超滤水处理系统优化设计的研究
李冬+王莹
摘要：在我国当前的经济发展过程中，水污染和水资源短缺是当前面临的重要问题。随着市场经济的不断壮大，人们对于水资源的需求在不断地增加。其中超滤膜技术作为水处理的一种方式，有着比传统水处理更为明显的优势。本文主要从水处理的实际发展状况出发，对超滤技术进行水处理优化设计做出了更深层次的研究。文章仅供参考。
关键词：超滤膜技术；水处理；优化设计
中图分类号：U664.9+2 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）03-0174-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.03.094
Abstract： Water pollution and water shortage are the most important problems in Chinas current economic development. With the growing market economy， peoples demand for water resources continues to increase. One of the ultrafiltration membrane technology as a way of water treatment， has a more obvious than the traditional water treatment advantages. In this paper， the water treatment from the actual development of the situation， the ultrafiltration technology for water treatment optimization design made a deeper level of research. The article is for reference only.
Key words： ultrafiltration membrane technology； water treatment； optimal design
1 引言
在我国经济不断发展壮大的过程中，水作为一种不可替代的宝贵资源，在人们的日常生活和生产过程中扮演着重要的角色。随着经济全球化的不断发展，水资源匮乏已经成为我国乃至世界中最主要的问题之一[1]。过度的开采和肆意的浪费现象随处可见，更加加剧了水资源的缺乏。水资源匮乏已经成为了一个重要的不容忽视的问题。当前的发展过程中，正在积极地为水资源问题的合理解决寻找出路。其中海水淡化和被污染水回用占据着主要方面。最常用的便是活性炭吸附法、去离子法、蒸馏法、硬水软化法、反渗透法、超滤法等。其中超滤法是最为常见的一种新技术膜法[2]。从而有效地提高水的质量，进而满足工业经济发展需求和世界人口增长的需要。
2 关于超滤水处理技术的相关概述
2.1 超滤系统的主要内容
超滤系统涉及多个重要因素。大体上可以分为进料泵、超滤膜组件、进料液的预处理、系统后处理等方面。
（1）关于进料泵的相关概述。在进行超滤分离水的过程中，进料泵是最为关键的动力设备。由于超滤所需要的操作压力不高，因此大多在生产过程中普遍采用离心泵。在进行离心泵的选择过程中，最主要考虑的因素便是流量、材质等。关于材质要相应地选择耐溶液腐蚀、有足够的机械强度的材质[3]。对于流量而言，要选择那些等于或大于系统设计的进料量。从而方便在操作过程中满足相关参数变动的需求。最终使得以最经济的方式满足实际的操作需求等。
（2）关于超滤膜组件的相关概述。超滤膜作为超滤系统的核心。对超滤系统是十分关键的。因此，对于超滤膜的选择也是非常重要的。在进行选择的过程中，要尽量选择那些机械性能好、小分子物质和溶剂透过速率快、截留性能好、具有良好的化学和物理稳定性能、易使膜再生、对截留物质的吸附性能小的超滤膜组件[4]。在超滤系统中，关于膜的组件数量是由相关的设计总的透水量所决定的。另外，由于超滤系统中膜组件的排列方式不尽相同。有串联的也有并联的。这是根據实际情况进行考虑的。在一般的情况下，对于管式结构的膜组件而言，大多用于高浓度进料液的浓缩分离。而对于板式结构的膜组件则是用于处理液的初级浓缩中。对于中空纤维和卷式的膜组件大多用于水处理工程中[5]。这是根据相应的具体情况进行选择的。但就目前我国的水处理过程中，对于中空纤维和卷式的膜组件应用较为广泛。
2.2 关于超滤水处理系统的流程原理
超滤水处理系统大体上包括原料液、取水泵、储水装置、进料泵、截留液、膜组件、滤液等组成。在取水泵不断地加将原料液吸入到储水装置后，通过进料泵的压力提供不断地将压力提高到超滤所需要的操作压力。最终通过超滤系统的主要核心部分将膜组件进行分离。最终获得截留液和滤液。这便是超滤水处理系统的相关流程过程。
