带衬中空纤维超滤膜用于MBR工艺的优势

一、超滤的范围与定义

 

污水处理领域常用的MBR膜按膜孔径区分，可分为超滤膜（UF）和微滤膜（MF），超滤膜孔径小于0.1微米，微滤膜孔径大于等于0.1微米。但随着业界对膜过滤认识的深入，出于对水中NOMs等小颗粒污染物去除的需要，部分业界人士把超微滤的界限定义在0.04微米。为了不引起争议，在这里，我们讨论的界限仍以0.1微米作为超滤和微滤膜的界限，增加定义0.04-0.1微米孔径为大孔径超滤，0.01-0.04微米为小孔径超滤。

 二、带衬中空纤维超滤膜的历史发展

过去，受制于膜工业制造水平，MBR膜的生产厂家中微滤膜比例多于超滤膜，国内MBR工艺污水处理厂采用微滤膜的案例也多于超滤膜，但通过多年的运行，微滤膜用于污水处理领域所出现的易污堵、膜通量衰减快等系列问题逐渐暴露出来。近十年来，随着欧美制膜技术不断提升，欧美的MBR污水处理领域大部分已用超滤膜替代原先的微滤膜，已能够生产出标准高且性价比高的超滤膜（孔径0.02~0.08微米）。目前在欧洲运行规模最大的10座MBR项目中，基本都采用了超滤膜。

宫奇环境超滤项目现场实拍图

三、带衬中空纤维超滤膜用于MBR工艺的优势

超滤MBR的大规模应用得益于其具有的高于传统微滤膜的出水水质，更强抗污染性，更集中的膜孔分布，更长的膜寿命和更高的开孔率及膜通量。

1、带衬超滤膜产水品质高

超滤及微滤膜过滤几乎能够全部去除水中的黏土、细菌、浮游生物及其他悬浮物，甚至能够去除一部分色度，氯代物等。显而易见，膜孔径大小对污染物尺寸有不同截留效果，颗粒物或污染物的去除效率与其粒径大小或可以说切割分子量大小有关。对污水中较大颗粒污染物，微滤超滤都能取得不错的分离效果，但对污水中广泛存在的NOM，其中部分颗粒大小分布在0.04-0.1微米之间，微滤膜难以去除这些颗粒。在合理的操作条件下，采用超滤膜的MBR，其产水浊度<0.1NTU，TSS<0.1ppm，SDI<3.0(80%以上时间)。超滤膜可以去除大部分NOMs,对后处理工艺的选择有很大优势，如现在经常采用的NF/RO的预处理，采用超滤的超高品质产水，能够减少污染，降低化学清洗的频率，延长其寿命。

2、带衬超滤膜抗污染性强

MBR经过长时间的使用后，会出现膜通量下降的问题。这种性能的下降，一方面是由于膜本身不可逆的变质引起，另一个很大的影响因素是膜污染（fouling & scaling），当然，部分膜材料由于其强度不够容易断丝，也会引起产水量的下降。膜材料本身的劣化是不能恢复的，但由于膜污染造成的性能下降是可以通过清洗而恢复的。

在通常的理解中，会认为膜孔越小越容易产生污堵，实际情况则不然，在膜分离的过程中，需要被截留的物质与膜孔径的外形尺寸相差越大，越不容易产生污堵，原因在于污染物进入膜孔内部的形成阻塞的概率会大幅降低，在普通活性污泥法中，菌胶团的最小直径约20微米，而在MBR工艺中，由于曝气的剪切作用较传统工艺更强烈，因此菌胶团的最小直径可能降至2微米左右，外加游离细菌的存在，使得MBR工艺中，存在更大量的直径在10微米以下颗粒。

 

