超滤技术手册inge.docx
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超滤技术手册inge
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超滤技术手册
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1超滤技术基本原理
1.1工艺
超滤，它属于滤膜过滤工艺，是一种压力驱动的过滤技术。
基本滤膜过滤工艺的示意图如图1所示。
图1:
基本滤膜过滤工艺示意图
用泵将水压入膜件，由于滤膜的膜压差（TMP）,进水得到过滤。
水中杂质由滤膜剔除（与其细孔尺寸有关），并留在进水中。
当被剔除杂质的浓度（它可以包括分子、原子或离子及胶体）变得太高时，一部分进水作为浓缩物被定期从系统中去除。
当杂质浓度太高时，胶体开始产生堵塞，或系统可在滤膜上产生结垢。
在滤膜表面产生的沉积层会改变其过滤性质和所需的过滤压力。
1.1.1死端过滤操作模式
微滤或超滤薄膜可以两种基本方式工作:
或者以“错流过滤”模式（它以浓缩物的连续流通过系统）工作，或者以“死端”过滤模式（其中所有进水都加压通过滤膜，浓缩物只在反洗顺序期间被去除）工作。
在任一种场合，出水和进水的比称为“回收率”，并由下式计算:
超滤薄膜，它可应用于饮用水的处理工艺，通常以死端模式工作（如下面的图2所示），因为系统的工作效益较高。
图2:
死端过滤工艺示意图
工艺详细情况:
水在死端过滤模式中并不重新循环，全部的进水被压入系统通过滤膜。
这种模式主要用于高质量和混浊度较低的未经处理的水（例如用于饮用水预处理的超滤）。
在较高混浊度的场合，取决于所采的过滤方式，系统工作可从死端模式转换成横流过滤模式。
死端模式由于系统的效益较高，是较好的工作模式，较高的效益是由于较低的工作成本（泵所需的能量较少）和较高的回收率产生的。
1.1.2错流过滤模式
在错流过滤模式中，浓缩物以较高的流速跨过滤膜循环，在膜丝中振荡.这样可以防止沉淀和沉积层的建立。
为了控制与浓缩物流量无关的错流过滤速度，只有部分浓缩物（也称为“净化”）被重新循环。
inge公司设计的专门的超滤工艺，只要滤膜被定期反洗（参见图3），甚至全部浓缩物也可重新循环。
图3:
带净化工艺的重新循环示意图
1.1.3以反洗模式清洗
通常，应用于脱盐工艺中的膜丝由于它们独特的结构不能被反洗。
在这些系统中，浓缩物被不断从系统中去除，以避免低可溶盐物的沉积。
然而，具有毛细管纤维的超滤薄膜可以用反洗模式清洗，其中滤过的水从出水口向浓缩口冲洗，以便很有效地去除沉积层。
为避免厚污垢层的形成，系统需要定期反洗。
在反洗模式中，滤过的水被加压从过滤出口到浓缩物口“反向”通过系统，从而去除了滤膜浓缩物侧的污垢表面。
反洗用的滤过的水或者储存在储水箱中，或者由其他过滤单元供应。
图4:
反洗工艺示意图
取决于使用滤膜系统的类型，浓缩物由定期的反洗程序不断去除。
图4示出了反洗工艺的基本示意图。
而且取决于所应用的滤膜系统，包含少量化学物质，如氯或过氧化物的反洗水可改进清洗的有效性。
但是，用于清洗的化学添加物并不用于每次反洗周期中，而是以频度不大的时间间隔使用。
系统被清洗（而且是否采用反洗模式）的频率取决于进水的质量。
1.1.4
以正向冲洗模式清洗
在反洗顺序之前立即进行正向冲洗可显著增强反洗性能是一个已得到证明的事实。
图5为正向冲洗的示意图。
