欄目導(dǎo)讀
中國科技核心期刊《凈水技術(shù)》關(guān)注我國供排水和工業(yè)水處理生產(chǎn)一線的實際問題，打造一線生產(chǎn)技術(shù)人員實戰(zhàn)經(jīng)驗的分享平臺。本欄目內(nèi)容主要選自發(fā)表于《凈水技術(shù)》“供排水企業(yè)運行及管理成果專欄”的原創(chuàng)論文或由《凈水技術(shù)》情報資訊板塊精選翻譯的國外經(jīng)典文獻(xiàn)，供同行交流參考。
本期摘要
美國越來越多開始上馬將回用水用于飲用水生產(chǎn)的項目數(shù)量，這也就增加了生產(chǎn)運行人員對了解深度水處理過程（包括膜處理技術(shù)）的求知需求。在我國，深度處理和膜技術(shù)的覆蓋率越來越高，通過本文，也可以對膜技術(shù)的基礎(chǔ)知識溫故而知新。
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為了幫助滿足生產(chǎn)運行人員對了解深度水處理工藝相關(guān)的知識方面的需求，圣地亞哥純凈水公司制定了一個面向生產(chǎn)運行人員的培訓(xùn)計劃，這是一個分階段的為期多年項目，為了支撐實現(xiàn)該公司到2035年在圣地亞哥當(dāng)?shù)靥峁┤种坏娘嬘盟?yīng)的目標(biāo)。圣地亞哥純凈水公司將使用成熟的凈水技術(shù)來凈化回用的水，以生產(chǎn)安全、高質(zhì)量的飲用水。
圣地亞哥純凈水公司在訓(xùn)的許多員工即將承擔(dān)起啟動和運營城北純凈水廠（NCPWF）的職責(zé)，該水廠主要處理和凈化污水，再利用地表水進(jìn)行增量補充后，作為城市的飲用水進(jìn)行供應(yīng)。一旦投入運營后，該新水廠的運營目標(biāo)是34百萬噸每天的生產(chǎn)能力。為了給生產(chǎn)運行人員提供關(guān)于城北純凈水廠（NCPWF）將使用的深度處理工藝方面的第一手經(jīng)驗，生產(chǎn)運行人員目前正在建于圣地亞哥的一個100萬立方米規(guī)模的純水示范基地（PWDF）中接受培訓(xùn)，該基地使用與新水廠設(shè)施完全相同的處理工藝，包括臭氧、生物活性炭、微濾/超濾（MF/UF）和反滲透（RO）膜，以及使用紫外線和次氯酸的高級氧化工藝。圣地亞哥的生產(chǎn)運行人員培訓(xùn)方法包括實踐培訓(xùn)、課堂講授和測試。為了幫助生產(chǎn)運行人員運行當(dāng)今最先進(jìn)的水處理工藝，圣地亞哥純凈水公司的培訓(xùn)計劃強調(diào)與膜過濾操作、維保和合規(guī)性有關(guān)的概念。
圖1 膜的類型
水務(wù)企業(yè)使用膜技術(shù)來解決各種處理工藝上的難題
*圣地亞哥市已經(jīng)認(rèn)識到，在生產(chǎn)運行人員勞動力有限的情況下，為一個完整生產(chǎn)規(guī)模的飲用水回用設(shè)施配備充足合格的人力是一項挑戰(zhàn)。為了幫助應(yīng)對這個挑戰(zhàn)，該市啟動了一項培訓(xùn)計劃，為員工提供實踐經(jīng)驗和教育資源，以幫助受訓(xùn)者成功地將水處理理論應(yīng)用于實踐。所有的實際操作經(jīng)驗都是在該市一個100萬立方米規(guī)模的純水示范基地中培養(yǎng)出來的，而理論教學(xué)則是通過密集的課堂講座提供。
微濾/超濾處理工藝
工藝的基本理論
微濾和超濾膜通常由半透性的合成材料制成。大多數(shù)微濾/超濾膜是由聚合物材料制成的，這些材料被擠壓成直徑小于1毫米的中空纖維。盡管在過去十年中嘗試采用了許多不同化學(xué)成分的基礎(chǔ)聚合物，但如今大多數(shù)新制的膜還是由聚偏氟乙烯或聚醚砜組成。這兩種材料都能提供堅固、可滲透和耐化學(xué)腐蝕的特性。一般來說，一個膜組件由成千上萬的中空纖維膜捆綁在一起組成。根據(jù)每個膜組單元的目標(biāo)產(chǎn)水量，一個個膜組件在膜架內(nèi)被組合在一起，組成一個膜組單元。
