反渗透技术应用3.docx
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反渗透技术应用3
LFC低污染聚酰胺反渗透膜
LFC
LFC（即低污染复合膜）系列代表着海德能公司在复合膜领域内又一新突破，本文向用户介绍该系列膜元件的有关性能及其应用。
3.1简介
LFC即低污染复合膜的简称，LFC系列膜元件不仅具有复合膜的低压、高通量、高脱盐率等各种优点，而且还具有抗污染的特殊优点。
该系列有LFC1、LFC2及LFC3三个品种，这三个品种其材料与传统复合膜相同，但不同的是，传统反渗透复合膜其表面带负电荷，而LFC1、LFC3膜表面不带电荷，呈电中性，LFC2膜表面则带正电荷。
LFC1膜元件的产水量、运行压力和脱盐率与CPA系列膜元件相近，LFC2膜元件的脱盐率随给水水源类型及浓度而变化。
3.2产品规格
美国海德能公司不但向用户提供LFC1-365、LFC1、LFC2及LFC3四种8英寸低污染复合膜，同时也提供适合于小型系统的LFC1-4040、LFC2-4040及LFC3-4040三种4英寸膜元件，表1所列为LFC系列产品的流量、膜面积及脱盐率的数据。
表1 LFC膜元件基本性能
膜型号
膜面积-ft2（m2）
水通量-gpd（m3/d）
最低脱盐率-%
8英寸元件
LFC1-365
365（33.9）
10000（37.8）
99.5
LFC1
400（37.2）
11000（41.6）
99.5
LFC2
365（33.9）
11000（41.6）
95.0
LFC3
400（37.2）
9500（35.96）
99.6
4英寸元件
LFC1-4040
85（7.9）
2300（8.7）
99.4
LFC2-4040
85（7.9）
2500（9.5）
95.0
LFC3-4040
85（7.9）
1980（7.5）
99.6
所有膜元件的试验条件均为225psi，25℃，15%回收率，pH6.5-7.0,1500ppmNaCl溶液，30分钟后取样
从1998年开始所有4英寸膜元件外皮材料均为玻璃钢。
3.3LFC1膜元件
开发LFC1膜元件的目的是为了尽量减少有机污染物在膜表面的吸附，使得由于有机污染物在膜表面沉积而造成的水通量衰减速度降低至最小值。
本节主要对新型LFC1膜元件与传统复合膜的抗污染性能与表面电荷特性进行了比较，并提供了相关数据。
首先，这些数据表明了膜表面电荷特性与pH值之间的相互关系，其次，给出了LFC1膜与各种污染物之间的相互关系，最后，也给出了LFC1膜与传统复合膜在废水处理方面的实际使用数据。
如图1所示，在酸性及碱性条件下LFC1膜表面均呈电中性，也就是说无论给水pH值是多少，LFC1膜表面均接近电中性。
为了比较，传统复合膜的表面电位随pH的变化情况也一并示于图1中，从图1中可以看出，在通常水处理pH值范围内，传统的聚酰胺复合膜的表面电位均呈负值。
图1 pH值对LFC1膜及传统复合膜表面电位的影响
3.3.1污染物的化学特性
污染物对膜的水通量有显著影响，图2所示为LFC1膜对不同带电污染物的抗污染特性。
为了便于比较，我们将带负电的聚酰胺复合膜的性能也示于图中。
图2 给水表面活性剂对LFC1膜及传统复合膜的污染影响
在阴离子表面活性剂存在的情况下，尽管膜表面带负电的复合膜其水通量可维特不变，但当这些膜与阳离子表面活性剂、两性表面活性剂（例如，有些物质随pH不同而呈不同的带电特性）或者中性表面活性剂相接触时，其水通量则会大大降低，但对于LFC1膜来说，无论何种表面活性剂存在，它均可以保证高水通量。
