王磊，福士憲一
?(［日］八戶工業(yè)大學(xué) 工學(xué)研究科)

　　摘　要：為了進(jìn)一步明確超濾過(guò)程中運(yùn)行條件對(duì)膜污染的影響，以三菱造紙廠黑液經(jīng)井水稀釋(10⁴～10?5倍)作為試驗(yàn)原水，用截留分子質(zhì)量為15×10⁴的超濾膜對(duì)不同原水濃度、透水率、反沖洗方式、間隔時(shí)間、壓力等條件下的膜壓差變化情況進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果表明：原水濃度在E260值為0.03～0.16之間運(yùn)行，可以控制膜壓差的迅速增大，提高運(yùn)行效率；相反E260＞0.35時(shí)，可能引起膜的不可逆污染。在不影響系統(tǒng)壓力的原則下，增大膜表面的流速可以起到邊透水邊洗膜的作用，即膜表面流速為1.6 m/s時(shí)能大大緩解膜壓差的增加。雖然反沖洗的間隔時(shí)間和壓力會(huì)影響膜壓差，但前者并不是重要的影響因素。從水質(zhì)結(jié)果可以看出，膜污染層起到了和膜本體同樣的過(guò)濾作用。?
　　關(guān)鍵詞：超濾；運(yùn)行條件；膜污染；膜壓差?
　　中圖分類(lèi)號(hào)：X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2001)10-0001-04

Effects of Operational Condition on Ultrafiltration (UF) Membrane Fouling
WANG Lei，F(xiàn)ukushi Kenichi?
(Engineering Research Division,Hachinohe University of Technology,Japan)

　　Abstract：To further understand the effects of operational condition on UF membrane foulin
g,an experiment using kraft pulp liquor diluted with 10⁴～10⁵ times well water as synthetic raw water was carried out to examine the influence of raw water strength,permeability,backwash mode,interval,and pressure on the trans?membrane pressure difference by applying UF membrane with “molecular weight cutoff”of 15×10⁴.The results show that the raw waterE₂₆₀ value of 0.03～0.16 may cause little change in trans?membrane pressure difference and increase operating efficiency,while?E₂₆₀ value is greater than 0.35,an irreversible fouling of UF membrane may be observed.On the principle of no influence exerting on the system pressure,the increase of membrane surface velocity may result in water permeation while membrane cleaning,that is,at membrane surface velocity of 1.6 m/s,little change is observed in the trans?membrane pressure difference.Although the backwash intervals and pressure have effect on the trans?membrane pressure difference,the backwash period is not an important factor influencing the pressure difference.?
　　Keywords:　ultrafiltration;operational condition;membrane fouling；trans?membrane pressure difference[HK]

　　在水處理領(lǐng)域，膜分離以其高度的固液分離性、節(jié)省占地、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)引導(dǎo)與推進(jìn)水處理工藝改良的進(jìn)程具有深刻的意義［1］。超濾膜早在20世紀(jì)的后期即進(jìn)入污水處理領(lǐng)域，而今又在給水處理界得到了較為廣泛的關(guān)注，在出水水質(zhì)基本得以確保的基礎(chǔ)上，穩(wěn)定持久的透水性能已成為研究的中心課題［2、3］。?

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.1　原水水質(zhì)
　　采用日本八戶市內(nèi)的三菱造紙廠黑液經(jīng)用校內(nèi)井水稀釋(10⁴～10⁵倍)后作為試驗(yàn)原水，其水質(zhì)如表1所示。反映有機(jī)成分的指標(biāo)用TOC/E₂₆₀表示，其值在25～35之間。

表1　試驗(yàn)水質(zhì) 項(xiàng)目 原水 井水(稀釋用) 未過(guò)濾 0.45 μm?過(guò)濾 未過(guò)濾 0.45 μm過(guò)濾 UV₂₂₀，1 cm(abs.) 0.489 0.472 0.357 0.355 UV₂₆₀，1 cm(abs.) 0.051 0.043 0 0 色度(倍) 10 8.8 0 0 TOC(mg/L) 1.69 1.51 0.52 0.50 pH 7.16 7.21 7.40 7.44 電導(dǎo)率(μS/cm) 192 200 163 164 濁度(NTU) 0.12 0.09 0.1 0.09 總鐵(mg/L) 0.03 0.016 0.019 0.016 溶解性硅酸(mg/L) 42 42 42 42 硬度(mg/LCaCO₃) 52 50 51 50 堿度(mg/LCaCO₃) 46 50 46 46

1?2 試驗(yàn)裝置
　　試驗(yàn)材質(zhì)為醋酸纖維素中空超濾膜，截留分子質(zhì)量為15×10⁴，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。透水方式為十字流式。

1.3　試驗(yàn)方法
　　試驗(yàn)的操作條件見(jiàn)表2。?
　　將表2所示的原水濃度、透水率、膜表面流速、反沖洗的間隔時(shí)間(透水時(shí)間)、反沖洗歷時(shí)以及壓力6種操作因子，在不同的階段賦予不同的數(shù)值進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)不同條件下膜兩側(cè)的壓力差和透過(guò)水質(zhì)進(jìn)行比較分析。各因子均設(shè)定有標(biāo)準(zhǔn)值，在探討某種操作因子的影響時(shí)，其他因子都以設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行試驗(yàn)。透過(guò)水的溫度控制在20 ℃左右，反沖洗時(shí)加氯消毒。?

