环境工程水处理中超滤膜技术的应用探讨

李惠林

（浙江致远环境科技有限公司，浙江 嘉兴 314000）

污水废水会对生态环境造成破坏，威胁人的生命健康，因此，相关企业必须要重视环境工程水处理工作。如果污水中物质大小在0.001～0.02 μm之间，或者物质的分子量处于500～50 000 Da之间，可以利用先进的超滤膜技术，截流和分离这些物质，杂质去除率高达99.99%，在饮用水处理中运用该技术，能够提高饮用水的纯净度，保证居民的健康和安全。

1 超滤膜技术分析

1.1 超滤膜技术原理

超滤膜技术最重要的组成部分就是高分子超滤膜，超滤膜可以过滤掉水中粒径较大的悬浮颗粒及体积较大的高分子胶体。超滤膜孔径在1 nm～100 nm之间，超滤装置运行时，内部的压力差在100～1 000 kPa之间，图1为超滤膜过滤的过程。超滤膜除了能分离胶体和颗粒物，还能分离出细菌病毒和微生物。超滤膜技术需要在高压环境下使用，高压环境可以使水流具有更大的冲击力，使分子量较低的水分子顺利穿过超滤膜，高分子量的溶质会被超滤膜阻挡，达到分离和净化的目的。

1.2 超滤膜技术优势

超滤膜技术有着明显的特点和较大的优势，该技术具有适应性强和稳定的优点，能够在高温环境中完成处理，最高温度能够达到140 ℃，处理过程中不会出现其他化学物质，能够避免二次污染。该技术还具有经济性的优点，超滤膜装置的占地面积较小，整体投资成本比较低，能够满足各个领域水处理的要求，起到了降本增效的作用。该技术还具有安全性的优点，能够有效滤除水体中的悬浮物、胶体等物质。

1.3 超滤膜技术分类

超滤膜技术包括：（1）双膜净水处理技术，采用双层滤膜，能够解决水硬度问题，且净化效率相对较高，可应用于很多领域，海水淡化一般会使用双层净水工艺。该技术运用反渗透技术、纳滤净化技术和超滤净水技术，净化完成后，可以把水体输送到清水池中，实现水资源的二次利用。（2）超滤净水处理技术，融合了多种水处理技术，自来水厂一般使用该技术。超滤净水处理装置占用空间不大，处理过程比较简单，在原水净化中具有较大优势。（3）短流程净水处理技术，该技术对水源品质有一定要求，在原水净化中呈现出较好效果。

2 环境工程水处理运用超滤膜技术的要点

2.1 居民饮用水处理

饮用水关系着居民的健康，如果饮用水中的有毒有害物质没有净化干净，将会威胁居民的生命健康，所以，一定要保证饮用水处理能够消除水体中的泥沙、微生物、悬浮物、细菌病菌、金属物质等。饮用水净化可以采用超滤膜技术，该技术具有较好的处理效果，能够彻底滤除水体中的病菌等物质。在某项饮用水净化实验中，在预处理环节采用了混凝沉淀的方式，运用浸没式超滤膜技术，水体主要来源于东江水，未处理前，水体中存在各种各样的有害物质，如重金属物质和氨氮元素，还有不同种类的有害微生物，采用超滤膜技术可滤除这些物质，降低水体中有害物质的含量，呈现出良好的净化效果。应用超滤膜技术进行净化的同时，可以安装混凝沉淀装置，利用该装置减少病原微生物，并与CSAA污水处理工艺共同发挥作用，最大程度减少水体中的氨氮含量，将氨氮含量控制在0.2 mg/L以下，确保饮用水的质量符合相关规定。超滤膜结构是整个超滤系统的关键，超滤膜能够被重复使用，大大降低了污水净化处理的成本。利用超滤膜技术净化污水时，需要在管道中安装超滤膜，当管道处于供水状态时，超滤膜两侧的压力并不相同，在压力差的作用下，水体中颗粒较大的物质就不能穿过超滤膜，而微量元素和矿物质的体量较小，能够顺利穿过超滤膜。长期使用超滤膜进行过滤和净化时，管道中会残留较多的物质，需要定期清理杂物，避免管道内部堵塞，如果水体内的污染物质较多，残留物质也会增多，因此要缩短清理周期，保持管道内供水通畅[1]。

