膜分离过程具有无相变，能耗低，工艺简单，不污染环境，易于实现自动化等优点，可以在常温下进行。在污水处理领域，常被用做污水回用前的一种水质深度处理工艺，其中电渗析和反渗透有时也被用做高含盐废水或含金属离子废水进人生物法处理系统前的预处理。
膜分离法的关键是分离膜的性能能够适应水质、水量及其他操作环境的要求，反映膜的性能的主要指标是膜的允许使用高温度和压力、适用的pH范围及膜的耐氯、耐氧化和耐有机溶剂性等。制造膜的材料主要有有机聚合物、陶瓷及其他材料，诸如醋酸纤维素、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺等有机聚合物都是制作膜的材料。膜组件的型式有中空纤维型、管型、平板型和卷型，分别又称为中空纤维膜、管式膜、平板膜和卷式膜。
项目
|
电渗析（ED)
|
微滤（MF)
|
超滤（UF)
|
纳滤（NF)
|
反渗透（RO)
|
孔径//nm
|
|
0.02-1.0
|
0.005-0.02
|
0.002～0.005
|
<0.002
|
膜类型
|
离子交换膜
|
均质
|
非对称
|
非对称
或复合
|
非对称
或复合
|
膜件型式
|
平板型
|
中空纤维型、管型、平板型和卷型
|
分离目的
|
水脱盐、离子浓缩
|
去除SS、高分子物质
|
脱除大分子
|
脱除部分离子
|
水脱盐、溶质浓缩
|
截留组分
|
水和非电解质分子
|
SS
|
大分子溶质
|
钙、镁等
|
除水、CO2以外的所有成分
|
透过组分
|
小离子
|
溶液
|
小分子溶液
|
水、CO2XT等
|
水、CO2等
|
分离机理
|
反离子经离子交换膜定向迁移
|
机械筛分
|
筛分和表面作用
|
筛分和表面作用
|
筛分和表面作用
|
推动力
|
电场力
|
O.1MPa
|
0.1～1MPa
|
1～3MPa
|
1-10MPa
|
一、微滤和超滤
微滤是利用孔径为0.1~ 1.5um的滤膜对水进行过滤的一种精密过滤技术。微滤进水压力一般小于0.2MPa，过滤精度介于常规过滤和超滤之间，可分离水中直径为0.03-15^?的组分,能去除水中的颗粒物、浊度、细菌、病毒、藻类等。超滤是利用截留孔径为0.002~0.1_的滤膜对水进行过滤的一种精密过滤技术。超滤膜允许小分子物质和溶解性固体(无机盐）等通过，但有效阻挡胶体、蛋白质、微生物和大分子有机物。
1.工艺原理及过程
微滤和超滤的基本原理属于
筛网状过滤，在静压差作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜，大于膜孔的粒子则被截留到膜面上，使大小不同的组分得以分离，操作压力为0.1~0.7MPa。除此以
外，还有膜表面层的吸附截留和架桥截留，以及膜内部的网络中截留。
2.操作工艺
微滤和超滤装置工作过程分过滤(产水）、反洗和化学清洗三个方面。
(1)过滤过程
微滤和超滤的过滤过程有两种操作工艺：死端过滤及错流过滤，如图5- [#]5所示。
(a)无流动操作（b)错流操作
图5-15死端过滤和错流过滤示意图
死端过滤是将原水置于膜的上游，在压力差的推动下，水和小于膜孔的颗粒透过膜，大于膜孔的颗粒则被膜截留。形成压差的方式可以是在水侧加压，也可以是在滤出液侧抽真空。死端过滤随着过滤时间的延长，被截留颗粒将在膜表面形成污染层，使过滤阻力增加，在操作压力不变的情况下，膜的过滤透过率将下降。因此，死端过滤只能间歇进行，且必须周期性地清除膜表面的污染物层或更换膜。
错流过滤运行时，水流在膜表面产生两个分力，一个是垂直于膜面的法向力，使水分子透过膜面，另一种是平行于膜面的切向力，把膜面的截留物冲刷掉。过滤透过率下降时，只要设法降低膜面的法向力、提高膜面的切向力，就可以对膜进行有效清洗，使膜恢复原有性能。因此，错流过滤的滤膜表面不易产生结垢问题，过滤透过率衰减较慢。错流过滤的运行方式比较灵活，既可以间歇运行，又可以实现连续运行。
(2)反洗
