P 出）/2－P 产水

反洗
Back-flush
从中空纤维外侧把透过液质量的水输向内侧。因为水
被从反方向透过纤维,从而松解并冲走了膜表面的污物。
注意：在此过程中纤维膜内侧无压力。
胶质污染
Colloidal Fouling
在中空纤维内侧膜表面形成微粒沉淀层。

浓缩或排放液
Concentrate or Reject
原水中不能透过膜的那部分，它包含了比原水浓度高
的颗粒，胶体，细菌和热原体等杂质。
浓差极化
Concentration Polarization
引起被排斥的悬浮物在膜表面聚集的现象。纤维内的
高剪力（高流速）能降低极化。
错流过滤
Cross Flow
浓水沿平行于有效膜面方向流动，有助于冲刷掉膜表
面的污染物碎片。
压力差
Differential Pressure
纤维膜管进出口压力差。压力差PD＝P 进 - P 出
下向流
Downward Flow
超滤膜组件的循环流向按照自组件顶部向底部的方向
流动。
原水
Feed
进入超滤系统的水，然后 分为产水及浓缩液。
通量 （透水率）
Flux
产水透过膜的流率，通常表达为每天每平方英尺膜面
积产多少加仑的水（gfd）， gfd = lmh x 0.59
正流
Forward Flow
排放液的循环流动方向，对垂直安装的膜管常指向上
运动。
凝胶层
Gel Layer
在运行的超滤膜有效内侧表面形成的一层高浓度或固
体沉淀物层，通常为高分子物质。往往是凝胶层的渗
透性而不是过滤膜的渗透性决定了超滤水通量（这会
导致与实际滤膜的截留分子量相比更紧密的过滤效
果）。
截流分子量
Molecular Weight Cutoff
膜的一种特性，描述对一种已知进料体系中溶质的公
称截留率，即被截留污染物的最小尺寸。
公称截留
Nominal Cut Off
在一已知溶质的单一溶液体系中，对溶质截留率达到
最大（通常为90%）时对应的膜孔径大小。
透过液，产水
Permeate
透过滤膜的那部分水，基本上无胶体，颗粒和微生
物。
回收率
Recovery
产水占总原水的百分比。
%回收率＝产水/原水×100
滞留物
Retentate
也称为浓缩物。进水中无法通过滤膜的部分，包括有
浓度高于其进水中含量的被截留固体物。
滞留物排放
Retentate Bleed
滞留物中自超滤单元排放掉的或再循环的部分。此排
放过程防止被截留固体物在膜过滤侧发生积累。
交错流
Reversal Flow

液体交错进入膜管内。 水从上进液管进入膜管内， 过
一段时间后改成从下进入，这样交错变化以改进膜内
流动条件
上向流
Upward Flow
超滤膜组件的循环流向按照自组件底部向顶部的方向
流动。

3 超滤基本原理
3.1概述
超滤是一种流体切向流动和压力驱动的过滤过程，并按分子量大小来分离水中颗粒。超滤膜的孔径大约在0.002—0.1微米范围内（MWCO约为1，000-500，000）。溶解物质和比膜孔径小的物质能作为透过液透过滤膜，不能透过滤膜的物质将被截留下来浓缩于排放液中。因此产水（透过液）将含有水、离子和小分子物质，而胶体物质、颗粒、细菌、病毒和原生动物将被膜去除。
中空纤维超滤膜是一种很薄的聚合材料，由聚砜PS，聚醚砜PES，PVDF或聚丙烯腈（PAN）制成并带有非对称的微孔结构。不对称超滤膜拥有一层极光滑极薄（0.1微米）的孔径在0.002到0.1微米间的内表面，此内表面由孔径大到15微米的非对称结构海面体支撑结构支撑。这种小孔径光滑膜表面合较大孔径支撑材料的结合使得过滤微小颗粒的流动阻力很小并不易堵塞。