3.3.2水通量的稳定性
在现场处理城市二级排水时，LFC1膜可以维持水通量稳定，而传统复合膜的水通量会很快衰减，如图3所示，LFC1膜元件在高污染环境下也可以很长时间的保持产水流量稳定。
图3 LFC1膜在城市二级排水处理中的应用实例
3.3.3应用
LFC1膜元件主要适用于城市污水处理、锅炉排水处理及高污染的地表水处理。
很多原来必须使用醋酸膜的场合均可以换用LFC1膜。
用LFC1膜代替CAB（醋酸）膜时可以降低给水压力，增加产水量和提高脱盐率。
采用LFC1膜与醋酸膜相比的另一显著优点就是不需要限制给水pH值4~6，因而可以省去昂贵的加酸费用及专门的控制系统。
为了验证这一观察结果，把LFC1膜和传统低压反渗透膜在同一使用条件下进行了对比，两种膜的进水均为中空超滤膜处理后的市政排水，地点是加州21水厂。
图4表明了对于两种不同的膜元件，给水压力及温度随时间的变化曲线，结果表明在处理那些对传统膜元件容易产生问题的市政排水时，LFC1膜几乎不会被污染或者只有轻微污染，由于LFC1膜在运行的8个月中性能稳定，所以一直没有清洗。
图4LFC膜与传统低压膜用于中空超滤膜处理后的市政排水
由于LFC系列膜元件是芳香族聚酰胺复合膜，因而使用LFC系列膜元件的系统，不能有游离氯存在。
当然某些情况下可以使用氯胺来控制细菌的生长，如想了解何时可以使用氯胺，请随时与海德能公司联系。
3.4LFC2膜元件
LFC2膜是膜表面带正电的芳香聚酰胺膜，这种带正电的膜与传统带负电的膜性能完全不同，这种膜与阳离子表面活性剂接触后，可通过清洗来恢复水通量，而带负电的传统复合膜在与阳离子表面活性剂接触后其水通量无法恢复，另外，在给水TDS含量低的情况下，LFC2膜与其它带负阴电的高脱盐率复合膜相比，LFC2膜对钠及其它阳离子的脱除率更高。
由于膜表面带正电荷，所以我们建议在使用LFC2膜元件时避免使用阴离子聚合物，因为这些阴离子聚合物在与LFC2膜表面接触时会导致膜表面产生不可恢复的污染。
3.4.1在阳离子聚合物存在时水通量稳定性
如图5所示，LFC2膜与阳离子聚合物接触后可以通过清洗的方法恢复其水通量，而且由于这种污染而导致的水通量衰减会远远低于使用带负电的传统复合膜。
图5 复合膜与阳离子聚合物接触后及清洗后水通量恢复情况
3.4.2脱盐率与给水含盐量的关系
尽管在标准试验条件下（1500ppmNaCl，225psi）LFC2膜的最低脱盐率为95%，但在极低含盐量的情况下，其脱盐率要高于传统的带负电荷的芳香聚酰胺复合膜。
在含盐量高于100ppm时，传统的复合膜其脱盐率极高（＞99.5%），但是，当含盐量低于10ppm时它对钠的脱除率明显降低，因而总脱盐率也会降低。
而LFC2膜由于表面带正电，在给水含盐量较低的情况下，对钠也有较高的脱除率。
在给水含盐量低的情况下，LFC2膜的整体脱盐率要高于传统聚酰胺膜，在二级反渗透系统中，如果第二级使用LFC2膜，则这种膜比传统的聚酰胺膜有更高的脱除率，图6正好说明了这一点。
图6 LFC膜脱盐率与给水含盐量的关系
3.5LFC3低污染反渗透膜
美国海德能公司一直致力于产品的更新换代，通过不断改善膜的技术和产品性能来满足客户的需要。
现在美国海德能公司又开发出了新一代LFC3膜产品，该产品除了具有LFC1膜所具有的亲水性、电中性及高通量以外，更进一步提高了LFC1膜的脱盐率来满足客户对更高脱盐率的需要，LFC3膜产品是目前水处理工业中唯一把低污染技术与高产水量和高脱盐率相结合的膜元件。
