超滤膜发展现状概述及国内外工程应用分析

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2023-04-27        环球过滤分离技术网        guolvfenlitech3




1 超滤系统概述

超滤技术为核心的组合工艺作为水处理中的新技术，引起了人们的关注。超滤是介于微滤和纳滤之间的膜过滤，膜孔径在0.05 μm~1 nm，实际应用中一般不以孔径表征超滤膜，而以截留分子量表征。超滤系统是以中空纤维超滤膜为中心处理单元,处理液以一定的流速通过膜表面，水分子在一定的压力驱动下透过膜，而悬浮物、胶体、大分子有机物及微生物等则被阻截，从而达到净化分离的目的。图1为中空纤维膜过滤示意图。

图1 中空纤维膜过滤示意图

超滤技术对于胶体、病原微生物、悬浮物等有较好的去除效果，近几年，随着膜技术的发展进步，膜成本的降低，使得超滤技术在水处理行业得到了广泛的应用。

超滤膜有多种不同的分类方式：根据膜材料，超滤膜可以分为PVDF膜、PVC膜、PES膜等；根据处理液流动方向，超滤膜可以分为内压膜、外压膜；根据处理液进水的压力，超滤膜可分为压力式和浸没式；根据膜组件的形状分为管式膜、板式膜等等。

1.1 超滤膜材料比较

目前，超滤膜使用的材料主要分为有机高分子材料和无机材料两大类。其中无机材料类尚未得到大规模商业化使用，目前供水行业用的更多的是有机高分子材料制造的超滤膜。有机高分子材料分类如表1所示。

表1 超滤膜材料分类

类别	举例	特性
纤维素酯类	二醋酸纤维素(CA)，三醋酸纤维素(CTA) ，混合纤维素(CA-CN)等	亲水性好，成孔性好，材料来源广泛、稳定，成本较低；耐酸碱性能差，也不适用于酮类、酯类和有机溶剂。
聚砜类	聚砜(PS)、磺化聚砜(SPS)、聚醚砜(PES)等	易成型，膜机械强度好，耐热、耐化学性能也较好。
聚烯烃类	聚丙烯(PP)和聚丙烯腈(PAN)	机械和化学性能较好
氟材料	聚偏氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)	极优良的机械强度和耐高温、耐化学侵蚀性性能，可在强酸、强碱和多种有机溶剂条件下使用，但成本很高。

目前国际知名超滤膜品牌供货商有陶氏（DOW）、通用（GE、泽能ZENOE）、科氏（KOCH）、旭化成（ASAH）、美能（MEMSTAR）等，部分公司超滤膜产品材质统计如表2所示。

表2 各品牌超滤膜产品材料表

序号	公司名称	产地	膜品牌	膜材料
1	Evoqua (原Siemens Water Technologies)	美国	MEMCOR	PVDF 或 PP
2	Koch Membrane	美国	TARGA II (UF)	PES
3	DOW	美国	IntegraFlo,、IntegraPac、 Ultrafiltration SFD series (UF)	PVDF
4	Asahi-Kasei	日本	Microza MF/UF	UF：PAN、PS MF：PVDF、PS、PS
5	Toray	日本	TORAYFIL (HFU和HFS系列)	PVDF
6	Pentair	荷兰	X-flow (MF: R100；UF: Xiga, Aquaflex、Seaflex)	改性PES 和PVP的混合物
7	Microdyn-Nadir	德国	Nadir-Ultrafiltration modules (MF and UF)	MF：PES或 PVDF UF：PES、PS、再生纤维素、PVDF
8	Inge (BASF)	德国	Multibore membrane	PESM
9	Hyflux	新加坡	Kristal	PES、PVDF
10	Memstar	新加坡	Memstar UF	PVDF（NIPS 或 TIPS）

由表2可知PVDF已经成为世界主流的超滤膜用材料，其次是PES膜。PVC膜除国内个别厂家生产外，其他国家很少采用。饮水用超滤膜采用聚氯乙烯（PVC）时关键是控制PVC材料不能使用抗氧化剂。PVC在热成型时会降解，所以必须添加抗氧化剂，常规抗氧化剂以铅盐居多，效果好低成本，近年来有机抗氧化剂出现，但效果稍差，成本高。与聚偏氟乙烯相比，由于聚氯乙烯耐酸碱性能较差，使用寿命低10%~20%。

PVDF超滤膜具有以下特点：

（1）耐污染：以聚偏氟乙烯（PVDF）为材料制成的过滤膜的耐污染性能明显高于其它材料的过滤膜的耐污染性能，因此过滤通量较大，同时产水性能衰减较小，从而延长了运行时间，减少了清洗次数，减少了清洗费用，延长了膜的使用寿命。

（2）易清洗：由于以聚偏氟乙烯（PVDF）为材料制成的过滤膜有良好的耐污染性能，使之清洗变得容易，在通常情况下，可用透过水对其进行反冲洗即可。

（3）化学稳定性好：由于聚偏氟乙烯（PVDF）有着良好的化学稳定性，有耐受较强酸、碱的能力，因此在必要时可对过滤膜进行大强度的化学清洗。

1.2 国内外工程实例

在净水处理领域中，目前较常用的是压力式外压超滤膜和浸没式外压超滤膜。浸没式膜系统是将膜组件或膜箱直接浸入到需要处理的水中，采用泵或虹吸的方式实现负压将水抽出；压力式膜系统是将处理水经过泵加压后，通过管路引到膜组件内，在压力驱动下透过膜。