表2　　操作條件 操作因子 設(shè)定值 原水濃度（E260） 0.030、0.075、0.16、0.35 透水率（m/d） 0.7、1.0、1.5、2.0 膜表面流速（m/s) 0.6、1.0、1.6、0 反沖間隔時(shí)間（min） 30、60、120 反沖洗歷時(shí)（s） 10、20、40 反沖洗壓力（kPa) 100、200、250 注：有下劃線者為標(biāo)準(zhǔn)值。

2　影響膜壓差的因素

2.1原水濃度
　　受原水濃度的影響，膜壓差和透水水質(zhì)的變化如圖2所示。?

　　可以清楚地看出，在原水濃度(E₂₆₀，1 cm)設(shè)定值較高的情況下，膜壓差在短時(shí)間里迅速增加。設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值E₂₆₀=0.075時(shí)，試驗(yàn)至第15 d的膜壓差上升到限度值；而當(dāng)原水濃度為0.160和0.350時(shí)，分別僅需5 d和3 d的膜壓差就急速上升至限度值；相反在0.030這樣的低濃度下，膜壓差在35 d后也并沒(méi)有明顯的增加。隨著濃度的增加，由于濃差極化作用，膜表面溶液濃度的增加，逐漸形成了污染層，加之試驗(yàn)為定流量運(yùn)行，加速了原水中污染物的堆積，透水阻力迅速增大，因而導(dǎo)致了膜壓差的提高。值得注意的是，試驗(yàn)后對(duì)堵塞的膜進(jìn)行了化學(xué)清洗，設(shè)定濃度為0.030、0.075、0.16時(shí)，使用過(guò)的膜均完全恢復(fù)到了初期的透水性能，唯有原水濃度為0.350時(shí)的過(guò)濾膜性能不能恢復(fù)。由此看出，在一定的濃度范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)化學(xué)清洗實(shí)現(xiàn)反復(fù)利用。當(dāng)超出此范圍時(shí)，可能引起膜的不可逆堵塞。在實(shí)際的運(yùn)行中，對(duì)應(yīng)不同的膜選擇適當(dāng)?shù)脑疂舛纫彩翘岣哌\(yùn)行效率的一個(gè)手段。在透水水質(zhì)方面，圖2中隨著膜壓差的增高，透過(guò)水的E₂₆₀值逐漸降低，唯有原水濃度為0.030的設(shè)定值時(shí)，透過(guò)水的E₂₆₀值一直處于不變狀態(tài)。透水過(guò)程中，除了膜本身的過(guò)濾過(guò)程以外，隨著表面污染層的形成，污染層起到了和膜類(lèi)似的過(guò)濾作用，因此從透水水質(zhì)上也可以判斷膜受污染的程度。?
2.2　　透水率
　　透水率的影響如圖3表示。?

　　和原水濃度的影響類(lèi)似，當(dāng)透水率＞1.0 m/d時(shí)，隨著透水率的提高，膜壓差急劇增大。其中透水率為1.5 m/d時(shí)，5 d達(dá)到上升限度值；透水率為2.0 m/d時(shí)，僅僅需2 d膜差壓即達(dá)到限度值。反之，當(dāng)透水率為0.7 m/d時(shí)，試驗(yàn)開(kāi)始50 d后，仍然保持開(kāi)始時(shí)的膜壓差。試驗(yàn)中，膜的透水率設(shè)定值在0.7～1.0 m/d之間，能保證穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。透水水質(zhì)和上述受原水影響的結(jié)果一致，透水率的提高促進(jìn)了膜表面污染層增長(zhǎng)的進(jìn)程，促進(jìn)了膜本體和污染層的雙層過(guò)濾作用，于是出水水質(zhì)也隨之逐漸提高。當(dāng)透水率為0.7 m/d時(shí)，對(duì)E₂₆₀的去除率始終保持在35%，說(shuō)明膜表面無(wú)大量的污染物附著。?
2.3　膜表面流速
　　隨著膜表面流速的提高，膜壓差也隨之上升。當(dāng)流速為1.6 m/s的較高值時(shí)，一方面膜表面的污染物被垂直于透水方向的水流剝離，同時(shí)污染物在高速的水流作用下也不易向垂直方向沉降，從而使膜壓差得到了控制，但其缺點(diǎn)是需要的回流量較大；當(dāng)膜表面流速為零時(shí)，則稱(chēng)為全透過(guò)方式，此時(shí)沒(méi)有原水的循環(huán)和表面流速對(duì)污染物的剝離，很快達(dá)到了膜壓差上升限度值(和預(yù)想的一致)；而當(dāng)膜表面流速為0.6 m/s時(shí)，仍然保持十字流優(yōu)勢(shì)運(yùn)行方式，低流速直接影響加壓側(cè)的壓力，使系統(tǒng)壓力降低，使膜壓差上升平緩穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，中空管式膜在十字流透水時(shí)，在不改變系統(tǒng)壓力的前提下，提高膜表面的流速可以緩解膜壓差的提高，相反膜堵塞的進(jìn)程會(huì)被加快。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。?