3.2基本原理
超滤是一个错流合切向流的过程，要过滤的液体沿膜表面流动。这样在中空纤维的内壁上形成流体剪切的条件，而使得污染物较难在膜表面形成。

要过滤的水经由超滤给水泵加压后输入膜组件中。由于膜内外的压力差，一部分水渗过滤膜，而水中的杂质则截留在剩余部分水中被过滤除去。
如果欲分离的杂质在膜上过多沉积，根据膜的类型不同，会导致难溶性盐沉积或形成部分覆盖层。所以要避免这一点，一部分水会成为浓缩液流出去掉，根据膜的类型和应用不同，这样的过程要持续进行或者在回流时进行。
下图是超滤膜过滤的基本原理图。
回流
滤液
泵
膜
浓缩液
入口

3.3超滤的特点
与传统的净化方式相比，超滤具有许多优点：
l 能完全去除微生物和微粒
对水中污染物去除率
组份 PM10 PM100

胶体硅 99.8% 99.0%
胶体铁 99.8% 99.0%
胶体铝 99.8% 99.0%
悬浮物 5 LRV 4 LRV
浊度 < 0.3 NTU (通常小于0.1 NTU)
SDI < 1.0 SDI
Giardia 6 LRV 5 LRV
原生动物 6 LRV 5 LRV
菌类 6 LRV 5 LRV
病毒 5 LRV 4 LRV
内病毒 4 LRV 2 LRV
TOC avg. 70% avg. 30%

l 过滤效果不受原水水质的影响
l 能够去除耐氯的病菌
l 超滤的浓缩液中只含有原来水中含有的那些物质
l 比起其它的传统方式，超滤中沉淀物的量明显较少
l 支架的紧凑结构提高了空间利用率，节省费用，也可在现有的厂房中，可以高度灵活的增加装置配备。
l 超滤可以实现全自动化工业连续生产。
l 由于超滤几乎能完全滤去形成覆盖层的物质，所以可以在后续的膜净化步骤中增加面积负荷，因而减小后续净化装置的规模。

4 流程模式
原水进入中空纤维内腔，由内向外通过纤维过滤。
通常原水由膜件的一端进入，在30-40psi的压力驱动下流经整个长度的纤维。
较高固含量的浓缩液自膜件的另一端排出。
透过液经纤维膜壁的过滤流入膜件中心的透过液集水管中。透过液经集水管自每支膜件的中心流出。

超滤根据原水水质的不同一般有两种运行流程模式：死端过滤模式和循环过滤模式。
4.1 死端过滤模式
一般当原水中悬浮物和胶体含量较低时（如SS<5,浊度<5NTU）时采用。如下
图2：死端过滤示意图面图2所示，原水以较低的错流流速进入膜管，浓缩水以一定比例从膜管另一头排出。产水在膜管过滤液侧产出，水回收率通常是90%-99%，由原水水质决定。和循环模式相比，死端过滤的操作成本低，但回收率和系统的出水能力可能会受限制。这种模式通常需要定期快冲和反冲来维持系统出力，当污物积累到一定程度，就需要化学清洗来进行处理。

泵
膜
滤液

4.2 循环过滤模式
当原水中悬浮物含量较高及在大多数非水应用领域，就需要通过减少回收率来保持加膜管内部的高流速。这样就会造成大量的废水。如图3所示，为了避免浪费，排出的浓水就会被重新加压回流到膜管内。这样，虽然降低膜管的回收率，但对于整个系统，回收率仍然可以很高。在这种模式，进水连续的在膜表面循环。循环水的高速阻止了微粒在膜面积的堆积，并增加了通量。因为较少的进水成为产水，为了获得相同的产率，能耗就比死端过滤模式大。
回流
膜
泵
滤出物
滤液
入口