膜過濾系統(tǒng)一般被配置為浸沒式或壓力式。在浸沒式系統(tǒng)中，膜組件被疊放在一起，懸浮在給水池體中。濾液泵產(chǎn)生一個吸力（即負(fù)壓），將來水通過膜孔“拉”到濾后水的收集管道。在壓力式系統(tǒng)中，膜組件被固定安置在壓力容器內(nèi)。位于膜系統(tǒng)上游的濾液泵產(chǎn)生壓力，將水通過膜孔“拉”到濾后水的收集管道。
水中各種元素能否通過膜，主要受膜孔徑大小的制約。市售的微濾膜通常的孔徑約為0.1微米，而超濾膜通常的孔徑在0.01至0.04微米之間。這樣尺寸的孔徑比代表性的介水傳播病原體（如隱孢子蟲和賈第蟲）小一到兩個數(shù)量級，從而實現(xiàn)了對這些病原體近乎絕對的去除效果。一般來說，孔徑較小的膜也會需要更高的壓力來操作。
微濾和超濾系統(tǒng)采用死端過濾方式，這意味著所有的來水都將通過膜得到過濾。其他的膜技術(shù)可能會使用交叉流過濾，只有其中一部分流量的來水被過濾并作為濾后水被收集。對于死端過濾，來水可以從膜的外側(cè)過濾到內(nèi)測（外進(jìn)），也可以轉(zhuǎn)為從膜的內(nèi)側(cè)過濾到外側(cè)（內(nèi)出）。來水通過膜表面時，膜對水中的固體和顆粒起到了屏障作用，因為它們是不能通過膜孔的。
應(yīng)用
膜過濾工藝可以在不同的應(yīng)用場景中代替?zhèn)鹘y(tǒng)的介質(zhì)過濾工藝，包括直接過濾地表水、過濾澄清后的地表水、過濾地下水、作為反滲透膜工藝的預(yù)處理以及過濾污水。超濾膜和微濾膜工藝都能提供超過4log的原生動物去除率，這一點可以通過每天進(jìn)行的膜完整性測試得到確認(rèn)，完整性測試可以檢測到膜組中的纖維破損。膜的完整性也可以通過監(jiān)測濾后水的渾濁度來間接確認(rèn)。濾后水渾濁度的增加是反應(yīng)膜纖維發(fā)生斷裂的一個指標(biāo)。盡管微濾膜和超濾膜也能去除一部分病毒，但監(jiān)管機構(gòu)沒有對該處理效果給予官方的認(rèn)可。
膜污染和結(jié)垢
膜工藝的運行通常是在產(chǎn)水的最大化和膜污染的最小化之間尋找一個平衡：無機物、有機物或生物體會在膜表面進(jìn)行堆積，有效地“堵塞”了膜。膜系統(tǒng)中的自動反沖洗程序通常是由計時器觸發(fā)的，能夠至少部分地清除膜上的堆積物。然而，反沖洗并不足以永久地推遲污垢的產(chǎn)生。氯胺也經(jīng)常被用來控制微濾膜和超濾膜的生物性污染。
當(dāng)污垢在膜的表面的堆積變得越來越廣時，生產(chǎn)運行人員就會觀察到操作參數(shù)的變化。跨膜壓差（TMP）是一個典型的操作參數(shù)，用于跟蹤膜污染的情況。當(dāng)膜污染發(fā)生時，跨膜壓差（TMP）就會增加。這表明過濾工藝中同樣多的水需要更大的壓力。另一個用于跟蹤膜污染并與跨膜壓差（TMP）有關(guān)的參數(shù)是滲透性（也稱為比通量），滲透性是指在設(shè)定的工作壓力下的產(chǎn)水量。
必須要細(xì)致地跟蹤這些參數(shù)，因為如果放任過量的污物堆積可能會導(dǎo)致不可逆的膜污染，從而永久性地影響膜系統(tǒng)的滲透性。一旦膜污染導(dǎo)致跨膜壓差（TMP）顯著增加，就應(yīng)該進(jìn)行化學(xué)清洗，如執(zhí)行化學(xué)強化反沖洗（CEB）程序或原位清洗（CIP）程序，以幫助恢復(fù)膜系統(tǒng)的壓力和滲透性。與可以經(jīng)常進(jìn)行，并使用較低的化學(xué)藥劑濃度的化學(xué)強化反沖洗（CEB）程序相比，使用更長的循環(huán)和浸泡時間以及更高的化學(xué)藥劑濃度的原位清洗（CIP）程序的應(yīng)用則更為廣泛。根據(jù)實際應(yīng)用工況和來水的水質(zhì)情況，原位清洗（CIP）程序可能每月或每年進(jìn)行一次。對于無機物、有機物以及生物性的污染，應(yīng)采用不同的清洗方案。通常，檸檬酸用于處理無機污物，而漂白劑/氫氧化鈉溶液用于處理有機物和生物性的污物。