3 超滤系统在水处理中需要注意的问题
3.1 关于超滤技术的膜污染方面
在进行超滤技术对水资源进行控制的过程中，膜污染是一种较为常见的一种污染因素。它最主要是通过未通过膜的可溶性物质和悬浮粒子在膜表面的沉积、以及通过膜的更小溶质在膜内的吸附。这便是超滤系统中的膜污染。膜污染会进一步导致频繁的清洗工作最终造成膜污染；通量衰减进而导致操作费用和基建费用的进一步增加；由于膜对溶质的不可吸附而导致的产率大大降低等等。这对于超滤系统而言是非常不利的。除此之外，在进行超滤膜的选择过程中，很有可能由于膜的选用不当，从而导致系统参数和工艺流程的设计不妥，严重地影响了生产效率，降低了经济效益。更多的，在超滤技术应用的过程中，由于膜的通透性差，进而使得进料液中的微生物、有机物、无机物、悬浮物等深入到超滤膜中，对超滤系统的水处理工作造成了一定程度上的污染。这对于水的处理工作造成了严重的影响。因此，在进行超滤系统的应用过程中，首先最重要的便是进行超滤膜的合理选择。尽可能选择那些吸附性能好、物理化学稳定性强的超滤膜。从而保证其膜组件的物理化学性能得到最大限度的发挥。
3.2 关于超滤技术的膜控制方面
在进料液进入到超滤装置之前，首先便会对进料液进行一定的处理工作。从而改变水质特性进而有效地控制膜污染。无论在超滤过程中对于预处理工艺处理做的多么完善，都不免或多或少存在一定的问题。其中由于膜组件的长期使用，便会在一定程度上造成不可恢复的损害。在进行膜的清洗过程中，大多使用物理化学方法对膜进行一定的清洗工作，从而进一步避免膜污染，起到对膜组件的合理控制。但仍旧存在一些吸附在膜表面的污染物无法全部清除，从而堵塞膜孔。这严重地影响了对膜的合理控制。因此，在进行膜的控制过程中，要相应地根据膜组件的污染程度来相应地配置相关的清洗配方。重点是要求有效、低廉、无毒副作用。特别是不能够引起二次污染。另外，由于化学清洗对于超滤系统的费用和超滤膜的使用寿命是有重大关联的。因此，对于化学物理清洗周期、最佳的清洗方法、清洗条件是非常必要的。对于有效地进行膜控制具有重大意义。
4 关于超滤水处理的系统优化设计
4.1 关于超滤系统的膜组件污染模型
由于超滤系统进行水处理的过程中有效地进行膜组件的更换时机和膜组件清理工作是至关重要的。在膜组件开始工作时，可以保持良好的状态，但工作一段时间之后，由于膜的性质在不断地衰减。便会对超滤系统的水处理工作带来一定的影响。因此，要对其进行相应的更换和定期的清洗工作。保证其最大程度地恢复。另外，为了保证其进料液的流量，相应地会增加压力。因此，在对于水质、操作压力、透水量等相关参数的变化限度要高度重视。
4.2 关于超滤系统中单元数学模型
在针对超滤系统的水处理问题上，国内外做了大量的研究调查。目前还没有一个较为统一的模型来进一步描述超滤过程。在进行了相关的分析调查之后，从不可逆热力学的现象出发，相应地建立了单元数学模型。对于超滤系统中的相关进料液和截留液、滤液之间的关系做了进一步分析。从而找出超滤系统进行水处理的内在联系。达到合理优化设计的最终目的。
5 结束语
面对我国当前水资源严重匮乏的问题，采用超滤技术对于水处理系统优化是非常重要的。通过上述对超滤水处理系统优化设计的研究过程，在进行了对超滤系统的相关组成概述、超滤水处理系统的基本流程原理分析等环节之后。发现膜组件污染控制是超滤系统进行水处理过程中需要考虑的重要因素。其中对膜组件进行合理选择和膜组件的清洗是解决此问题的关键措施。通过对超滤系统设计过程中多个因素的考察，同时相应地结合超滤系统的发展实际情况，从而针对性地对膜组件的清洗更换时间和相应的系统流程进行了研究。选用单元数学模型建立不同的系统模型、相应地给出超滤系统的单元模型，进行模拟超滤过程。對于相关的设备经济模型，将设计变量和系统费用进行关联等等。有效地提升了超滤系统的水处理优化效率，在保证其水资源质量的过程中，大大地提升了水资源的利用率。推动了经济的不断向前发展。
参考文献
[1]张晓飞，刘光全，张建华.利用超滤膜技术处理油田含盐采用水研究[J].油气田环境保护，2016，17（1）：4-7.
[2]刘利，方培辉.超滤技术用于饮用水处理领域案例分析[J].中国给水排水，2015，25（24）：72-75.
[3]华耀祖.超滤技术与应用[M].北京：化学工业出版社，2014.211-214.
[4]闫瑞轩主编.水处理剂应用手册[M].北京：化学工业出版社，2013.55-62.
[5]徐佳.超滤作为海水淡化预处理工艺的应用研究[M].青岛：中国海洋大学化学化工学院，2015，（08）.
[6]徐振良.污水处理膜分离技术的研究进展[J].净化技术，2016，18（3）：3-6.