超滤膜和微滤膜电镜照片对比从上图可看出，细菌的尺寸大于0.1微米，如果采用微滤膜，大部分细菌可以穿透膜孔，这样部分细菌会在膜背面繁殖生长，最后将膜孔堵住，这也是很多微滤膜使用2~3年后膜通量会大幅下降的原因之一，发生这种情况，即使采用化学反洗也不能完全清除，这属于不可逆的膜污堵情况。虽然细菌的尺寸大于0.1微米，但在膜抽吸时，细菌的尺寸会变形收缩至0.07~0.08微米，因此采用孔径0.03微米的小孔径超滤膜，可有效防止细菌（包括变形收缩后的细菌）的穿透，细菌被截留在膜表面，可通过曝气擦洗和化学反洗去除膜表面的污染，过程是可逆的，这也是小孔径超滤膜抗污堵性和使用寿命均优于微滤膜和大孔径超滤膜（孔径0.04~0.1微米）的主要原因。同时，从膜分离的过程机理上，超滤与微滤也有一定区别。从电镜照片的对比可以看出，微滤膜大多是海绵状孔结构，且孔径较大，因此在过滤的过程中，除了正常的机械筛分作用以外，还包括吸附，桥架等作用。以吸附作用来说，由于微滤膜本身对于颗粒就具有一定的吸附容量，又不可能通过灼烧之类的方式进行再生，因此当吸附容量饱和时，膜的通量会大幅下降；而桥架作用，则是指在过滤的过程中，由于污染物在膜表面不断堆积，形成一定厚度的滤饼层，因此微滤膜通常情况下都是滤饼层过滤。而超滤膜，由于孔径更小，因此其过滤方式主要以机械筛分为主，因此过滤的过程更稳定。

由筛分机理可知，微粒或溶质尺寸与膜孔径相近时易堵塞膜孔。微粒或溶质尺寸大于膜孔时，由于水流的切向力作用，污染物能够被冲刷掉，不会堵塞膜孔。污水中广泛存在的NOMs，其中部分颗粒大小分布在0.04-0.1微米之间。微滤膜和大孔径超滤膜经过一段时间运行后，污染物容易贴合在孔壁上，造成过水面积减小，通量快速下降；进入膜孔内的污染物很难通过反洗去除，降低了膜的使用寿命。带衬超滤膜孔径大小均匀，不易污堵，出水通量恒定，使用寿命更长。目前欧美主流市场，MBR膜技术大多也采用超滤级技术路线。随着使用方对膜技术了解的深入，许多业主在采购招标时也专门要求用超滤膜，未来，超滤膜将逐步替代现有微滤膜的应用。综上所述，超滤膜总体品质和性能优于微滤膜，小孔径的超滤膜（孔径小于等于0.04微米）优于大孔径的超滤膜（孔径0.04~0.1微米）及微滤膜（孔径大于等于0.1微米）。

3、 带衬超滤膜使用寿命更长

所有的膜在运行的时候存在某一个特定的通量，我们通常称之为临界通量，其具体定义是指在实际运行通量低于某一个通量时，通量的增幅与TMP的增幅成正比，然而当运行通量高于这个通量时，TMP增幅将不再与通量的增幅呈正比，呈现快速上升的趋势，如下图所示。

 

而当膜孔出现大小不均匀的情况时，由于水优先通过阻力小的地方，孔径不均均的膜会出现大孔早期承担大部分通量负荷，可能远高于临界通量，而最先发生严重的污堵，接着中孔又承担大负荷，接着污堵，最后小孔也污堵；而孔径均匀的膜所有孔一直共同承担通量负荷，不易污堵。因此MBR膜推荐采用孔径均匀性好的膜。

 

4、带衬超滤膜物理强度高

膜及膜元件会由于机械变形、热变形、加水分解、化学变化等导致结构发生变化。水处理中使用膜过滤时，由于进水水力冲击、曝气扰动、纤维缠绕等影响，膜的强度不够，极易发生断丝现象，继而造成产水量降低，产水水质变差的后果。断丝最容易上升的部分在端部，此处在膜丝曝气抖动时剪切力最强。PVDF由于材质本身强度的问题，最大断裂强度<10N，在这种情况下，长时间使用容易断丝。目前，较好的解决断丝问题的方案是采用带内衬膜，这样，膜丝断裂强度就取决于内衬强度。通常，带内衬膜丝断裂强度至少在100N以上，部分品牌膜丝强度甚至最高能够达到800N。对于MBR工况，强度满足100N就可以认为不会有断丝现象的发生。

综上，随着膜工艺的进步，带衬超滤膜将以其更好的性能逐步扩大市场占有率，成为未来市场主流工艺形式。