*微濾和超濾膜組件（左）通常以中空纖維的形式配置，而反滲透和納濾膜（右）一般使用卷式的配置。
*常見的微濾和超濾過濾系統(tǒng)組件包括（從左至右）一個集成裝置、一套原位清洗系統(tǒng)和一套壓縮空氣系統(tǒng)。
反滲透膜處理工藝
工藝的基本理論
反滲透膜工藝能夠從水中有效去除離子、溶解鹽以及可溶性分子。納濾（NF）也是一種反滲透技術(shù)，但相對的鹽度去除效率略低，特別是對單價離子的去除。由于這種排斥作用較小，納濾膜系統(tǒng)通常比反滲透膜系統(tǒng)所需要的運行壓力更低。
當(dāng)原水是苦咸地下水或海水時，膜在飲用水生產(chǎn)中發(fā)揮的主要作用是脫鹽。在一般的滲透作用下，水穿過半透過性膜，會從低溶質(zhì)濃度的區(qū)域移動到高溶質(zhì)濃度的區(qū)域。但在反滲透狀態(tài)下，所施加的壓力會讓膜一側(cè)的水克服滲透壓，也就能夠?qū)崿F(xiàn)只允許水通過膜，而溶質(zhì)被保留在膜的加壓側(cè)。
盡管典型的膜過濾系統(tǒng)需要在高達(dá)40 磅/平方英寸的壓力下運行，以脫鹽為主要目的的膜過濾系統(tǒng)的運行則需要的壓力更高。對于反滲透，進(jìn)水壓力的確定是基于克服整個過濾系統(tǒng)固有的壓力損失和被處理的水所需要的滲透壓。含鹽量更高的來水具有更高的滲透壓，相當(dāng)于增加了驅(qū)動水通過膜所需的進(jìn)水壓力。對于咸水（1000到10000毫克/升的總?cè)芙夤腆w），取決于膜的類型和年齡，反滲透系統(tǒng)通常在100到300磅/平方英寸下運行。對于海水（30000到40000毫克/升的總?cè)芙夤腆w），操作壓力可高達(dá)800到1200磅/平方英寸。
反滲透膜是薄膜復(fù)合膜，包括在制造過程中相互疊加的一個活性層和其他層。水和溶質(zhì)的分離主要發(fā)生在活性層，而其他層用于支撐薄的活性層。反滲透膜技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步能幫助減少能源足跡和相關(guān)的運行成本，改善對溶解成分的分離效果，并延長膜的操作壽命。
反滲透在交叉流配置中運行。來水與膜平行流動并通過膜。一部分水流留在加壓的進(jìn)水側(cè)，并在膜組的末端釋放。回收率是指將來水過濾成清潔的水的部分。通過膜的水被稱為濾后水，留在進(jìn)水側(cè)的水被稱為濃縮液。濾后水相對不含溶質(zhì)，因為膜對溶質(zhì)起到了屏障截留作用。由于溶質(zhì)被截留在加壓側(cè)，當(dāng)越來越多的來水通過膜時，濃縮液會變得越來越濃縮。
大多數(shù)反滲透膜工藝系統(tǒng)都遵循共同的設(shè)計和部件構(gòu)成方法。每個系統(tǒng)都必須有一個進(jìn)水泵，能夠根據(jù)待處理的水質(zhì)產(chǎn)生所需的流速和壓力。流速通常是通過一個流量計來設(shè)置和維持的，該流量計控制著進(jìn)水泵的變頻驅(qū)動器。在這種情況下，通過膜回收的水作為濾后水的產(chǎn)量是由濃縮物控制閥（CCV）控制的。CCV關(guān)閉的越多，通過膜的水就越多，并作為濾后水被回收?；厥章适侵笧V后水回收的流量和進(jìn)水流量的百分比。
水和污水處理中生產(chǎn)規(guī)模的膜處理系統(tǒng)通常需要由數(shù)百個膜原件組成。大多數(shù)生產(chǎn)規(guī)模的市政系統(tǒng)使用8英寸直徑的膜元件。膜元件被安裝在壓力裝置中，通常每個裝置可以容納六到八個串聯(lián)的膜元件。膜裝置一般是強化玻璃纖維的塑料或不銹鋼材質(zhì)，取決于應(yīng)用場景和壓力需求。多個裝置通過管道并聯(lián)在一起，形成一個工藝階段。一個工藝階段的濃縮液可以通過后續(xù)的工藝階段進(jìn)一步處理，以提高整個系統(tǒng)的回收率，并減少必須排入排水系統(tǒng)進(jìn)行處理或進(jìn)一步處理的剩余濃縮液。在典型的市政應(yīng)用中，兩到三級工藝階段的反滲透膜工藝系統(tǒng)很常見，可以達(dá)到75%到85%的回收率。