5 超滤膜的性能
5.1膜元件的操作范围
最高压力（水）：45psi（3.1bar）
最高压力（气）：15psi (1.0bar)
最高进水温度：104℉（40℃）
最低进水温度：32℉（0℃）
最大透膜压差：35psi (2.4bar)
最大反洗透膜压差：20psi (1.4bar)
最大平均压力变化： 6psi/sec(0.4bar/秒)， 10秒钟阀门开启时间
最大总氯耐受能力@77℉（25℃）或更低： 200ppm @8.5pH或更高pH。
最大总耐氯接触量： 200，000ppm 小时（累计） @8.5pH或更高pH。
最大有机溶剂接触： 避免接触
最大紫外线接触： 避免暴露于日光直射下。
5.2组件的截留性能
5.2.1对MS2噬菌体的截留
对病毒MS2噬菌体的截留比较难以确定。如果要在浓度很小的时候检测这种生物体，就需要特殊的微生物检测技术。另一方面，要在足够长的时间中使较高浓度的噬菌体混合流入原水中，也很难。
由于膜的净化效率很高，所以要能测量出噬菌体的截留来，原水中它的浓度至少要达到每毫升10万个。在此浓度下，滤液中找不到噬菌体。
因此，对噬菌体的截留在99.999%或者说对数级5以上。
5.2.2对隐孢子体（Kryptosporidien）的截留
精确的检测表明超滤膜对隐孢子体（大小为4-6μm）的截留超过对数级6。
5.2.3对微粒的截留
利用超滤，能把最小的微粒引起的浑浊降低到规定的界限以下。
无论原水的质量怎样，滤液的浑浊度通常都能降到0.1NTU以下。
因此，在原水的浑浊度会突然增大的情况下，使用超滤特别合适。
与传统的净化过程相比，超滤可以非常容易地实现自动化。
5.2.4降低污染指数
污染指数(SDI)是在纳米过滤和反渗透时用到的卷式过滤装置对水的过滤能力的一个衡量尺度。
测量这个指数时，要将定量的水在稳定的进水压强下压过要测试的过滤器。
污染指数是由于在过滤过程中逐渐形成覆盖层、滤液通量降低而产生的。
除了水中的微粒外，还有胶体物质以及真正溶解于水中的有机物质共同形成水的污染指数。
微粒和大部分胶体能够通过超滤去除。而对真正能溶解的有机质的截留则与分子量有关。
对大多数的水（包括海水），超滤之后污染指数都能降到1以下。如果污染指数是由可溶性物质导致的，那么在极少数情况下污染指数也可能在1以上。
测量方法见反渗透培训教材。
5.2.5对有机质的截留
有机质包括微粒状、胶体和能溶于水的有机物质。
由于超滤对不同类型的有机质的截留能力不同，因此净化效率就取决于水中有机质的成份组成。
在超滤前加入凝固剂可以部分地清除能溶于水的有机质。
与传统的方式相比，用超滤的方法既不必考虑沉淀作用，也不必注意凝固物的可过滤性，因为超滤的净化效率与凝固物的形状和密度无关。
根据是否絮凝与原水的水质不同，对有机质的截留在40-60%之间。

6膜的相关性能指数和计算公式
6.1截留比例
截留比例R 是留在膜的进水口一边的水中杂质所占的浓度百分比。

R： 截留比例（%）
CFiltrat： 滤液浓度（如mg/l，mol/l）
CZulauf： 原水浓度（如mg/l，mol/l）
由于超滤膜的截留比例非常高，所以病毒和细菌的截留常以“对数级”来表示。比如，99.999%的截留比例就相当于净化能力为对数级5。
6.2滤液体积流量
滤液体积流量是单位时间内过滤出的水的体积。

滤液体积流量 （如 l/s, m3/h）
V： 滤液体积（如l, m3）
t： 时间 (如s, h)
6.3 面积负荷
又称为：滤液通量、渗透通量
滤液体积流量与过滤所用的膜面积的比，就是滤液通量，也常常称为面积负荷。
超滤时常用前期试验确定出滤液通量，一定的水量和一定的膜面积会产生稳定的滤液通量，这是一个非常重要的参数。用它可以计算出要净化预定的水量所需要的膜面积。

J： 滤液通量（如l/m2/h）
： 滤液体积流量（如 l/s, m3/h， l/h）
F： 膜面积（如m2）
6.4膜内外压差

膜内外压差（ΔP）是膜的进水口也即浓缩液一侧与滤液一侧的压强差。在横流过滤时要特别注意膜上的压降。为简化计算过程，可假设进水与浓缩液之间存在着线性的压降。

∆ p： 膜内外压差（bar, Pa）
pZulauf ： 进水压强（bar, Pa）
pKonzentrat ： 浓缩液压强（bar, Pa）
pFiltrat ： 滤液压强（bar, Pa）
6.5渗透性
渗透性又称为：比滤液通量、比渗透通量
要判断膜或膜技术的性能、确定过滤定量的水所需要的膜内外压差，就要用到渗透性这个值。用滤液通量除以所需的压差，得到的值就是渗透性。