2.2 海水淡化处理

我国具有丰富的海水资源，地球上大部分水资源都属于海水，占全部水资源的97.2%，如果把海水中的盐分过滤掉，海水资源就会变成淡水资源。处理后的淡水资源能够作为生产生活用水，有效解决了水资源短缺问题。海水中存在各种各样的物质，成分十分复杂，除了盐分，水体中还有金属离子和各种微量元素。海水淡化技术是环境工程水处理工作的主要内容，科研人员研发的反渗透技术，能够成功淡化海水，但应用成本较高，且实际水资源利用率并没有达到既定目标。利用该方法处理海水，也会浪费较多水资源，导致水资源总量减少。经过科研人员的不懈努力，研发出超滤膜技术，该技术具有良好的过滤效果和分离效果，可以把海水中的盐分和微生物等物质过滤出来，使海水中的盐碱量降低。在利用该技术处理浑浊度和污染度较高的海水时，可以与反渗透技术结合使用，发挥两种技术的优势，保证海水淡化处理的质量[2]。

2.3 电镀废水处理

电镀行业的生产环节经常要进行洗刷，要想彻底洗刷干净，就需要使用大量水资源，洗刷后的水体中含有冲刷下来的物质，所以电镀行业污废水中的重金属含量非常高，如果能够将电镀废水中的重金属和其他有害物质滤除干净，就能够对电镀废水进行二次利用。电镀行业在处理废水时，一般会使用超滤膜技术，同时还会使用反渗透技术，这两种技术结合使用能够进一步提高水处理质量。处理电镀废水时，要让废水进入反渗透单元，在压力作用下，水体中的水离子会向相反方向运动。利用超滤设备进行过滤，将电镀废水中颗粒较大的物质过滤掉，如大分子有机物、较大的杂质和胶状物等，超滤设备能够为反渗透单元提供帮助，增强设备的耐用性[3]。

2.4 电厂锅炉补给水处理

我国发电是以热力发电为主，热力发电要用锅炉烧水，水温达到一定高度后，发电机组就开始运行，将热能转化成电能。在整个发电工程中，水是非常重要的媒介，水体的成分和各成分的含量会对转化效率产生较大影响，如果水体中存在较多碳酸盐，在高温环境下，锅炉内壁将会结垢，这不仅会降低传热效率，水体中的有害物质还会腐蚀管道，无法保证锅炉运行效果，结垢腐蚀会缩短锅炉的使用寿命，降低锅炉的耐用性，还有可能会引发严重的安全事故。所以，必须要重视锅炉补给水的处理工作。在供水之前，先对水体进行净化，再将处理后的水输送到锅炉中，以减少结垢腐蚀等问题，提高加热效率，降低生产成本，保证热力发电安全。超滤膜技术能够过滤掉水体中的盐类物质，避免盐类物质结垢和腐蚀管道，避免锅炉设备的质量性能受到影响。在实际运用超滤膜技术时，要使用石灰，在石灰材料的作用下，水体会转变成中水，中水穿过过滤装置后，会过滤掉一部分有害物质，水体继续进入超滤器，在超滤膜的透过作用和反渗透膜的反渗透作用下，能够有效滤除水体中的有毒有害物质。超滤膜技术不仅可以将胶状物质和杂质滤除出去，还可以将盐类物质滤除干净，盐类物质越少，结垢的情况越少，锅炉补给水越纯净，发电效率越高。

2.5 食品污水和含油废水处理

食品企业在生产加工时，会形成大量的污水废水，且水体中存在着较多的悬浮物质和有机物质，必须要按照排放标准进行排放，如果没有进行处理直接排放到自然环境中，将会污染当地的水源，使水体产生富营养化和缺氧情况，严重影响生物多样性和生态平衡。超滤膜技术能够对食品生产过程中的污水废水进行处理，消除污废水中的有害物质，消除水体中的细菌，分离各种杂质，使处理后的水能够被回收利用。另外，处理和净化后的含油废水可以再利用。含油废水主要有三种状态，分别是乳化状态、漂浮状态和分散状态，漂浮和分散状态中的含油废水处理难度较低，可以直接用机械分离，也可以使用活性炭进行吸附，还可以采用凝聚沉淀的方式，这几种方法都能够减少废水中的油。乳化状态含油废水的处理难度较大，如果油脂已经处于乳化状态，油内部的有机物就会变得难以清理，常用的物理手段或化学手段都无法彻底清理干净，而超滤膜技术能够很好地净化这些物质，因为只有水分子能顺利穿过半透膜，从而将乳化状态的油隔离在半透膜的另一边，并对含油废水可以进行二次利用[4]。