微滤和超滤系统运行一段时间后，大量的截留物存留在膜面上，如不及时清洗，过滤效果将无法保障。目前微滤和超滤系统的自动化程度很高，多数装置的反洗过程采用系统自动控制。其一般的反洗过程如下：当某个模块符合反洗启动程序的条件时（出水水量或过滤持续时间），开始在线反洗程序。首先关闭进水阀终止该模块的进水，然后依次开启每个微滤单元的反洗进水阀和反洗放水阀，使每个微滤或超滤单元都得到反洗。当后一个微滤或超滤单元反洗完成后，各个阀门复位，下一个过滤过程开始。
微滤或超滤装置反洗时的技术参数和程序可依据进水压力和原水浊度手动设置和调整。
(3)化学清洗
微滤和超滤系统运行中会有许多生物絮体黏附在膜表面上，仅依靠水力反洗无法将其彻底去除，必须间隔一定时间（一般为3~ [#]个月）进行一次化学清洗。化学清洗是向微滤或超滤系统中加人适当杀菌剂（控制生物污染）、酸液(控制无机垢污染）、碱液(控制油类污染）等化学溶液进行较长时间的浸泡和冲刷，使附着在膜上的污染物被彻底洗掉。针对污染的性质和膜材质的不同，可能采用不同种类的化学药剂轮流清洗。经过化学清洗以后，微滤或超滤膜的透水性一般可以恢复到化学清洗前的99%以上。
3.运行管理与维护
(1)微滤和超滤膜在一般情况下不会由于受到压力或者流量的变化而损坏。但是，严重的水锤或剧烈的压力变化有可能对装置造成机械损伤，因此应当有效防止水锤的发生，在微滤或超滤系统每次化学清洗之后再次投人到过滤运行状态时应当缓缓开启进水阀门，使得流量和压力平稳上升，缓慢到达正常水平，此过程好达到5min以上。
(2)长期停止运行前，必须对所有要停止的微滤或超滤装置进行在线尽洗和化学清洗，并让膜元件保持浸水状态。
4.工艺控制
(1)运行周斯和膜的反洗技术参数
随着过滤的不断进行，膜的通量逐步下降，当通量达到某一低数值时，必须进行清洗以恢复通量，这段时间称为一个运行周期。适当缩短运行周期，可以增加总的产水量，但会缩短膜的使用寿命，而且运行周期的长短与清洗的效果有关。反洗时间间隔，反冲洗历时应依据进水压力和原水浊度及时设置和调整。一般反洗时间间隔为20~ 30min,反洗历时30~ 60s。
絮凝剂和消毒剂的投加剂量应根据原水水质的不同，通过实验和生产经验进行调整。一般情况下，消毒剂的投加量应能保证微滤出水余氯在0.2mg/L以上。
(3)过滤温度
高温可以降低水的粘度，提高传质效率，增加水的透过通量，因此，可以在膜材料允许的情况下，尽可能提高过滤水温度。
(4)过滤压力
过滤压力除了克服通过膜的阻力外，还要克服水流的沿程和局部水头损失。在达到临界压力之前，膜的通量与过滤压力成正比，为了实现大的总产水量，应控制过滤压力接近临界压力。
(5)流速
加快平行于膜面的水流速度，可以提高膜通量，但会增加能耗，一般将平行流速控制在l~3m/s。
(6)进水浓度和预处理
微滤或超滤膜的过滤精度在0.1~ 0.5(mn或0.002也就是说直径大于0.l^tm或0.002pm的污染物在理论上都可以通过微滤或超滤去除。但进水浊度不应该过高，否则大量的污染物堆积在膜面上，使反洗周期缩短，反洗历时延长，终导致产水量严重降低。因此，为了保证膜过滤的正常进行，必须限制进水浓度，一般微滤和超滤的进水浊度应控制在100NTU以下，如进水浓度过高，则需对进水进行充分的预处理，有时在进膜过滤装置之前还要根据不同的膜设置5~ [#]00,um不等的保安筛网。
(7)浓差极化
在膜法过滤工艺中，由于大分子的低扩散性和水分子的高渗透性，水中的溶质会在膜表面积聚并形成从膜面到主体溶液之间的浓度梯度，这种现象被称为膜的浓差极化。水中溶质在膜表面的积聚终将导致形成凝胶极化层，通常把与此相对应的压力称为临界压力。在达到临界压力后，膜的水通量将不再随过滤压力的增加而增长。
防止浓差极化的方法除了选择合适的膜材料外，还可以通过控制运行条件。具体措施有：
①加快平行于膜面的水流速度，即提高错流过滤的错流速度。
②提高操作温度，高温下运行有利于降低粘度，提高凝胶物质的再扩散速度，还能提高积聚物的临界凝胶浓度；工作温度自151提高到251，水通量几乎增大1倍; 操作温度视材质而定，纤维素质膜的高温度范围为50尤~ [#]01，非纤维素质膜的高工作温度范围可达50T以上。