A： 渗透性（如l/m2/h/bar，l/m2/h/Mbar）
J： 滤液通量（如l/m2/h）
Δp： 膜内外压差（bar, Pa）
6.6常温下的渗透性
由于渗透性和温度相关，所以要用于比较，需要借助温度校正因数，将它转化成常温（20°C）下的渗透性。

A20°C： 常温（20°C）下的渗透性（如l/m2/h/bar，l/m2/h/Mbar）
Tk,20°C： 温度校正因数（-）

微滤和超滤时渗透性的变化通常是由于水的粘度的变化。因为粘度变化与温度的关系是已知的，所以可以确定出温度校正因数。

Tk,20°C： 转化为常温（20°C）下渗透性的温度校正因数（-）
Δ ： 动态粘度（Pa s）
η= (17.91-0.60 T+0.013 T2-0.00013 T3) 10-4
(Weast, R.C.al.《化学和物理手册》，CRC Press,Boca Raton (USA),1990)

实际测量粘度相对于温度的变化时得到的数值与用粘度变化计算出来的数值大多会有一点差异。这个差异是由于膜结构也同时随温度发生变化。
对于滴泽膜组件来说，可以使用下面的近似公式。

Tk,20°C = e 0.019 ( T – 20 ) (T为摄氏温度)

温度因数在下图中用图示表示了出来。

温度校正函数
6.6出水率
出水率是过滤出的滤液与原水的体积比。在计算滤液和原水的体积时必须考虑反向冲洗和快速冲洗时所消耗的水。

如果膜净化装置不用正向冲洗，则公式可简化为：

： 出水率（%）
： 滤液体积流量（如m3/h）
： 反向冲洗用水体积流量（如m3/h）
： 正向冲洗用水体积流量（如m3/h）
tF： 过滤时间（如h）
tR： 反向冲洗时间（如h）
tFF： 正向冲洗时间（如h）

7 超滤系统的清洗
7.1超滤系统反洗
在淡化过程中使用的膜，由于其结构（平板膜等）的限制，通常不能反向冲洗。因为反洗会造成膜脱层或膜分解。因此，在这样的系统中，要不断地将浓缩液抽走。
而中空纤维膜则能反洗，在此程序中加压的透过液从产水出口进入膜元件，从原水进口出水，水流方向与生产时正好相反。中空纤维膜上下两端各有一个原水出口，反洗时可上下原水出口交错排液。
超滤反洗用水为超滤产水，因为反洗水带进的悬浮物将会集聚在支撑结构内而随后不断释放出颗粒、细菌和TOC等，所以原水不适宜做反洗用水。
7.2 超滤系统化学循环清洗/快冲
当关闭透过液阀门时，循环操作是一个机械的清洗过程，其类似于部分反冲洗过程在膜件进水端透过液依旧经纤维排出，这是由于纤维内侧较高压力所至。
当进水流经整个纤维长度会损失部分压力。现在平均透过液的压力较高，此透过液会从纤维外侧反向压入纤维内侧，以帮助去除累积的固形物。循环过程是整个清洗过程的一部分。

8 超滤系统故障排除
故障现象
故障原因
解决办法
高透膜压力
超滤单元受污染，准备清洗。
进行适当清洗，其后单元转回至产水模式。
反向逆流情况
为应对反向逆流时的问题，修改反洗加药方案，降低系统回收率，减小反洗间隔。如问题继续，请联系Koch 公司。
低气压
空压机故障
检查空压机，修正问题。
阀门关闭
沿空气管路检查，开启关闭阀门。
进口压力高
超滤进水泵控制故障
检查PID 控制，如需要进行调整
压力指示仪表故障
对不正常指示仪表监控数据并做检查
进口压力低
超滤进水泵故障
检查超滤进水泵
阀门故障
检查进口阀门操作
高透过液压力
反冲洗控制故障
检查PID 控制，按需要进行调整
超滤单元受污染，准备清洗
进行适当清洗，其后单元转回至产水模式。
反向逆流情况
为应对反向逆流时的问题，修改反冲洗加药方案，降低回收率，减少反洗间隔。如问题继续，请联系Koch 公司。
高或低pH 报警
pH 仪表故障
校准仪表，在已知标准条件下测试
化学清洗后超滤单元未充分漂洗
进行更多漂洗
高水温
软化的CIP 清洗水在升温
检查CIP 供水温度
温度传感器故障
最可能故障：如果仪表指示满量程，更换传感器。
CIP 加热器未关闭
检验运行情况，控制好CIP 加热器
电机故障