美国海德能公司于1998年率先推出了低污染复合反渗透膜元件LFC1，目前已经有超过数万支LFC1膜元件在全世界几百个大、中型项目中使用，最典型的是在新加坡勿洛城市污水回用项目。
在该项目中LFC1膜元件自2000年4月投入运行以来，每天可从废水中制取10,000吨的饮用水，这种膜元件适用于在市政及工业中在处理地表水和废水及其他复杂水源（指在送入任何复合膜元件前需要复杂预处理的水源）。
目前可以提供的产品：
产品型号
说明
应用
性能
流量加仑/天（吨/时）
脱盐率（最低）
LFC1
电中性,亲水性
适用于市政废水
11000（41.6）
99.5%
LFC1-365
电中性,亲水性
适用于市政废水
10000（37.9）
99.5%
LFC2
正电性,亲水性
适用于给水中含正电荷组分的场合
还可用于双级RO中的等二级RO
11000（41.6）
95.0%
LFC3
电中性,亲水性
适用于市政和工业地表水及废水
且需要高脱盐率的场合
9500（36）
99.6%
低污染反渗透LFC系列膜元件具有以下特点：
●LFC1及LFC3膜表面不带电荷且具有亲水性，因而对溶解有机物的吸附性小；
●与其它公司同类膜元件BW30-400-FR相比，LFC3膜的透盐率低20%以上；
●400平方英尺的膜元件具有最高的性能，最有效且经济的系统设计；
●大大增加了膜元件和系统的运行寿命；
●延长了清洗的周期，降低了清洗的费用。
●LFC2膜表面带有正电荷，将其用于双级反渗透的第二级RO可大幅提高反渗透的产水电阻率，此技术已在国内获得广泛应用。
3.6LFC1低污染反渗透膜在市政废水回用方面的应用
摘要：
市政废水回用工程中的膜污染引起人们对废水回用设计和运行的关注。
膜污染是因为在进行二级处理之后，市政废水还含有高浓度的悬浮物、胶体和较高的生物活性。
使用膜技术处理市政废水需要在反渗透系统之前进行非常好的预处理。
建立在消毒、絮凝、澄清和介质过滤基础之上的传统多级处理步骤，仍使反渗透膜有非常高的污染倾向。
大量的现场测试和商业反渗透系统应用结果表明不管膜材料是醋酸纤维素还是复合聚酰胺，污染速度都非常快。
为维持设计的产水量，膜必须频繁进行清洗。
近来一种新的预处理技术用到了市政废水的反渗透工艺上，它由可反洗的中空纤维结构的微滤和超滤膜组成。
这种膜预处理系统能处理二级排放水并能保持稳定的过滤水量和操作压力。
中空纤维技术可以为反渗透提供高质量给水。
中空纤维膜出水中胶体和悬浮物含量比传统的预处理工艺出水低很多。
在使用中空纤维膜预处理的废水回用厂，反渗透膜的污染速度大幅下降。
采用低污染复合膜LFC1之后，反渗透膜污染速度下降得更多。
在低污染膜中，脱盐层改进为更具亲水性表面并且降低了其对溶解性有机物的亲合力。
在市政水回用系统中使用低污染膜的运行结果表明，其污染速度比清洁地下水源的RO系统还低。
低污染速度归功于溶解性有机物在LFC1亲水性表面较低的吸附力。
很明显在低污染膜中，吸附的溶解性有机物层和膜表面之间的亲合力相对较弱。
本文描述低污染膜技术的性能并比较传统和中空纤维膜预处理的不同结果。
市政废水回用系统的性能将与传统膜技术进行比较。
中空纤维超滤膜预处理市政二级排水并使运行参数最优化的结果也将在本文中细述。
传统预处理
传统处理市政废水的反渗透系统中，膜污染导致产水通量的降低。
这表现为需要明显增加给水压力才能维持设计透水通量。
经过二级处理的市政排水含有高浓度的胶体物质、悬浮物和溶解性有机物。