因为这个工艺不用过滤水完成而通常使用进水，所以它对系统的整个可利用率影响不大。
图5:
正向冲洗工艺示意图
1.2化学清洗
取决于水中污染的类型，单用反洗可能不能完全去除污垢层，这可能造成性能随时间而降低。
为恢复系统原先的过滤性能，可用3到18个月的间隔进行化学清洗。
根据想要清除的污垢的类型，可选择适当的化学物质（如酸、苛性氢氧化钠或各种其他消毒和清洗溶液）进行清洗。
1.3
剔除能力
剔除机理随滤膜技术而变。
例如，被确定为无孔滤膜的反渗透膜甚至能剔除溶解性的物质。
通过这些滤膜的传送依靠采用扩散模型描述。
图6说明各种滤膜技术的剔除能力。
图6:
各种类型滤膜的剔除能力
与反渗透滤膜对比，微滤和超滤薄膜是多孔滤膜。
基于这一事实，靠位阻效应完成隔离的过程。
与微滤相比，超滤更小的孔径不仅可剔除细菌和其他微粒，甚至能剔除更小的污染物，如病毒和宏分子有机物质。
图7对超滤（UF）的孔径尺寸和微滤（MF）的孔径尺寸作了比较，而且进一步说明与饮用水处理工艺有关的微生物的一般尺寸。
图7:
UF和MF孔尺寸的比较
纳滤基于其多孔性质，可归类为超滤与反渗透中间的某个地方。
纳滤薄膜的平均孔径尺寸约1nm（纳米）。
由于这种孔径的尺寸，中性（不带电）污染物的剔除被认为主要来自位阻效应。
已证明双价带电离子比单价带电离子更易剔除，这是因为纳米过滤薄膜的电荷之故。
为此，纳滤常被应用于去除硬度和硫酸盐。
也有应用纳滤剔除腐殖质和农药的许多例子。
1.4计算公式
1.1.1.剔除比
剔除比（R）是留在滤膜进水侧的水的各种成分浓度的百分比。
R=剔除比[%]
c=浓度[z.B.mg/l,mol/l]
由于超滤薄膜很高的剔除能力，病毒和细菌的剔除可用“对数位相”（log-phases）表示。
例如，99,999%的剔除比等于5对数位相的剔除性能。
采用下面的公式，对数位相表示可转换为百分比值：
1.1.2.过滤容积流量
另外的名称：
渗透容积流量
过滤容积流量被定义为每个时间单位内的被过滤容积。
=过滤容积流量[z.B.l/s,m³/h]
V=过滤容积[z.B.l,m³]
t=时间[z.B.s,h]
1.1.3.膜通量
另外的名称:
过滤流量,渗透流量
过滤容积流量与水处理所需滤膜表面面积之比被定义为膜通量。
超滤工艺取决于某一水质和在某一滤膜上可能稳定产生的（而且通常在预试验中确定）的渗透流量是最重要的参数之一。
采用这一流量，可确定所要求饮用水量处理所需的滤膜表面积。
J=过滤流量[z.B.l/m²/h]
=过滤容积流量[z.B.l/s,m³/h,l/h]
F=滤膜表面积[z.B.m²]
1.1.4.膜压差
膜压差（Δp）是滤膜进水或浓缩物口与渗透出口之间的压力差。
尤其是在错流过滤模式中工作时，则必须考虑压力下降。
为简化计算，将假定进水与浓缩物间有线性的压降。
Δp=膜压差[bar,Pa]
pZulauf=进水口处压力[bar,Pa]
pKonzentrat=浓缩口处压力[bar,Pa]
pFiltrat=渗透出口侧压力[bar,Pa]
1.1.5.渗透率
另外的名称:
特定过滤流量,特定渗透流量
对一个滤膜或一个滤膜过滤工艺性能的鉴定，以及特定过滤量所需的膜压差的确定，将采用渗透率（A）。
渗透率的计算是将渗透流量除以所需的膜压差。
A=渗透率[z.B.l/m²/h/bar,l/m²/h/MPa]
J=过滤流量[z.B.l/m²/h]
Δp=跨滤膜压力[bar,Pa]
1.1.6.