③选择适当的pH值，比如对蛋白质溶液的分离，PH值在等电点以上时，用带负电的聚砜膜吸附量就少，而PH值在等电点以下时，膜的吸附量就会较多。
5.分析测量与记录
每班应记录微滤总进水量、进水池度、温度，每个微滤机组的出水浊度、产水量、产水PH，絮凝剂及消毒剂投加量及运行压力等，每天应分析进出水COD、SS等。
二、反渗透和纳滤
反渗透是精密的膜法液体分离技术，它能阻挡所有溶解性盐及分子量大于100的有机物，但允许水分子透过。醋酸纤维素反渗透膜脱盐率一般可大于95%，反渗透复合膜脱盐率一般大于98%。
纳滤因能截留物质的大小约为lnm而得名，纳滤介于超滤和反渗透之间，它截留有机物的分子量大约为200~ 300左右，截留溶解性盐的能力为20%~95%之间。
1.工艺过程
(1)反渗透原理
在进水(浓溶液)侧施加操作压力以克服自然渗透压，当高于自然渗透压的操作压力施加于浓溶液侧时，水分子自然渗透的流动方向就会逆转，进水(浓溶液）中的水分子部分通过膜成为稀溶液侧的净化产水（见图5-16)。
图5-16反渗透原理图
(2)纳滤工作原理
纳滤与反渗透没有明显的界限。纳滤膜对溶解性盐或溶质不能完全去除，这些溶质对纳滤膜的透过率取决于盐分或溶质及纳滤膜的种类，透过率越低，纳滤膜两侧的渗透压就越高，也就越接近反渗透过程，相反，如果透过率越高，纳滤膜两侧的渗透压就越低，渗透压对纳滤过程的影响就越小。
(3)反渗透和纳滤过程一般反渗透流程见图5-17。
①系统构成：能实现进水与产水分开的反渗透或纳滤过程的小单元称为膜元件，膜元件安装在受压的压力容器外壳内构成膜组件。由膜组件、仪表、管道、阀门、高压泵、保安过滤器、就地控制盘柜和机架组成的可独立运行的成套单元膜设备称为膜装置；由预处理、加药装置、增压栗、水箱、膜装置和电气仪表连锁控制的完整膜法水处理工艺过程称为膜系统。
②产品水和浓水：待处理的进水经过高择栗被连续升压送人膜装置内，在膜元件内进水被分离成浓度极高和极低的两股水，分别称为浓水和产品水。
③回收率：产品水量和进水量的比例称为装置回收率。
④脱盐率：指通过反渗透膜从系统进水中除去的总溶解性固体的百分率，或通过纳滤膜去除特定组分如二价离子或有机物的百分数。
⑤通量：单位膜面积所透过液体的流量，通常用每小时每平方米升数(L/㎡*h)或每天每平方英尺加仑数表示（gfd)。
(4)膜种类及膜元件构成
纳滤与反渗透膜按结构形态分为均质膜、复合膜两类。均质膜是指膜表皮层和多孔支持层由同一种材质制成，其表皮层厚度为O.l-Ojfmi,对盐分起分离作用。复合膜为不同材质制成的几层膜的复合体。表层为致密屏障表皮（起阻止并分离盐分的作用），厚约0.2jum，因表皮层过薄，故敷在强度较高的多孔层上，多孔层厚约40jLun，底层为无纺织物支撑层，厚约120/Lim,起支撑整个膜的作用。
管状膜元件是将管状膜衬在耐压微孔管上，并把许多单管以串联或并联的方式连接装配成管束，有内压式和外压式两种。平板式膜元件是由一定数量的承压板两侧覆盖微孔支撑板，其表面再敷以平面膜成为基本的反渗透单元。中空纤维膜元件是将中空纤维膜丝成束地以U形弯的形式把中空纤维开口端铸于管板上，在给水压力作用下，淡水透过纤维管进入管内，由开口端汇集流出压力容器成为产品水。卷式膜元件类似一个长信封状的膜口袋，开口的一边粘接在含有开孔的产品水中心管上。将多个膜口袋卷绕到同一个产品水中心管上，使给水水流从膜的外侧流过，在给水压力下，使淡水通过膜进入膜口袋后汇流到产品水中心管。为了便于产品水在膜袋内流动，使信封状的膜袋内夹有一层产品水导流织物支撑层；为了使给水均匀流过膜袋表面并给水流以扰动，在膜袋与膜袋之间的给水通道上夹有隔网层。
(5)进水污染指数SDI
SDI是确定反渗透系统进水水质的综合指标，其测定方法是用有效直径42.7_、平均孔径0.45@的微孔滤膜，在0.2MPa的压力下，测定初500mL的进料液的滤过时间q，在加压 [#]5min后，再次测定500mL的进料液的滤过时间《2，则SDI=(1—t\/12^)x [#]00/15o