收稿日期：2017-05-18
作者简介：李冬（1982-），男，硕士，助理研究员，研究方向为水处理及环境影响评价。
摘要：在我国当前的经济发展过程中，水污染和水资源短缺是当前面临的重要问题。随着市场经济的不断壮大，人们对于水资源的需求在不断地增加。其中超滤膜技术作为水处理的一种方式，有着比传统水处理更为明显的优势。本文主要从水处理的实际发展状况出发，对超滤技术进行水处理优化设计做出了更深层次的研究。文章仅供参考。
关键词：超滤膜技术；水处理；优化设计
中图分类号：U664.9+2 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）03-0174-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.03.094
Abstract： Water pollution and water shortage are the most important problems in Chinas current economic development. With the growing market economy， peoples demand for water resources continues to increase. One of the ultrafiltration membrane technology as a way of water treatment， has a more obvious than the traditional water treatment advantages. In this paper， the water treatment from the actual development of the situation， the ultrafiltration technology for water treatment optimization design made a deeper level of research. The article is for reference only.
Key words： ultrafiltration membrane technology； water treatment； optimal design
1 引言
在我国经济不断发展壮大的过程中，水作为一种不可替代的宝贵资源，在人们的日常生活和生产过程中扮演着重要的角色。随着经济全球化的不断发展，水资源匮乏已经成为我国乃至世界中最主要的问题之一[1]。过度的开采和肆意的浪费现象随处可见，更加加剧了水资源的缺乏。水资源匮乏已经成为了一个重要的不容忽视的问题。当前的发展过程中，正在积极地为水资源问题的合理解决寻找出路。其中海水淡化和被污染水回用占据着主要方面。最常用的便是活性炭吸附法、去离子法、蒸馏法、硬水软化法、反渗透法、超滤法等。其中超滤法是最为常见的一种新技术膜法[2]。从而有效地提高水的质量，进而满足工业经济发展需求和世界人口增长的需要。
2 关于超滤水处理技术的相关概述
2.1 超滤系统的主要内容
超滤系统涉及多个重要因素。大体上可以分为进料泵、超滤膜组件、进料液的预处理、系统后处理等方面。
（1）关于进料泵的相关概述。在进行超滤分离水的过程中，进料泵是最为关键的动力设备。由于超滤所需要的操作压力不高，因此大多在生产过程中普遍采用离心泵。在进行离心泵的选择过程中，最主要考虑的因素便是流量、材质等。关于材质要相应地选择耐溶液腐蚀、有足够的机械强度的材质[3]。对于流量而言，要选择那些等于或大于系统设计的进料量。从而方便在操作过程中满足相关参数变动的需求。最终使得以最经济的方式满足实际的操作需求等。
（2）关于超滤膜组件的相关概述。超滤膜作为超滤系统的核心。对超滤系统是十分关键的。因此，对于超滤膜的选择也是非常重要的。在进行选择的过程中，要尽量选择那些机械性能好、小分子物质和溶剂透过速率快、截留性能好、具有良好的化学和物理稳定性能、易使膜再生、对截留物质的吸附性能小的超滤膜组件[4]。在超滤系统中，关于膜的组件数量是由相关的设计总的透水量所决定的。另外，由于超滤系统中膜组件的排列方式不尽相同。有串联的也有并联的。这是根據实际情况进行考虑的。在一般的情况下，对于管式结构的膜组件而言，大多用于高浓度进料液的浓缩分离。而对于板式结构的膜组件则是用于处理液的初级浓缩中。对于中空纤维和卷式的膜组件大多用于水处理工程中[5]。这是根据相应的具体情况进行选择的。但就目前我国的水处理过程中，对于中空纤维和卷式的膜组件应用较为广泛。
2.2 关于超滤水处理系统的流程原理
超滤水处理系统大体上包括原料液、取水泵、储水装置、进料泵、截留液、膜组件、滤液等组成。在取水泵不断地加将原料液吸入到储水装置后，通过进料泵的压力提供不断地将压力提高到超滤所需要的操作压力。最终通过超滤系统的主要核心部分将膜组件进行分离。最终获得截留液和滤液。这便是超滤水处理系统的相关流程过程。