电机未给电
检查MCC 状态，如果关闭，开启电机。
VFD 变频故障
检查VFD 显示，修正问题，清除故障。
电机过载
检查安培过载设定。测量泵的安培数。如果超过限定，请联系制造商。
完整性测试失败
膜泄漏
进行完整性测试；监测膜件上端水帽中的气泡。修补泄漏膜丝，重新进行完整性测试。
阀门未开启/关闭
阀门未开启/关闭
检查压缩空气压力是否为85PSI(5.9KGF/CM2)。强制调节阀门自线圈控制到检验运行状态。拆掉阀门上激励执行器进行测试。用扳手扳住阀杆检查阀门操作。
开关转换限定故障
检查红色开关限定指示灯，如都无动作，更换电控箱内保险。检查电控箱内24V 电源。
清洗箱液位高
进口阀门故障
修理好故障阀门
液位指示器故障
监测液位指示器操作
产品水浊度高
有空气进入浊度仪
自管路内排出空气。分析空气是如何进入仪表中，消除气源。
膜泄漏
进行完整性测试。如发现泄漏进行修补。

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KOCH 工业水应用膜管（3”，5”） 标准压力膜管（70psig）
膜型号
尺寸
纤维内径
膜面积
膜
通量范围
产水量
典型应用
直径*长度（英寸）
mil
ft2
截留分子量
GFD
高
GFD
低
GPM
高
GPM
低
HF53-20-PM10
3*43
20
53
10000
85
40
3.1
1.5
去除胶体硅，去除热源，超纯水
HF-53-20-PM100
3*43
20
53
100000
85
40
3.1
1.5
RO前处理，去除胶体硅，降低浊度，去除微生物
HF-132-20-PM10
5*43
20
132
10000
85
40
7.8
3.7
去除胶体硅，去除热源，超纯水
HF-132-20-PM100
5*43
20
132
100000
85
40
7.8
3.7
RO前处理，去除胶体硅，降低浊度，去除微生物
HF-82-35-PM100
5*43
35
82
100000
85
40
4.8
2.3
RO前处理，去除胶体硅，降低浊度，去除微生物
HF-66-43-PM10
5*43
43
66
10000
85
40
3.9
1.8
去除胶体硅，去除热源，超纯水
HF-66-43-PM100
5*43
43
66
100000
85
40
3.9
1.8
RO前处理，去除胶体硅，降低浊度，去除微生物
KOCH 工业水应用膜管（8”，10”） 标准压力膜管（45psig）
膜型号
尺寸
纤维内径
膜面积
膜
通量范围
产水量
典型应用
直径*长度（英寸）
mil
ft2
截留分子量
GFD
高
GFD
低
GPM
高
GPM
低
V8072-20-PMX
8*72
20
817
10000
85
40
48.2
22.7
去除胶体硅，去除热源，超纯水
V8072-35-PMX
8*72
35
521
10000
85
40
30.8
14.5
去除胶体硅，去除热源，超纯水
V8072-43-PMX
8*72
43
397
10000
85
40
23.4
11.0
去除胶体硅，去除热源，超纯水
V8048-35-PMC
8*48
35
337
100000
85
40
19.9
9.4
RO前处理，去除胶体硅，降低浊度，去除微生物
V8072-35-PMC
8*72
35
544
100000
85
40
32.1
15.1
RO前处理，去除胶体硅，降低浊度，去除微生物
V1048-35-PMC
10*48
35
554
100000
85
40
32.8
15.4
RO前处理，去除胶体硅，降低浊度，去除微生物
V1072-35-PMC
10*72
35
871
100000
85
40
51.5
24.2
RO前处理，去除胶体硅，降低浊度，去除微生物

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