2.6 造纸废水处理

造纸企业在生产过程中需要大量的水资源，产生废水的量也非常大。由于国家对污水废水的排放有明确规定，所以造纸企业必须要处理大量废水，水质达标后才能排放。传统的污废水处理工艺成本较高，而超滤膜技术具有低成本的优势，企业能够以较低的成本对大量的污废水进行处理。超滤膜技术在造纸企业的应用具有较大的价值，在对废水过滤过程中，可以自动浓缩造纸原浆，并通过添加适量的漂白粉实现二次利用。使用超滤膜技术时，要考虑造纸工艺的特点和废水处理的要求，并根据废水的具体情况和处理要求选择适合的超滤膜材料。在处理造纸废水时，可以使用PES200膜，该材料的过滤度在98%以上，与之相比，无机陶瓷膜的过滤度仅在30%～48%之间，所以，可以在造纸厂的废水处理中使用PES200膜。

2.7 化工废水处理

化工废水的成分十分复杂，对环境的危害也非常大，如果处理不彻底，没有达到标准就直接排放，将会污染当地的环境，还有可能危害人们的健康。化工废水存在镀离子，镀离子的吸附性较差，很难将镀离子从工业废水中分离出去，如果采用电解处理方法，将会增加用电成本。而超滤膜技术能够有效处理工业废水中的各种杂质，且过滤效果非常好，成本也比较低，同时能使处理后的工业废水达到排放标准，甚至能够满足二次利用的要求。化工污水废水中存在较多的氧化物，超滤膜技术能够过滤掉90%以上的有害物质和大颗粒污染物，且超滤膜上存在具有吸附作用的活性剂，能够进一步吸附化工污废水中的污染物质，由于增压筛孔的孔径非常小，仅有0.1 μm，因而能够有效处理化工污废水，实现回收水的再利用[5]。

2.8 生活废水处理

居民在生活中需要使用水资源，生活用水的消耗量非常大，使用后会形成大量的生活废水，对生活废水进行处理和再利用有利于节约水资源。使用洗涤剂会污染水体，垃圾和粪便也会污染水体，生活废水中含有大量的氮磷元素和硫元素，将城市污水和生活废水直接排放，会对城市环境产生影响，致病微生物和致病菌会通过生活废水和城市污水传播，可利用超滤膜技术对生活污水废水进行处理。废水经超滤膜装置净化后，可作为消防用水或灌溉植被。在污染比较严重的情况下，可以将超滤膜技术和其他废水处理技术结合使用，在用超滤膜装置处理之前，需使用活性炭对生活污废水进行预处理，活性炭的种类较多，可以选择微滤活性炭，也可以使用粒状活性炭，经过初步吸附处理后，再用超滤膜装置处理生活污水废水。超滤膜能够阻止有机物的通过，所以在超滤膜装置中可以搭配使用膜生物反应器，在生活污水废水处理中使用活性污泥超滤耦合设备，可以减少生活污废水中COD的含量，利用该方法进行净化，能够去除95%以上的有害物质[6]。

3 超滤膜技术在环境工程水处理中运用的案例分析

3.1 工程概况

某发电厂的锅炉补水主要是黄河水，在一期工程中，水处理工艺需要使用多个装置，有离子交换器、反渗透装置和过滤器，过滤器主要包括多介质和活性炭两种类型。在二期工程中，决定在水处理工艺中使用超滤装置，不再使用活性炭过滤器。水处理系统主要包含多介质过滤器、超滤装置、反渗透装置、离子交换器。从投入使用到第15月的时间段内，使用聚氯乙烯（PVC）超滤膜，外径为1 mm，内径为1.5 mm；第16月到第57月的时间段内，使用改性聚砜（mPS）超滤膜，前后两个时间段的截留分子量分别为80 000 Da 和45 000 Da 。