不同的膜组件要求进水的SDI值不同，中空纤维膜组件一般要求SDI值小于3，卷式膜组件一般要求SDI值小于5。
2.工艺控制
(1)压力
增加进水压力可以增加脱盐率，但是两者间的变化并不是线性关系，达到一定程度后脱盐率将不再增加，如压力过高，某些盐分还会与水分子耦合一同透过膜。因此，反渗透进水压力应控制在合适的范围。
(2)温度
膜系统的通量对进水温度的变化非常敏感，随着水温的增加，水通量几乎线性地增大，这主要是因为水温增加使透过膜的水分子粘度下降、扩散能力增加。同时，水温升高会导致脱盐率降低，这主要是因为盐分透过膜的扩散速率会因温度的提高而加快。因此，应根据所采用的膜材质的不同将温度控制在30~ [#]0t：o
(3)进水含盐量
进水含盐量增加，渗透压也会增加，因此需要的反渗透压力越大。如果进水压力保持恒定，含盐量越高，通量就越低。
(4)回收率
进水压力恒定时，反渗透过程回收率增加，残留在原水中的含盐量会更高，自然渗透压将不断增加直至与施加的压力相同，这将抵消进水压力的推动作用，减慢或停止反渗透过程，使渗透通量降低甚至停止。另外，R0系统大回收率并不一定取决于渗透压的限制，往往取决于原水中的含盐量和它们在膜面上要发生沉淀的倾向，常见的微溶盐类是碳酸钙、硫酸钙和硅，当原水含有这些物质时，应该向原水投加阻垢剂以阻止因盐类浓缩而引发的结垢现象。
3.运行管理与维护
(1)在第一次投运反渗透及纳滤系统之前，必须认真做好预处理检查、膜元件安装、仪表的校正和系统的其他检查工作。
(2)膜系统每一次的启动和停止，都牵涉到系统压力与流量的突变，对膜元件产生机械应力。因此，应尽量减少系统设备的启动和停止次数，且正常的启动和停止应确保进水流量和压力的上升为缓慢上升。
(3)日常启动常常由自控系统来实现自动控制，因此应定期校正仪表、检查报警器和安全保护装置的灵敏性，经常进行防腐和防漏维护。
(4)定时分析进水水质和透过水的水质，尤其是要严格控制进水水质，确保进水的预处理措施运行可靠，以保证进水的SDI在3以下。当透过水水量降低过多或水质不合格时，要立即对膜进行清洗再生，如果再生后仍不见好转，就应当及时更换膜组件。
(5)当原水中所含的难溶解性盐类含量较高时，要有防止在反渗透膜浓水脷出现水垢的措施。具体方法有：①加酸（一般用盐酸)将进水PH值调整到5.5,②进水中加石灰软化或投加阻垢剂，③对进水采用阳离子树脂或纳滤进行预处理使进水软化或脱盐。
(6)生物污染往往是R0膜使用中突出的问题，可以引起过水通量的下降，甚至污染透过水水质，由于生物污染很难去除，因此生物污染的预防必须以预处理为主要手段。虽然污水深度处理中使用的R0膜大多是进口的抗污染膜，但由于进水中的微生物含量丰富，即使经过微滤、超滤等预处理，进水中不可避免地存在微生物。通常可以采用使进水中保证0.5?lmg/L余氯的方法(在进人RO膜之前再用还原剂还原），并定期使用其他非氧化型消毒剂对膜进行清洗。
(7)为了防止反渗透压力波动，要有稳压措施，高压栗应设置旁路调节阀门以调节供水量。为了防止高压泵启动时膜组件受到高压给水的突然袭击，在高压水泵出口阀门上安装控制阀门开启速度的装置，使阀门慢慢打开(一般控制在2~3min)。
(8)RO膜对C02等小分子没有去除能力，因此反渗透出水pH偏酸性，根据用途需要对其进行脱除或加碱调整PH值。由于水中没有余氯，如果出水需要长距离输送使用，必须投加消毒剂，并维持一定的余氯量。
4.反渗透和纳滤常见故障分析与解决
反渗透和纳滤常见的故障及解决措施见表5-2。
5.分析测量与记录
每班至少一次记录操作时间及系统运转时数，每个膜组件前后压降，每段进水、产水及浓水压力、流量、电导、PH值，进水SDI和浊度、水温，每周对进水、产水、浓水及水源原水做水质全分析，并记录所有维修保养和故障情况。
三、电渗析
电渗析是为提高渗析作用的推动力，在半渗透膜的两侧通人s流电压，促使污水中的阴阳离子分别趋向于直流电的正极和负极，使水中离子有选择地透过半渗透膜的过程。电渗析过程在常温常压下进行，与反渗透相比，电渗析的工作压力只有0.2MPa,因而不需使用高压泵和压力容器。