二级处理过程通常包括生物处理（活性污泥澄清），导致排水中较高的生物活性。
在进入反渗透系统之前，应降低二级排水中胶体和固体物质并抑制生物活性。
传统预处理的一个典型结构如图1所示，是目前建在加州桔县21水厂（WF21）的5mgd反渗透系统的三级预处理流程图。
目前的预处理工艺是在原始设计基础上发展、改进和简化后的流程
（1）。
预处理包括絮凝、石灰澄清、用CO2再次碳酸化沉淀和慢速重力过滤。
采用加氯法控制生物活性。
石灰澄清是提高给水水质非常有效的方法，但是太昂贵，占地面积大且产生难以排放的淤泥。
在一些更小的系统中，石灰澄清和重力过滤由在线絮凝取代，然后是二级压力过滤和精密过滤。
在21水厂，回用系统主要选择由醋酸纤维素制成的反渗透膜，这种膜在运行期间污染迅速。
图2和图3是21水厂醋酸纤维素膜的运行结果。
给水压力（图2）最初是200psi左右，在一段时间后不得不升至260psi以维持正常的透水量，在短时期内给水压力又不得不升至300psi以上。
尽管每2至3星期就频繁地进行一次膜清洗，给水压力仍持续上升。
与水透过率不同，脱盐率始终稳定在94~96%之间（图3）。
在21水厂进行过大量的现场试验来评估复合膜在废水回用方面的应用情况。
令人鼓舞的实验结果是明显的高水通量、低给水压力、低电能消耗和高脱盐率。
超低压复合聚酰胺膜ESPA在21水厂有代表性的运行结果请见图4、5、6。
ESPA膜的给水压力初始为60psi，比200psi的醋酸纤维素膜低得多（图4）。
然而为维持设计水通量，给水压力也不得不升至300psi以上，这相当于特性水通量下降80%以上。
频繁的清洗也没有能够缓和水通量衰减的问题。
同醋酸纤维膜的运行一样，ESPA膜的脱盐率稳定在97%左右（图5）。
考虑到给水中含有2~6ppm的总氯（以氯胺的形式），这个结果非常突出。
RO给水中氯胺的存在似乎控制了生物活性并阻止细菌在RO系统中生长。
在运行两年间，膜间压降保持稳定（图6）。
上述膜快速污染和通量下降等结果清楚表明传统的预处理工艺在处理市政排水时不能提供足够好的水质给RO系统。
膜预处理
过去已有使用超滤膜做为RO预处理工艺的绝对屏障
（2）。
超滤和微滤膜有能力生产出比传统预处理工艺好很多的水质。
传统的预处理工艺包括石灰澄清、介质过滤和精密过滤，然而传统的卷式结构超滤膜不适合处理高污染的废水。
膜表面没有严重污染和给水通道没有堵塞时，超滤膜也不能在高水通量下运行。
高错流给水流速，需要降低浓差极化，从而导致高电量消耗。
频繁膜清洗非常繁琐且不能有效恢复透水通量。
近来中空纤维结构的微滤和超滤技术开始出现（3）。
纤维丝孔内径为0.7~0.9mm，外径为1.3~1.9mm。
新的商业用中空纤维膜有两个新特性：
●纤维丝频繁、短时、自动地进行冲洗（或一定模式下反洗），使系统在短期脱机时能保持稳定的透水通量；
●能在非常低的错流流速下运行，即使在直流过滤模式时也如此。
相比传统过滤器反洗，中空纤维丝超滤膜脉冲清洗的脱机时间非常短。
频繁脉冲清洗的结果是稳定的透水通量。
给水压力范围是5~20psi。
新预处理方式的主要优势在于膜技术的本质：
给水与透水之间膜屏障的存在，使胶体物质与病菌下降几个log值。
在市政废水回用应用中，新型可反洗中空纤维膜预处理取代石灰澄清、介质过滤、保安过滤器。
二级排水有非常高的污染倾向，且中空纤维膜技术的应用需要合适的膜种类和运行条件以维持可靠性能。
在现场条件下我们发现亲水性聚合物制成的中空纤维丝膜比传统的疏水性材料受溶解性有机物的污染倾向小。