按温度标准化的渗透率
因为渗透率取决于温度，为了比较目的，它可借助于一个温度修正因子进行标准化。
A20°C=20°C温度下的标准化渗透率[例如l/m²/h/bar,l/m²/h/MPa]
TK,20°C=温度修正因子[-]
在超滤和微滤工艺中，渗透率的变化可以是由于水黏度的变化引起的。
因为已知黏度的特定变化取决于温度，而且当假定通过细孔的为“哈根-泊肃叶”流时，温度因子也可确定。
TK,20°C=用于进行20°C渗透率标准化的温度修正因子[-]
∆=动态黏度[Pas]
（Weast,R.C.etal.„HandbookChemistryandPhysics“,CRCPress,BocaRaton（USA）,1990）
当测量渗透率对温度的依赖时，与对水黏度的测量结果比较，可发生某些少量的异常。
这个事实可能是由于温度变化同时使滤膜结构发生变化而产生的。
对于Dizzer滴泽模件，规定下面的计算:
（Tin°C）
温度修正因子的变化趋势如图8所示。
图1:
温度修正因子
1.1.7.可利用率
超滤工艺的可利用率是可用过滤渗透水量与进入的未经处理水量之比。
在计算出水量和进水量时，必须考虑反洗和正向冲洗的水消耗。
如果超滤装置不用正向冲洗清洗，则计算将简化如下:
=恢复比[%]
=过滤流量[例如m³/h]
=反洗流量[例如m³/h]
=正向冲洗流量[例如m³/h]
tF=过滤顺序持续时间[例如h]
tR=反洗顺序持续时间[例如h]
tF=正向冲洗顺序持续时间[例如h]
2
滤膜集成系统
2.1膜技术的组合应用
如图8所示，超滤（可作为单个处理步骤或与其他滤膜过滤工艺组合）为去除未经处理水中所有种类的污染提供了一个强有力的工具。
图8:
组合处理系统
2.1.1超滤和絮凝作用
通过在超滤之前在进水中引入絮凝剂可显著增加去除有机碳的效率。
与传统过滤比，因为超滤能剔除很小的絮凝物，因此在随后的分离过程中，不再需要优化絮凝剂的剂量。
因此絮凝作用甚至能优化有机碳的去除。
2.1.2
超滤和活性碳
在超滤工艺前增加活性碳显著增加系统去除腐殖质和农药的效率。
然而，如果需要大量活性碳，则应当考虑用纳滤来代替超滤。
2.1.3超滤和纳滤
极性农药可应用涉及超滤和纳滤的一种组合过程可靠地去除。
这个双重系统还有一个积极意义，即水被软化及硫化物被去除。
2.1.4超滤和反渗透
在超滤工艺后加上一个反渗透处理系统对水的淡化特别有效。
用超滤作为预处理，此种反渗透系统工作得更加可靠，而且具有很高的通量。
作为反渗透预处理的超滤为微生物和微粒产生一个可靠的壁垒。
而且，它几乎完全去除了以后会导致污垢的物质。
2.2
与传统的处理工艺相比较
与传统处理过程比较，超滤具有以下优点:
▪超滤对微生物和微粒提供完全的壁垒。
▪过滤品质不取决于水的质量。
▪超滤消除耐氯的病原体。
▪来源于超滤工艺的浓缩物只包括污染物。
工艺中产生从而要处理的污水数量显著低于传统处理产生的数量。
▪系统紧凑的结构意味着对设施较少的投资和较小的空间。
▪超滤可以容易自动化。
▪由于几乎所有污垢已被超滤清除，下游处理将具有较高生产率。
▪因为系统可在较高的膜通量下工作，而且清洗次数较少，故下游纳滤处理或反渗透系统的投资和运行成本显著减少。
3
Inge公司标准:
最好的超滤（UF）技术
3.1膜丝概念
Multibore多孔毛细管对防止毛细管的破裂和泄漏是高度安全的。
图1:
Multibore多孔毛细管纤维
各种滤膜膜丝可以内压式或外压式的方式工作，这使Inge公司可以向饮用水处理工艺提供Multibore多孔超滤膜膜丝。
对于废水处理，多通道滤膜提供最优的选择。
图2:
各种Multibore配置
3.1.1模件示意图
3.1.1.1Dizzer滴泽模件
图3:
外部Dizzer单元体,结构示意图
Dizzer是一种中空纤维超滤膜组件，其平均截断分子量为150,000道尔顿。
