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超滤系统工作原理        超滤(UltraFiltration,简称UF)是溶液在压力作用下,溶剂与部分低分子量溶质穿过膜的微孔到达膜的另一侧,而高分子溶质或其它乳化胶束团被截留,实现从溶液中分离的目的。它的分离机理主要是靠物理的筛分作用。超滤分离时是在对料液施加一定压力后,高分子物质、胶体物质因膜表面及微孔的一次吸附,在孔内被阻塞而截留及膜表面的机械

超滤系统工作原理

        超滤(UltraFiltration,简称UF)是溶液在压力作用下,溶剂与部分低分子量溶质穿过膜的微孔到达膜的另一侧,而高分子溶质或其它乳化胶束团被截留,实现从溶液中分离的目的。它的分离机理主要是靠物理的筛分作用。超滤分离时是在对料液施加一定压力

后,高分子物质、胶体物质因膜表面及微孔的一次吸附,在孔内被阻塞而截留及膜表面的机械筛分作用等三种方式被超滤膜阻止。水和低分子物质通过膜,而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧,成为浓缩液因而实现对原液的的净化、分离和

浓缩的目的。

       原水经气浮+石英砂介质过滤器处理,作为超滤膜组件的原料水。本次设计采用的超滤UF膜组件,是作为回用水深度处理工艺,其出水水质应满足线上回用水对SS的进水要求。

超滤操作方式

      超滤膜可按照死端过滤(Dead-end)、单通错流过滤(Single-pass)和循环错流过滤(Recirculation)三种运行模式操作。

      死端过滤:当超滤进水悬浮物、浊度和 COD 值低,如洁净的地下水、山泉水等水质,或超滤前处理较严格,如有砂滤器、多介质过滤器等过滤,超滤可按照全流/死端过滤模式操作。此过滤模式与传统过滤相仿,原水进入超滤膜管,100%经过超滤膜过滤自膜管

     过滤液侧产出。被超滤膜截流的大分子颗粒物、胶体等在超滤定时反冲洗、快冲和化学清洗过程中自超滤膜管排出。

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死端过滤演示图

        单通错流过滤: 一般当原水中悬浮物和胶体含量较低时可按死端过滤模式来操作。原水以较低的错流流速进入膜管,浓缩水以一定比例从膜管另一头排出。

        产水在膜管过滤液侧产出,运行回收率通常是90-99%,这由原水中微粒的浓度来决定。

        循环错流过滤:当原水中悬浮物含量较高及在大多数非水应用领域,就需要通过减少回收率来保持纤维内部的高流率。这样就会造成大量的废水。为了避免浪费,排出的浓水就会被重新加压后回到膜管内,这就称为循环模式。这会降低膜管的回收率但整个系统

的回收率仍旧可以很高。在循环流程模式,进水连续地在膜表面循环。循环水的高流速阻止了微粒在膜表面的堆积,并增强了通量。因为较少的进水成为产水,为了获得相同的产率能耗就会比死端过滤高。

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错流过滤演示图

超滤膜的过滤方式

A、内压式

        原液先从膜丝内孔进,经压力差驱动,沿径向由内向外渗透过中空纤维成为透过液为内压式过滤。内压式过滤可以使用高压大流量的顺冲洗,使冲洗水流与膜孔成切向方向快速流过,从而可以将吸附在膜内孔表面上的污染物冲去,恢复膜的水通量。内压式超滤膜

的进水流道在中空纤维膜丝的内腔,为防止堵塞,对原水中的悬浮物的含量和粒径都有较严格的限制,因而更适合于原水水质较好的情况。

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B、外压式(本系统选用外压式)

        原液经压力差驱动沿径向由外向内渗透过中空纤维膜丝成为透过液,而截留的物质汇集在中空膜丝的外部时为外压式过滤。外压式超滤膜密封在膜壳内,水流的死角多,无法使用快速直冲的方法清除膜表面附着的污染物,因而不能完全去污。外压式过滤的进水流

道在膜丝之间,膜丝在过滤的过程中存在一定的自由摆动空间,方便于以后的加气清洗,因此更适合于原水水质较差、水中悬浮物含量较高的情况。

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影响超滤膜产水量的因素

(1).温度对超滤膜产水量的影响:

      温度对超滤膜的产水量的影响是比较明显的,温度升高水分子的活性增强,粘滞性减小,故产水量增加。反之则产水量减少,因此即使是同一超滤系统在冬天和夏天的产水量的差异也是很大的,温度与产水量的关系见图所示:

