引言
环境工程水处理主要包括地表水、地下水、生产污水和生活污水等。目前，污水处理的技术路线是基于化学、物理和生物原理。超滤膜是一种典型的物理化学处理技术，其所用的膜材料对环境无任何影响，且其独特的微孔隙结构可以高效地对水中各种污染物进行高效的处理，对其在水环境中的应用研究将有利于提高水环境质量。
1.超滤膜概述
从《膜分离技术术语》（GB/T20103-2006）可知，超滤膜主要由两部分构成，其一是起结构支撑作用的多孔层，其二是起分离作用的表皮层。此类过滤膜的额定孔径范围通常在0.001～0.02µm之间，但可根据需求进行调整。超滤膜组件包括中空纤维式、管式、螺旋卷式、平板式等。规范中对超滤膜的型号编制方法作出了明确规定，主要由超滤膜、膜形式代号、截留分子量以及膜材料代号四部分组成。例如，UF-H-100000-PS表示超滤膜为中空纤维式，其截留分子量为100000道尔顿，材质为聚砜。
2.超滤膜在环境工程水处理中的应用及实施
2.1.污水处理工艺
某污水处理厂设计有初次沉淀池、曝气池、SBR反应器、二次沉淀池等。通过检测发现其二沉池的水质较差，难以达到污水处理厂的排放标准，于是增加了超滤膜处理工艺，进一步改善水质。污水处理厂在二沉池与超滤膜系统之间设计了一个缓冲水箱，利用设置在二沉池中的潜水泵将污水输送至缓冲水箱内。同时，在水箱内设置有离心泵，污水在水箱内经过简单的絮凝作用，经离心泵到达超滤膜系统，完成污水的进一步分离和过滤。
2.2.超滤膜系统及其运行参数
2.2.1.超滤膜
该污水处理厂的超滤膜是由亲水性聚醚砜（PES）制备而成，其结构形式为中空纤维式。膜的内外径分别为1.3mm和0.8mm，能够截留的最低分子量为100000道尔顿，最高不超过150000道尔顿。其纯水通量在60～150L/（m2·h），运行方式采用死端过滤或者错流过滤。耐受压力不超过0.4MPa，透膜压差不超过0.2MPa，水体温度需控制在40℃以下。
2.2.2.配套设备运行参数
（1）供料泵流量设计：为了确保超滤膜组件安全运行，将水体对膜的最大压力控制在0～0.2MPa。因此，将流速控制在1.5m/s以下。单只超滤膜组件内中空纤维丝的总数量为1.2万根，其内径为0.8mm，计算其流道截面积约为0.006m2，再根据流速和该截面积计算出供料泵的最大流量，计算方法为1.5×3.6×103×0.006=32.4t/h。水泵的在1h内的流量不得低于32.4t，故设计为0～35m3/h。
（2）反洗泵流量设计：反洗泵用于清理超滤膜表面截留的物质，防止长时间积累降低膜通过率。将反洗压力设置为0.240MPa，反洗泵的流量设计为320L/（m2·h）。超滤膜系统中单个组件的面积为47m2。由此计算出反洗单个组件时所需的水量，其计算方法为320×47×10-3=15.04m3/h。因此，将反洗泵的流量设置为16m3/h。
（3）超滤膜系统的整体运行工艺：超滤膜系统采用死端过滤方式，其特点为污水中的大分子溶质被截留在膜表面，并随着时间的不断积累而增加。在死端过滤半个小时后，对超滤膜进行30s的反洗操作，如此交替进行，防止膜表面被污染物阻塞。反洗过程分两步完成，先使用次氯酸钠溶液反洗15s，其浓度为14mg/L，然后再利用清水进行反洗，以保持超滤膜表面的清洁。将膜的过滤压力控制为0.15MPa，反洗时的压力控制为0.18MPa。
2.3.污水预处理
2.3.1.预处理的目的
超滤膜系统是借助微孔过滤和分离污水中的胶体、有机物、固体悬浮颗粒物以及其他大分子物质，其核心作用可概括为分离污水中的固体和液体。但部分有机物可溶解于污水中，导致污水净化效果有所下降，在实际应用中需将这部分溶解在污水中的有机物转变为固态，从而发挥超滤膜的过滤功能。另外，由于采用了死端过滤，超滤膜的过滤面容易积聚固体杂质，虽然系统中设计了反洗装置，并使用次氯酸钠溶液强化清理效果，但仍然存在部分无法彻底清理的污染物。随着时间的延长，膜的受污染程度会持续增加，严重制约了其性能，因此，超滤膜的使用寿命有限。预处理措施能够有效降低污水中大分子、胶体以及固体颗粒物的含量，从而减轻超滤膜的负担，延长其使用寿命。从以上分析可知，预处理阶段的主要目的有两个，其一是将可溶性有机物转化为固相，其二是降低难溶性污染物的含量。
2.3.2.预处理方法
为了达到预处理的目的，研究过程中设置了混凝处理工艺。混凝实际为凝聚和絮凝两个过程的总称。凝聚的主要操作是在污水中投入混凝剂，胶体物质在混凝剂的作用下逐渐失去稳定性，进而出现互相凝聚的现象，此时会形成较多的“矾花”。絮凝作用是“矾花”通过卷带、吸附等作用，进一步形成体积较大的絮凝体。在这一过程中，污水中的悬浮颗粒物也会受到影响，使大量颗粒物与胶体絮凝在一起。将混凝工艺设置在膜处理之前，能够有效提高超滤膜的透水通量和使用寿命，同时降低污水处理成本。在实现阶段，污水处理厂设计了一种网格式的絮凝器，是借助网格促进胶体絮凝，并沉积在网格上。
2.3.3.预处理结果
（1）混凝剂制备：胶体失稳的原理为负离子被中和，因而絮凝剂需要产生较多的阳离子。该污水处理厂利用FeCl3制备絮凝剂，其成分为水和FeCl3，质量比为99：1。三价铁离子具有较强的氧化性，有可能对超滤膜材料产生影响，为了避免这一问题，将污水中FeCl3的总含量控制在2mg/L以下。
（2）预处理效果：评价预处理效果的指标为污水的浊度、COD去除率、TP去除率以及氨氮去除率。浊度处理效果浊度的高低与污水中微粒物（>1μm）的含量密切相关，显然，微粒物含量越低，污水的浊度也越低，而微粒物也是混凝操作的重点处理对象。氨氮和TP预处理效果分析氨氮和TP为无机物，混凝剂虽然对此类物质产生了一定的去除效果，但整体效果欠佳。从监测结果看，处理前污水的氨氮含量为34.5～42mg/L，处理后的含量为33.1～38.9mg/L，最高去除率仅为7%。监测污水中总磷（TP）处理前后的含量，处理前为0.20～0.27mg/L，处理后为0.18～0.24mg/L，最高去除率为11.1%。相比于固体悬浮颗粒物的去除率，这两类物质均难以通过混凝操作降低含量。
3.结束语
综上所述，超滤膜技术可以应用于水源的净化和污水处理，在环保领域有着举足轻重的地位。在水处理技术中，可以通过安装超滤膜模块，通过输水泵、阀门等对进水流速和压力进行控制，使得水体比较缓慢地通过膜材料，从而将分子量较大的粒子和胶体物质进行过滤。但是，在实际应用过程中，必须对膜表面的滤层进行有效的去除，以避免滤层对膜的渗透能力和使用寿命的影响。
参考文献
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