一个具有225mm直径的Dizzer组件包含1,800根Multibore多孔毛细管纤维,每根Multibore毛细管具有内径为0.8mm的7根纤维。
纤维成分是具有特殊添加物PESM（一种阻止有机污垢生成的亲水性材料）的聚醚砜。
工作模式是从内向外，即进水流过纤维内部，并以径向流向外通过滤膜“管”壁进行过滤。
用在Dizzer组件中的超滤膜丝是为去除微粒设计的。
将水压过滤膜，微粒就留在滤膜表面上。
由于滤膜孔径的尺寸很小，所有悬浮固体（包括微生物）被用这种技术有效地去除。
由于这些微粒在滤膜表面建立污垢层，水流方向必须定期反向（也称为反洗），以去除被过滤微粒物质形成的污染层。
Inge公司提供各种尺寸的Dizzer滴泽模件以满足其客户的特定要求。
为保证在过滤侧通过毛细管的水流有最优分布，在每一Dizzer组件中膜丝编织成类似“格网”状的结构，以便水流分布。
Dizzer模件的细菌和病毒剔除能力使这种组件成为让地表水和井水可饮用的理想工具。
而且，Dizzer系统去除胶体物质极其有效，使它成为反渗透系统中出色的预处理系统。
3.2
Dizzer的剔除能力
病毒和细菌的减少通常以对数（log）格式给出（例如“5log减少”），它可用以下公式转换成百分比形式:
3.2.1MS2噬菌体的减少
因为滤膜非常有效，故其MS2噬菌体剔除水平从技术观点看难以确定。
由于滤膜的高剔除水平，为了取得任何统计上有意义的读数，必须在长时期内引入高度浓缩的噬菌体剂量。
即使是对难以实现的每升100,000个噬菌体的浓度（技术上可实现的最高浓度），也不足以减弱滤膜的剔除能力。
因此，MS2噬菌体的减少被定为大于99,999%（5log）。
图3:
用Dizzer滴泽模件对MS2噬菌体的剔除
图3示出了Dizzer单元体的MS2噬菌体的剔除水平，测量产生在反洗工艺前不久（小结块层）和反洗工艺后不久（无结块层）。
第三个测量在两个反洗周期的中间记录。
3.2.2
减少隐子囊孢子
在大量试验中，隐子囊孢子（尺寸为4–6µm）的含量由Dizzer滴泽组件剔除而减小，如下图所示:
图1:
用Dizzer减少隐子囊孢子
3.2.3减少混浊度
过滤的品质并不取决于进水的质量。
即使发生进水混浊度的峰值，Dizzer也能在工艺中保证始终一致的优良而稳定的过滤品质，因而可导致其完全自动化。
在一个都市废水处理场地的实际试验中，Dizzer单元体已产生以下的混浊度减小:
图2:
Dizzer对第三级污水混浊度的减小
3.2.4减少SDI
污染物指数（SDI）的减小作为水过滤能力的指标主要取决于从进水和超滤（UF）系统的一致性。
除微粒物质外，胶体污染与溶解的有机物对SDI也有影响。
微粒和胶体物质可通过应用超滤完全去除，而溶解有机物质的剔除则取决于这些分子的大小。
依靠添加絮凝剂，去除效率（因而SDI）可显著提高。
取决于未经处理水的质量，即使没有添加絮凝剂材料，过滤后SDI的范围是从1到4。
3.2.5减少TOC
按照定义，TOC包括微粒、胶体物质，而且还包含溶解性的有机物。
因为超滤剔除这些成分的每一种，取决于分子大小，总剔除性能是这些各个剔除数字之和。
在超滤工艺之前添加絮凝剂有助于增加对小分子有机物的去除性能。
可以优化絮凝作用的工作参数，以便通过调节絮凝剂的浓度和进水的pH值来最大可能的剔除TOC。
与传统处理对比，不必监控絮凝体的沉淀或可过滤性，因为超滤的过滤性能不取决于絮凝体的几何形状和特定重量。
超滤对TOC的去除可达到60%。
成分
去除
无絮凝剂的TOC减小
0-25%
TOC减小
25%-60%
表1:
Dizzer对TOC的减小
4
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Dizzer膜组件是德国Inge公司的注册商标。
Inge和Inge标志是是德国滢格公司的注册商标。
Multibore是德国Inge公司的注册商标。
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