來水在進(jìn)入反滲透系統(tǒng)之前必須首先進(jìn)行預(yù)過濾，以避免對反滲透膜造成損壞。可以使用微濾和超濾膜為濾芯的過濾器。反滲透系統(tǒng)的濾后水通常是低堿度（酸性）和低硬度，會對下游設(shè)備造成腐蝕。濾后水的后處理通常包括去除溶解性氣體，調(diào)整堿度和pH值。使用反滲透膜工藝時，會產(chǎn)生濃縮液（濃鹽水），必須考慮對濃縮液的適當(dāng)處置和處理。
應(yīng)用
反滲透膜被大量應(yīng)用于地下水處理和飲用水回用，因為它能夠去除許多水中的污染物并減少水中的鹽分。反滲透膜也被應(yīng)用于市政污水處理廠的二級或三級出水，使處理后的水可以被回收，用于增加飲用水供應(yīng)的需求量，以及其他多種最終用途，否則將可能直接被排放到環(huán)境中。目前加利福尼亞州就要求在地下水補給和地表水水量中加入反滲透膜工藝。在飲用水回用方面，反滲透液的總有機碳（TOC）含量必須小于0.5ppm。反滲透系統(tǒng)也可以在去除病原體方面得到認(rèn)可?？傆袡C碳和電導(dǎo)率的去除是評估通過反滲透系統(tǒng)去除病原體對數(shù)的常用替代物。
膜污染和結(jié)垢
為了控制膜污染和結(jié)垢問題，會投加化學(xué)藥劑到反滲透進(jìn)水中。投加到水中的化學(xué)藥劑通常包括用于防止結(jié)垢的阻垢劑、用于調(diào)整pH值以提高如碳酸鈣和磷酸鈣等物質(zhì)的溶解度的硫酸，以及用于控制生物性結(jié)垢的氯胺。
與微濾和超濾膜工藝系統(tǒng)一樣，隨著膜污染的范圍增大，可以觀察到一些操作參數(shù)的變化。凈驅(qū)動壓力（NDP）是一個典型的操作參數(shù)，用于跟蹤反滲透膜的污染情況。當(dāng)膜污染發(fā)生時，凈驅(qū)動壓力（NDP）會增加。這表明需要提供更大的壓力才能完成對來水的過濾。另一個用于跟蹤膜污染并與凈驅(qū)動壓力（NDP）有關(guān)的參數(shù)是滲透率（比通量）。
一旦檢測到膜污染，可以進(jìn)行原位清洗（CIP），以恢復(fù)膜的滲透性和系統(tǒng)的性能。通常情況下，可以通過采用低pH值溶液的清洗來對付無機污垢，采用高pH值溶液的清洗來對付有機污垢和生物性污垢。
*常見的反滲透膜過濾系統(tǒng)包括（從左起）一個裝置、一個進(jìn)水泵和一個滲透沖洗泵。
成功的關(guān)鍵
細(xì)致地跟蹤微濾、超濾和反滲透膜過濾系統(tǒng)的操作和維護(hù)，對于成功運營這些處理工藝至關(guān)重要。了解膜工藝運營過程中的細(xì)微差別對于防止膜污染，并達(dá)到設(shè)定的處理目標(biāo)至關(guān)重要。 了解上述運營方面的理論，并能在日常運營中應(yīng)用這些知識，是培訓(xùn)新的膜工藝生產(chǎn)運行人員的關(guān)鍵目標(biāo) 。
來源：原文出自AWWA的J Opflow，原文標(biāo)題《Membrane Treatment: Operators Need to Understand Critical Concepts》。
作者：Elise C. Chen, Rodrigo A. Tackaert, Aleksey N. Pisarenko, and Juan Guerreiro
翻譯：由上?！秲羲夹g(shù)》雜志社執(zhí)行主編阮辰旼翻譯，匯編于，歡迎訂閱。
排版：《凈水技術(shù)》編輯 李濱妤
審核：《凈水技術(shù)》社長/執(zhí)行主編 阮辰旼
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