3 超滤系统在水处理中需要注意的问题
3.1 关于超滤技术的膜污染方面
在进行超滤技术对水资源进行控制的过程中，膜污染是一种较为常见的一种污染因素。它最主要是通过未通过膜的可溶性物质和悬浮粒子在膜表面的沉积、以及通过膜的更小溶质在膜内的吸附。这便是超滤系统中的膜污染。膜污染会进一步导致频繁的清洗工作最终造成膜污染；通量衰减进而导致操作费用和基建费用的进一步增加；由于膜对溶质的不可吸附而导致的产率大大降低等等。这对于超滤系统而言是非常不利的。除此之外，在进行超滤膜的选择过程中，很有可能由于膜的选用不当，从而导致系统参数和工艺流程的设计不妥，严重地影响了生产效率，降低了经济效益。更多的，在超滤技术应用的过程中，由于膜的通透性差，进而使得进料液中的微生物、有机物、无机物、悬浮物等深入到超滤膜中，对超滤系统的水处理工作造成了一定程度上的污染。这对于水的处理工作造成了严重的影响。因此，在进行超滤系统的应用过程中，首先最重要的便是进行超滤膜的合理选择。尽可能选择那些吸附性能好、物理化学稳定性强的超滤膜。从而保证其膜组件的物理化学性能得到最大限度的发挥。
3.2 关于超滤技术的膜控制方面
在进料液进入到超滤装置之前，首先便会对进料液进行一定的处理工作。从而改变水质特性进而有效地控制膜污染。无论在超滤过程中对于预处理工艺处理做的多么完善，都不免或多或少存在一定的问题。其中由于膜组件的长期使用，便会在一定程度上造成不可恢复的损害。在进行膜的清洗过程中，大多使用物理化学方法对膜进行一定的清洗工作，从而进一步避免膜污染，起到对膜组件的合理控制。但仍旧存在一些吸附在膜表面的污染物无法全部清除，从而堵塞膜孔。这严重地影响了对膜的合理控制。因此，在进行膜的控制过程中，要相应地根据膜组件的污染程度来相应地配置相关的清洗配方。重点是要求有效、低廉、无毒副作用。特别是不能够引起二次污染。另外，由于化学清洗对于超滤系统的费用和超滤膜的使用寿命是有重大关联的。因此，对于化学物理清洗周期、最佳的清洗方法、清洗条件是非常必要的。对于有效地进行膜控制具有重大意义。
4 关于超滤水处理的系统优化设计
4.1 关于超滤系统的膜组件污染模型
由于超滤系统进行水处理的过程中有效地进行膜组件的更换时机和膜组件清理工作是至关重要的。在膜组件开始工作时，可以保持良好的状态，但工作一段时间之后，由于膜的性质在不断地衰减。便会对超滤系统的水处理工作带来一定的影响。因此，要对其进行相应的更换和定期的清洗工作。保证其最大程度地恢复。另外，为了保证其进料液的流量，相应地会增加压力。因此，在对于水质、操作压力、透水量等相关参数的变化限度要高度重视。
4.2 关于超滤系统中单元数学模型
在针对超滤系统的水处理问题上，国内外做了大量的研究调查。目前还没有一个较为统一的模型来进一步描述超滤过程。在进行了相关的分析调查之后，从不可逆热力学的现象出发，相应地建立了单元数学模型。对于超滤系统中的相关进料液和截留液、滤液之间的关系做了进一步分析。从而找出超滤系统进行水处理的内在联系。达到合理优化设计的最终目的。
5 结束语
面对我国当前水资源严重匮乏的问题，采用超滤技术对于水处理系统优化是非常重要的。通过上述对超滤水处理系统优化设计的研究过程，在进行了对超滤系统的相关组成概述、超滤水处理系统的基本流程原理分析等环节之后。发现膜组件污染控制是超滤系统进行水处理过程中需要考虑的重要因素。其中对膜组件进行合理选择和膜组件的清洗是解决此问题的关键措施。通过对超滤系统设计过程中多个因素的考察，同时相应地结合超滤系统的发展实际情况，从而针对性地对膜组件的清洗更换时间和相应的系统流程进行了研究。选用单元数学模型建立不同的系统模型、相应地给出超滤系统的单元模型，进行模拟超滤过程。對于相关的设备经济模型，将设计变量和系统费用进行关联等等。有效地提升了超滤系统的水处理优化效率，在保证其水资源质量的过程中，大大地提升了水资源的利用率。推动了经济的不断向前发展。
参考文献
[1]张晓飞，刘光全，张建华.利用超滤膜技术处理油田含盐采用水研究[J].油气田环境保护，2016，17（1）：4-7.
[2]刘利，方培辉.超滤技术用于饮用水处理领域案例分析[J].中国给水排水，2015，25（24）：72-75.
[3]华耀祖.超滤技术与应用[M].北京：化学工业出版社，2014.211-214.
[4]闫瑞轩主编.水处理剂应用手册[M].北京：化学工业出版社，2013.55-62.
[5]徐佳.超滤作为海水淡化预处理工艺的应用研究[M].青岛：中国海洋大学化学化工学院，2015，（08）.
[6]徐振良.污水处理膜分离技术的研究进展[J].净化技术，2016，18（3）：3-6.
收稿日期：2017-05-18
作者简介：李冬（1982-），男，硕士，助理研究员，研究方向为水处理及环境影响评价。