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温度与产水量的关系曲线图

        一般在允许的温度条件下,温度每上升1度,则相应的产水量增加2.15%,因此可以使用调节水温的方法来实现超滤系统的产水量的稳定一致。在确定超滤膜水通量时需要进行温度修正,图2-4是以液体温度为25℃为基准时设定修正系数为1,按实际温度从表中读出校正系数,那么此时标准化通量=此温度下的通量/校正系数。※注意:为了保证超滤膜性能的稳定和使用的安全,原液进膜温度必须控制在5-45℃。

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产水量与温度修正系数

(2).操作压力对产水量的影响:

       由图中曲线我们看出,在低压段时超滤膜的产水量与压力成正比关系,即产水量随着压力升高随着增加,但当压力值超过0.3MPa时,即使压力再升高,其产水量的增加也很小,主要是由于在高压下超滤膜被压密而增大透水阻力所致,因此在超滤系统设计应注意:

实际操作中,任何时候操作压力都不应超过0.3MPa,即使是瞬间超过也可能会损坏膜结构,甚至打破超滤膜;操作压力应控制在超滤膜透水速率变得与静压力无关,而凝胶层刚开始形成时所对应的那个压力。因为此时再增加压力只会增加凝胶层厚度和致密性,而不会增

加透水率。许多膜组件组成的超滤系统,每个膜组件之间的最大压力降不应超过0.05MPa。

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压力与产水量的关系图

见上图,压力从0.1MPa增加到0.2MPa时其相应的产水量也增加了一倍,因此膜组件布局不合理时,临近给水泵处的膜组件获得较大的进水压力,产水量大,而远离给水泵的膜组件因管路压降大获得进水压力小,在总产水量相同的情况下,可能会出现临近给水泵处的

膜组件在超负荷制水,而远离给水泵的膜组件还没有充分出力的情况。

(3).进水浊度对产水量的影响:

进水浊度越大时,超滤膜的产水量越少,而且进水浊度大更易引起超滤膜的堵塞,在确定超滤膜产水量时应考虑进水浊度的影响。一般可采用以下方法降低进水浊度的影响:

A、增加前级预处理降低原水浊度;

B、使用错流过滤方式,并降低系统回收率;

(4).流速对产水量的影响:

流速的变化对产水量的影响不像温度和压力那样明显。流速过大时反而会导致膜组件的产水量下降,这主要是因为由于流速加快增加了组件压力损失而造成的,因此在设计超滤系统流速时,一定要控制在给定的流速范围内。流速太慢影响超滤分离质量,容易形成浓差

极化,太快则影响产水量。

超滤膜组件结构示意图:

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超滤组件结构示意图


       超滤膜过滤层表面分布很多细小的孔。这层物理屏障防止了大分子物质和微生物通过滤膜。这些被滤膜系统阻挡下来的物质在浓水排放、反洗或清洗过程中被脱离超滤系统。

       超滤系统有超滤单元、超滤反洗单元、超滤CEB单元、超滤化学清洗单元、超滤膜完整性检测单元组成:

       超滤单元由超滤膜框架、膜组件、管道、阀门、仪表及必要的支吊架组成。本次工程超滤的运行方式按死段过滤和错流过滤设计,在水质较好时,超滤装置的运行采用死端过滤的方式运行;一旦水质恶化,将切换成错流过滤的方式运行。

       超滤膜过滤层表面分布很多细小的孔。这层物理屏障防止了大分子物质和微生物通过滤膜。这些被滤膜系统阻挡下来的物质在浓水排放、反洗或清洗过程中被脱离超滤系统。

下图为超滤膜过滤层示意图:

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运行描述

       超滤在过滤的过程中,分离出来的污染物会在膜表面积累,为了最大限度的提高产水效率,需要周期性的使用空气和超滤产水或优于同等水质的水对系统进行反洗。一般情况下,在超滤未超压情况下运行时候,其外表面的污染物是出于松弛状态,通过一定量的压

缩空气通入进膜组件内,压缩空气和膜组件内残留的水混合一起,就形成气泡,通过快速的上升流速,造成膜丝高频率振动,从而使不紧密的污染物脱落后达到清洗效果,但往往有些在靠近膜丝侧的污染物通过不断地加压现象,形成了一定滤饼或与膜形成一定的凝

层,这时可以通反洗泵的作用下反方向注入一定压力的清洁水并使其透过超滤膜丝中的膜孔,松动并带出一部分紧贴着膜表面的污染物,然后被排出系统。所以通过以上描述,超滤膜系统需要根据设定的程序按预设时间间隔进行反洗,以防止污染物过渡积累而导致膜

系统失效,在完整的超滤运行周期中,操作的一般步序如下:

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        在运行中,如果水体中微生物或者有机物很高,为了尽可能不在膜表面造成细菌及微生物的滋长,在进水或/和反洗中加入氧化剂来进行控制,一般投入比例在 5-30ppm 之间,频率也需要通过实际情况来进一步确定。但如有些水体水质特别差,含有很高的悬浮