但即使是亲水性纤维膜，清洗之间的运行周期也太短，只能持续几天。
然而在中空纤维膜系统之前的二级排水中加入絮凝剂，运行周期可以明显延长。
图7为海德能HYDRAcap中空纤维超滤膜在SanLuisRey（Oceanside）废水回用厂的运行结果。
该图说明为维持稳定过滤通量所需的压力值。
膜组件以直流死端过滤模式运行，水通量为32gfd。
最初几天内给水压力急速上升。
每3~5天需要进行一次膜清洗。
然而，在超滤系统给水中加入氯化铁FeCl3之后，不进行清洗的运行周期可延长至30天以上。
这样明显的性能提高的原因目前还不十分清楚，推测为Fe（OH）3在纤维丝表面形成高透水的多孔弹性层，吸附有机物和胶体。
在反洗步骤中，此层脱离膜表面并从纤维丝中冲掉。
目前实验还在进行以便更清楚此过程原理。
中空纤维膜能完全除去胶体，但对TOC的去除率不高。
用中空纤维膜进行预处理，在市政排水系统中使用ESPA膜的性能见图8。
初始给水压力约70psi并且迅速增加到140psi，之后稳定下来并且在运行一年半期间随着给水温度的变化而波动。
最初透水量衰减约60%，然而明显低于采用传统预处理的同种膜水通量85%的衰减量。
使用中空纤维膜做RO系统的预处理使复合膜在废水回用领域得以应用，使之比使用醋酸纤维膜的操作压力更低、脱盐率更高。
低污染反渗透膜
相比传统的复合聚酰胺膜，最近推出的低污染复合膜LFC1，具有亲水性膜表面且膜表面不带电荷。
亲水性表面降低了给水中有机物质在膜表面的吸附。
LFC1膜在21水厂和SanPasqual水处理设备厂，以中空纤维膜做预处理，处理市政排水。
在SanPasqual的运行结果见图9。
LFC1膜的特性水通量小于ESPA的特性水通量。
因此，初始压力约为90psi，稍高于同样运行条件下ESPA膜的操作压力。
然而在运行期间给水压力始终保持稳定，水通量为12gfd。
在运行后期水通量逐步升到17gfd，这样的水通量对于废水处理系统来说是非常高的，因为废水反渗透系统通常设计的平均水通量为10gfd。
图10为特性水通量的计算值。
结果表明在初期下降约15%后，特性水通量在运行期内一直保持稳定。
由于膜性能的稳定性，在这八个月的运行期内，膜元件没有进行清洗。
在运行期结束后，LFC1膜在标准测试条件下进行了一次测试，结果概括在表1中。
相比于厂外的测试数据，八个月运行后的平均水通量下降约为10%。
由0.5%NaOH溶液循环的清洗步骤可使水通量完全恢复。
表1—SanPasqua厂经超滤膜预处理的LFC1膜运行性能变化表
运行期：
1998年4~9月
测试运行时
的位置
出厂
运行后
清洗后
脱盐率-%
透水量-gpd
脱盐率-%
透水量-gpd
脱盐率-%
透水量-gpd
第1列
首支元件
99.5
1629
99.6
1512
没清洗
没清洗
中间元件
99.5
1629
99.6
1466
99.4
1788
末支元件
99.5
1684
99.6
1499
99.4
1788
平均
99.5
1647
99.6
1492
99.4
1788
变化%
+20
-9.4
+20
+8.5
第2列
首支元件
99.6
1908
99.5
1629
没清洗
没清洗
中间元件
99.6
1908
99.6
1596
99.2
2317
末支元件
99.6
2082
99.6
1578
99.2
1708
平均
99.6
1966
99.6
1601
99.2
2012
变化%
0.0
-18.5
+100
+2.3
平均变化%
+10
-14