在市政供水处理中，采用超滤膜处理技术应用快速增长趋势，统计国内外大型膜处理工程如表3和表4所示。

表3国外大型膜处理工程实例

序号	项目名称	新加坡Chestnut	美国Columbia Heights水厂	美国Twin Oak Valley水厂	新加坡Changi NEWater	阿塞拜疆巴库水厂	新加坡Lower Seletar水厂
1	产水量/(t·d-1)	27万	26.5万	38万	30万	52万	30万
2	投用时间	2003年12月	2005年	2008年2月	2010年	2014年	2014年（正调试中）
3	膜品牌	GE	Norit	GE	simens	DOW	Norit XIGA
4	过滤形式	浸没式	压力式	浸没式	压力式	压力式	压力式
5	膜材质	PVDF	PES	PVDF	PVDF	PVDF	PES
6	回收率	<95%	>95%		>93%		设计96%

表4 国内大型膜处理工程实例

序号	工程名称	设计规模/(万t·d-1)	建成时间	膜品牌	超滤膜系统形式	膜材质
1	东营南郊水厂	10	2009年	立昇	浸没式	PVC
2	北京第九水厂应急工程	7	2010年	立昇	浸没式	PVC
3	无锡中桥水厂	15	2010年	西门子	压力式	PVDF
4	绵阳新永供水厂	3	2010年	美能	压力式	PVDF
5	山东济阳自来水厂	1.4	2010年	美能	压力式	PVDF
6	金坛钱资荡水厂	5	2011年	膜天	压力式	PVDF
7	上海青浦水厂	10	2012年	立昇	浸没式	PVC
8	江村水厂	5	2012年	美能	压力式	PVDF
9	天津南港水厂	5	2013年	膜天	压力式	PVDF
10	烟台莱山水厂	10	2013年	美能	压力式	PVDF
11	杭州清泰水厂	30	2013年	旭化成	压力式	PVDF
12	深圳沙头角水厂	4	2013年	陶氏	压力式	PVDF
13	新疆红雁池水厂	10	2013年	立昇	浸没式	PVC

通过对国际国内膜工程用于自来水领域的比较有如下结论：

（1）早期、改造项目采用浸没式，近期、新建项目还是压力式更多被采用；国外最新发展趋势表明，压力式超滤已经逐渐取代浸没式，成为自来水处理的主流形式。

（2）目前用于自来水行业的膜材料除了国内立升采用PVC材质外，各知名膜厂商如GE、陶氏、MEMCOR旭化成、美能等都以耐污染、亲水性好、更安全的聚偏氟乙烯（PVDF）为主。

2 压力式超滤膜与浸没式超滤膜的比较

2.1两种膜系统的使用比较

从整个系统来看，压力式超滤膜系统为封闭式系统，安全性高、卫生性好，外观美观；而浸没式超滤膜系统为敞开式系统，卫生安全较差。压力式超滤膜系统如图2所示，浸没式超滤膜系统如图3所示。

图2 压力式超滤膜系统

图3 浸没式超滤膜系统

由图2和图3可知如遇膜丝断裂或者检修，浸没式超滤系统需要将膜组件膜箱整体吊出，在查找断裂膜丝，耗时长，影响大，而且人工需要较多；而压力式超滤系统仅需更换某个膜柱，体积小，影响膜丝数量少，对运行影响小。

2.2 两种膜系统的经济比较

以国内某城市新建10万t/d水厂为例，水厂设计采用工艺系统如图4所示。

考虑外压式中的压力式和浸没式超滤系统，根据浸没式超滤系统和压力式超滤系统两种系统的设计方案，经济比较结果如表5所示。

表5 超滤系统方案比较表

项目	比较项目	方案一：压力式超滤系统	方案二：浸没式超滤方案
投资估算	土建工程费用	-	比压力式多膜池，多150万元
	设备投资	约1 800万元	约2 200万元
成本计算	膜更换费用	0.050元/m3（按7年折旧）	0.012 3元/m3（按6年折旧）
	耗电	约0.0350 kWh/m3	约0.027 1 kWh/m3
	药剂消耗	10%次氯酸钠40.6 m3/年、 30%盐酸2.37 m3/年、 40%氢氧化钠0.35 m3/年	10%次氯酸钠105.6 m3/年、 30%盐酸53.3 m3/年、 40%氢氧化钠8 m3/年
	直接运行成本（电费+膜更换费+药剂费）	0.089元/m3	0.210元/m3

由表5可知浸没式超滤由于膜系统面积大、药剂消耗量大、设备数量多等，直接运行成本高于压力式超滤膜系统。

3 结语

（1）在水厂膜处理系统中，从亲水性、稳定性、使用寿命来看，建议采用聚偏氟乙烯（PVDF）材质的超滤膜；PVDF膜具有耐污染、易清洗、化学稳定性好等特点。

（2）浸没式超滤系统膜组件大，重量重，起吊困难，维护人工成本高；而压力式超滤膜系统膜组件小，重量轻。在运行维护方面，压力式超滤膜系统具体操作简便，劳动强度低等优点。浸没式超滤膜系统每次化学清洗历时较长，耗药量高（膜池容积大）；压力式超滤膜系统化学清洗历时较短，耗药量小。

（3）压力式超滤膜系统工程投资较浸没式省；工程直接运行成本较低。

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