物,在超滤前端投加混凝剂是需要考虑的。

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超滤膜全流程示意图

超滤反洗单元

        超滤装置在运行一段时间后,由于水中无机物、有机物及微生物的污染,超滤的透膜压差(TMP)会上升。透膜压差(TMP)是衡量超滤膜性能的一个重要指标,它是指中空丝内侧平均给水压力与渗透液压力之间的差值,它能够反映膜表面的污染程度。一个新组

件在20℃时开始运行时,其温度修正透膜压差为3-6PSI,但是当系统经过初期调试后,透膜压差反而可降至1-3PSI,这种现象是正常的与组件的完整性无关。随着污染物在膜表面的积累,透膜压差随之增大。这时就需要对超滤膜进行反洗,反洗能使透膜压差降低,但

是反洗不能达到100%的恢复效果。

       当一套超滤装置的进出口之间的压差达到设定的限值即启动反冲洗程序,同时控制系统又设置了按固定运行周期进行反洗的程序,无论哪个先到相应设定的限值都启动反冲洗的程序。反洗水来自超滤水箱,经超滤反洗水泵(二用一备,变频控制)加压后通过过滤

侧进入膜件。从膜的外侧进入内侧和过滤模式正好相反这样顶起膜表面的污垢层,反洗水冲刷整个膜丝然后从进水口排出。超滤反洗水泵是变频运行的,以适应超滤装置所需要的反洗强度要求,同时也使得反冲洗过程的启动和停止过程平稳,避免水锤对超滤装置的可

能伤害。超滤反冲洗系统的供水母管上设有压力传感器和流量计,用于监控反洗水流量和压力。同时,超滤反洗供水母管上设有过滤精度为5μm的保安过滤器,以防止超滤水箱中的可能膜脱落的颗粒或脱落的防腐层再进入超滤膜外侧。为了达到较好的反洗效率反洗水

量一般为过滤水量的2~3倍,这比过滤模式有更高的反洗机械冲刷力。反洗时间取决于给水水质,一般在30~60秒。反冲洗废水排入车间内的排水槽。

反洗方向取决于前面的过滤模式。例如顶部过滤模式污物主要聚积在膜丝下端。将这些污物冲出最有效的方式是冲洗方向与前面的过滤方向相同(出口不同),

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如下图所示。

       若进水水质悬浮固体物含量较高,一般在反洗之前进行可考虑进行一次正向冲洗(短时间错流)以避免膜丝堵塞。正向冲洗时,浓缩液端阀门打开,过滤阀门关闭。正向冲洗时间约20~30秒,让水全部流过膜丝可以很好的冲刷聚积在

膜丝末端表面的颗粒物和悬浮物冲出。

化学增强反洗单元

        超滤装置在运行中,固体颗粒物在膜表面积累,通过正常的反洗不能彻底恢复超滤膜组件的性能,需要对超滤膜进行化学增强反洗(CEB),这样不仅可以获得更好的反洗效果,而且可以适当延长超滤膜组件化学清洗的周期。超滤化学增强反洗考虑设置3套加药单

元,加NaClO单元、加盐酸单元、加碱单元。加酸点设在超滤反洗水泵出口的管道上,其中加酸量根据超滤反洗水泵出口管PH值调节加药量,PH值控制在1-13左右;一个加碱点设在超滤反洗水泵出口管上,加碱量根据超滤反洗水泵出口管PH值调节加药量,PH值控

制在1-13左右;一个加NaClO点设在超滤反洗水泵出口管上,根据流量控制,加药依次自动交替进行。

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超滤化学清洗单元

       超滤装置在运行一段时间后,由于水中无机、有机及微生物的污染,虽然每隔一定的周期即进行反洗,但是透膜压差不能做到100%恢复,当膜面溶质浓度达到某一极限时即生成凝胶层,使膜的透水量急剧下降,这时就需要进行膜的清洗了。

      超滤膜清洗可分为物理清洗和化学清洗两种方法。物理清洗即是利用机械的力量来剥离膜表面的污染物,可以利用低压大水量正冲洗,也可以利用反洗泵进行反冲洗。在使用正压冲洗和反冲洗对超滤设备的出水量的恢复仍无明显效果时,应考虑对超滤设备进行化学

洗,化学清洗所使用的化学药剂品种及使用量应视膜表面附着物的种类、污染程度、膜材料和其它材料性质及耐药性而有所不同。

      首先应大致判断污染物的种类。不同地域,水质不同,其污染物的种类也不同。一般对有机物、微生物、胶体、蛋白质等的污染可用氢氧化钠、表面活性剂和酶制剂进行清洗。对无机物软沉淀可用稀酸等进行清洗,对于硬垢可用酸、络合剂进行清洗。