+60
+5
膜完整性
在废水回收系统中，膜的完整性和膜去除病菌的能力非常重要。
卷式反渗透膜的完整性可以通过真空试验检测，传统的卷式膜只能在膜元件装入反渗透系统前进行此类检测。
中空纤维超滤膜和微滤膜可以在组件装入系统中之后进行完整性检测。
最普遍的中空膜组件检测是压力保持试验：
向系统施压并监测压力衰减情况。
在此类研究中，系统的完整性由超滤膜与微滤膜对MS2病菌的脱除率确定。
试验结果见图11和图12。
结果表明每套膜系统可以脱除5log的细菌。
商业应用
使用LFC膜最大商用系统之一为新加坡Bedok废水回用厂，Bedok水厂于2000年4月起开始运行。
给水是二级市政排水，由微滤系统进行预处理。
阻垢剂和硫酸加在微滤系统的出水处，给水pH保持在6左右。
反渗透系统包括两套生产能力各为5000吨/天的系统，设计通量为18.7L/m2/hr（11gfd）。
反渗透设计为28:
14:
8三段排列，每支压力容器中装6支元件，设计回收率是85%。
在运行初期反渗透第三段会出现结垢现象，其主要是磷酸钙垢，采用柠檬酸清洗后能恢复膜的性能。
结垢的原因主要是阻垢剂不适用，在更换阻垢剂后系统将会实现稳定可靠的运行。
即使给水源自市政排水，LFC膜系统的给水压力一直很稳定，维持在设计的800~1000KPa（116~145psi）范围内，没有压降增加的现象。
生物活性由反渗透系统给水中保持约2ppm的余氯进行控制。
尽管给水中有余氯存在，LFC的脱盐率非常稳定并且高于设计值。
处理结果
废水回收系统中的膜污染与给水水质和膜材质有关。
结果表明两种污染成分：
胶体和溶解性有机物在膜表面沉积构成污染层。
此污染过程称为复合污染（4），主要影响透水性。
表2概括了因采用不同预处理的不同膜元件污染引起的透水通量的衰减。
由表2可以明显看出，采用超滤膜进行预处理后，反渗透膜的污染速度下降。
采用膜预处理的主要结果是反渗透给水中的颗粒物减少。
微滤和超滤处理很少改变给水中的有机物浓度。
天然有机物非常容易吸附在疏水性膜材质上（5、6、7），很大程度上是有机物的吸附导致采用膜预处理的废水系统中复合膜的通量下降。
亲水性膜材质很少吸附有机物（5），通量损失也很低，所以亲水性膜可以在较高水通量下运行。
废水回收系统中的污染过程不会导致系统压降的明显增加，这是因为给水中的余氯明显降低生物活性。
使用中空纤维膜预处理提供进一步的屏障，降低了反渗透给水中的细菌量。
采用LFC膜处理市政废水的设计观念，通过中试系统研究和开发，在大型商业反渗透系统中得以成功应用。
给水压力和脱盐率等性能保持了长期稳定。
生物活性，通常是废水回收应用中的主要问题，通过余氯的存在得以控制。
表2—不同反渗透膜在特性水通量下的预处理结果
膜种类
醋酸纤维素膜
ESPA1（聚酰胺）
ESPA1（聚酰胺）
LFC1（低污染）
预处理方式
传统
传统
中空纤维膜
中空纤维膜
特性水通量,初期
0.07gfd/psi
0.24gfd/psi
0.24gfd/psi
0.17gfd/psi
特性水通量,稳定后
0.04gfd/psi
0.04gfd/psi
0.10gfd/psi
0.15gfd/psi
通量下降
40%
85%
60%
12%
操作压力,给水压力在10gfd/psi（bar）
200~350（14~24）
300~350（20~24）
140~180（10~13）
100~150（7~11）
电能消耗kwhr/m3
5.0~6.0
5.0~6.0
2.5~3.2
1.7~2.7
升级会员 