2.4　反沖洗間隔時(shí)間
　　反沖洗時(shí)間間隔對(duì)膜壓差的影響見(jiàn)圖5。?

　　由圖5可見(jiàn)，設(shè)定間隔時(shí)間為120 min時(shí)，和60 min的相比，膜壓差到達(dá)上升限度值的時(shí)間減少了1/4左右；設(shè)定間隔時(shí)間為30 min的膜壓差到達(dá)30 kPa后，上升較為緩慢。由此可見(jiàn)，反沖洗的間隔時(shí)間設(shè)定在30～60 min之間能夠最大程度地提高膜的工作效率。另外，透水水質(zhì)和上述情況有著同樣的變化趨勢(shì)。從圖4中可以看出，取30 min的間隔時(shí)間進(jìn)行反沖洗時(shí)，在第14 d的透水E₂₆₀值突然增大，這是由于膜表面的附著層在高頻度的反沖洗作用下脫落而造成的。?
2.5　反沖洗壓力
　　反沖洗壓力對(duì)膜壓差等的影響見(jiàn)圖6。?

　　反沖洗壓力設(shè)定為100 kPa和200 kPa時(shí)，對(duì)膜壓差的影響基本沒(méi)有什么不同，透過(guò)水的E₂₆₀值也隨著時(shí)間在變化。只有壓力設(shè)定在250 kPa時(shí)，膜壓差的上升時(shí)間推遲10 d左右，同時(shí)透過(guò)水的E₂₆₀值在第14 d有上升趨勢(shì)，此現(xiàn)象和上述提高反沖洗頻度所引起的水質(zhì)結(jié)果是由同樣原因所造成的。
2.6　反沖洗歷時(shí)
　　分別對(duì)上部沖洗5 s+下部沖洗5 s、上部沖洗10 s+下部沖洗10 s以及上部沖洗20s+下部沖洗20s等三種情況進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果3種不同組合對(duì)膜壓差上升的影響基本一致，而且都和反沖洗間隔時(shí)間設(shè)定為60 min的結(jié)果一致。由此可見(jiàn)，在一定頻度下的反沖洗歷時(shí)對(duì)膜壓差的控制并沒(méi)有起到?jīng)Q定性的作用。?

3　結(jié)論

　?、偃绻?jīng)過(guò)預(yù)處理，其E₂₆₀值為0.03～0.16，則可以控制膜壓差的迅速增大，提高運(yùn)行效率。若?E₂₆₀＞0.35，則可能引起膜的不可逆污染。?
　?、谀け砻娴牧魉倥c膜污染關(guān)系密切。在不影響系統(tǒng)壓力的原則下，增大膜表面的流速可以起到邊透水邊沖洗膜的作用。膜表面流速為1.6 m/s時(shí)即能大大緩解膜壓差的增大。?
　　③〖JP2〗反沖洗的間隔時(shí)間和壓力都影響膜壓差，但是反沖洗間隔時(shí)間對(duì)膜壓差并不是重要的影響因素。?
　?、苣翰钤龈咭馕吨の廴緦拥纳?。從透水水質(zhì)可以看出，此污染層起到了和膜本體同樣的過(guò)濾作用。
　　因此，根據(jù)原水水質(zhì)、膜的種類(lèi)等因素，設(shè)定透水率、膜表面流速以及反沖洗的條件，對(duì)保持穩(wěn)定的膜壓差、維持膜長(zhǎng)期穩(wěn)定的透水性能有著重要的意義。?

參考文獻(xiàn)：

　?。?］Adham S S,?et al?.Characteristics and costs of MF and UF plants［J］.J AWWA,1996,(5):22.
　　［2］　Wang L,Fukushi K,?et al?.A fundamental study on the application of nanofiltration to water treatment［J］.J of Japan Water Works Association,69(5):35-45.
　?。?］Laine,J-M,?et al?.Effects of Ultrafiltration Membrane composition［J］.Journal AWWA,1989,81(11):61.

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　　作者簡(jiǎn)介：王磊(1971-)，男，陜西西安人，現(xiàn)為日本國(guó)八戶工業(yè)大學(xué)工學(xué)研究科土木工學(xué)專(zhuān)業(yè)的博士后，研究方向?yàn)樗幚砑夹g(shù)；福士憲一為日本國(guó)八戶工業(yè)大學(xué)工學(xué)研究科教授，工學(xué)博士。
　　電　話：(029)2202522(王志盈)?
　　E-mail:wang@stud.hi-tech.ac.jp
　　收稿日期：〖HTSS〗2001-07-16