3.2 工艺流程和设计参数

对超滤系统进行设计：系统占地46.2 m2，主要包含6个单元，通过母管采用并联方式连接，计划每日的处理量为10 080 t。超滤系统中共有84个超滤膜组件，平均通水量是125 L/（m2·h），系统启动后，瞬时通量是135 L/（m2·h）；对系统的反洗工作进行设计，反洗时需要添加次氯酸钠，该材料具有杀菌作用，每次反洗的间隔时间为60 min；对系统的错流浓水流进行设计，将流量参数设置为20 mm3/h，如果该水流准备进入给水泵，就要按照1.7 mm3/h的流量进行排放，该系统的水利用率能够达到97.7%。在膜污染的处理中，将化学药洗的时间设定为180天，可彻底清除生物和胶体带来的污染。

3.3 优化运行参数

在超滤系统投入使用后，前36月的系统一直保持着稳定的运行状态，化学药洗周期不低于6个月，运行通量始终保持为125 L/（m2·h），跨膜压差处于0.06～0.08 MPa之间。由于热电系统突然面临增容和超滤供水压力变低的情况，所以工作人员对出水量和跨膜压差进行了调整，将通量降低为65 L/（m2·h），将跨膜压差降低为0.03～0.04 MPa，以保证超滤系统运行的稳定性。在调整过程中，把所有的错流浓水回用，将水利用率提高到了98.3%。在对反洗周期进行优化时，要分析单套滤膜组件跨膜压差（TMP）在反洗前后的变化情况，在不改变产水量的情况下，要保证跨膜压差的变化量不高于5%。反洗周期的优化设计参考了产量，每产水360 mm3（需要100 min左右），就要进行一次反洗，经过优化后，水利用率增加了0.3%。对超滤系统进行检验，在完整性检验中，给水阀门处于关闭状态，产水阀门处于开启状态，将压缩空气输入给水系统，气压值为0.1 MPa时，将气阀关闭，对气压进行记录。如果2 min内，气压损失在5%以上，就要开展完整性检验，按照每周一次的频率进行检验，工作人员还可以每天测量产水的SDI值，并根据该数据分析系统的完整性。

3.4 运行结果分析

超滤膜材料和超滤膜组件结构会对超滤系统的运行产生影响。在各个参数条件都相同的情况下，对比两种不同的超滤膜材料，其性能和使用寿命有很大差异。最初使用的是聚氯乙烯（PVC）超滤膜，虽然前期效果较好，但是使用6个月之后，产生了严重的“断丝”问题，受到“膜破损”的影响，超滤膜的组件已经不再具备完整性，只能更换新的超滤膜，但是新的超滤膜使用3个月后出现了同样的问题。经过讨论，将超滤膜材料换成改性聚砜（mPS）超滤膜材料，更换超滤膜材料之后，系统没有再出现类似的问题，而且各方面的情况也满足生产要求。虽然新材料的成本相对较高，但是其使用寿命较长，各方面性能良好，能够有效保护膜丝。

在反渗透预处理环节，要重点关注污染指数值（SDI），该数据能够反映出水体内部胶体和悬浮物的总量，如果污染指数值较低，说明微生物被有效滤除，如果出现断丝问题，污染指数值会快速升高。对两种超滤膜组件进行比较，PVC超滤膜组件前3个月的污染指数值处于1.3～2的范围内，使用6个月时，污染指数值高达4.2，出现了膜破损的情况。而mPS超滤膜组件的污染指数值一直处于0.5～0.9范围内，说明mPS超滤膜组件具备更好的性能。在饮用水处理中，最关键的就是减少水体中的悬浮物，滤除水体中的致病微生物，超滤膜的作用就在于此，如果发生膜破损和断丝的情况，超滤膜就无法发挥作用，所以，一定要重视超滤膜材料的性能，合理选择超滤膜材料。

4 结论

综上所述，超滤膜技术能够在各个领域的水处理工作中发挥作用，且与其他水处理技术相比，超滤膜技术的成本更低，净化效率较高、处理效果较好，能够将污水废水中的有毒有害物质过滤掉。如果将超滤膜技术和其他技术搭配使用，可以进一步提高水处理质量。但在运用该技术时，要重视超滤膜材料的类型和性能，并根据实际需求选择合适的超滤膜。