在20世紀(jì)的最后10年，世界范圍內(nèi)水處理設(shè)施的擁有者開(kāi)始出現(xiàn)了轉(zhuǎn)變。（可飲用）供水開(kāi)始逐漸由大規(guī)模的，政府控制運(yùn)營(yíng)的方式轉(zhuǎn)變?yōu)樗饺藫碛械?，多個(gè)國(guó)家共同參與的事業(yè)，并且也被視為本世紀(jì)的下一個(gè)商業(yè)機(jī)會(huì)。由此，出現(xiàn)了對(duì)新的水處理技術(shù)以及降低水處理成本的需求。此種需求必然導(dǎo)致膜技術(shù)的興起。從60年代開(kāi)始，膜技術(shù)最早起源于海水淡化的反滲透膜。而后膜技術(shù)得到了非常迅速的發(fā)展，并且被廣泛應(yīng)用于越來(lái)越多的領(lǐng)域。既脫鹽反滲透后，一系列更疏松的滲透膜被開(kāi)發(fā)出來(lái)，包括從納濾（疏松反滲透），到超濾（去除細(xì)菌和病毒），到微濾（去除懸浮固體）。并且任何一種應(yīng)用都有其獨(dú)特的，可以特殊設(shè)計(jì)的膜來(lái)滿足要求。在早期大部分膜過(guò)濾采用錯(cuò)流過(guò)濾的形式，即液體沿與膜面水平的方向流動(dòng)，這樣的過(guò)濾形式可以防止“膜垢”的產(chǎn)生，但卻僅有一小部分的液體真正能夠過(guò)濾出來(lái)。因此這種過(guò)濾形式導(dǎo)致非常高的能耗，從而阻礙了膜在大規(guī)模水處理設(shè)施上的應(yīng)用。
1 綜述
于水處理，尤其是大規(guī)模的水處理設(shè)施，能耗已經(jīng)成為一個(gè)非常明顯的重要指標(biāo)。如果膜技術(shù)要成為大規(guī)模的水處理設(shè)施的主要技術(shù)之一，就一定要降低能耗。因此，許多膜制造商開(kāi)始開(kāi)發(fā)低能耗的膜過(guò)濾系統(tǒng)，即所謂的死端過(guò)濾或半死端過(guò)濾。
此系統(tǒng)的工作原理類似咖啡過(guò)濾機(jī)，水中的固體懸浮物沉降在膜的表面。這部分固體通常被成為“污垢”，只要水中含有固體懸浮物，就必然會(huì)有“污垢”產(chǎn)生。為保證膜的產(chǎn)水量保持不變，膜過(guò)濾壓力必然不斷增加，因此運(yùn)行一段時(shí)間后需要從與過(guò)濾相反的方向?qū)δみM(jìn)行清洗，因此有時(shí)我們也稱為“半死端過(guò)濾”。沉積在膜表面的固體被清洗排出，從而膜又恢復(fù)了最初設(shè)計(jì)的性能。雖然反沖洗能夠去除系統(tǒng)中大部分的膜污染，但有時(shí)仍然需要更有效的辦法對(duì)膜進(jìn)行徹底清洗。因?yàn)樵S多物質(zhì)黏附在膜表面，僅通過(guò)機(jī)械力無(wú)法將其去除。這部分物質(zhì)通常為有機(jī)物或微生物有機(jī)物，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，這部分物質(zhì)會(huì)堵塞膜孔。膜的堵塞問(wèn)題應(yīng)該被稱為“污垢”，它是運(yùn)行過(guò)程不希望發(fā)生的情況。堵塞物可以溶解（對(duì)于一些小分子有機(jī)物）并通過(guò)膜，如果其對(duì)膜表面的黏附不是非常強(qiáng)的情況下；或者被膜截留，對(duì)于一些微生物有機(jī)物，當(dāng)它們附著在膜表面后，還會(huì)進(jìn)一步繁殖。這種膜污染的主要通過(guò)化學(xué)清洗去除，也是一種可逆污染。膜污染真正的問(wèn)題是那些無(wú)法去除的不可逆的污染。
2 半死端超濾技術(shù)
近幾年發(fā)展的發(fā)展的半死端過(guò)濾技術(shù)是XIGATM的核心技術(shù)，它是根據(jù)8寸半死端過(guò)濾超濾膜組件發(fā)展起來(lái)的。XIGATM的核心技術(shù)采用8寸壓力容器，這是通常反滲透的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。在每個(gè)壓力容器中，可以放入多個(gè)膜組件。每個(gè)膜組件為1.5米長(zhǎng)，毛細(xì)管式膜，膜絲內(nèi)徑0.8或1.5mm，每個(gè)膜組的膜面積為22或35m2。膜過(guò)濾的過(guò)程分為過(guò)濾、反洗、和化學(xué)加強(qiáng)反洗三個(gè)步驟。
成功應(yīng)用半死端過(guò)濾技術(shù)的關(guān)鍵，是將過(guò)濾、反洗、化學(xué)加強(qiáng)反洗三個(gè)過(guò)程合理設(shè)計(jì)，從而使最終用戶獲得最低的運(yùn)行費(fèi)用。因此沒(méi)有必要將單位膜面積的出水率總是保持在盡可能大的水平上。因?yàn)榉礇_洗不必加入任何化學(xué)藥劑，并且進(jìn)行時(shí)間很短（通常為20～60秒）因此反沖洗的費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于化學(xué)加強(qiáng)反洗，我們認(rèn)為反沖洗是去除膜表面沉積污垢的首選方法。
為了更清楚的解釋這個(gè)問(wèn)題，下圖表示系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中膜兩端壓力的變化。圖中A段表示過(guò)濾過(guò)程，B段表示反洗過(guò)程，C短表示化學(xué)加強(qiáng)反洗過(guò)程（CEB）。
A過(guò)程進(jìn)行中，對(duì)于特定的水質(zhì)，需要保證的關(guān)鍵指標(biāo)是膜通量和膜過(guò)濾壓力。因此若降低反洗和化學(xué)加強(qiáng)反洗的頻率，就將影響膜的通量。同時(shí)就將使系統(tǒng)的投資增加。另外一個(gè)方法是改善入水的水質(zhì)，通過(guò)加藥或進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理。這同樣要增加投資和運(yùn)行費(fèi)用，因此通常要根據(jù)實(shí)際在這兩種辦法中進(jìn)行權(quán)衡。
對(duì)于B過(guò)程，膜過(guò)濾壓降取決于膜表面垢層的厚度，和反洗時(shí)的機(jī)械壓力。反洗應(yīng)盡可能充分，保證能夠被反洗掉的污垢充分去除，這是推遲化學(xué)加強(qiáng)反洗的頻率的一種有效方法。另外這個(gè)過(guò)程中也存在反洗的機(jī)械壓力（如反洗水的流量）和改變垢層厚度（加入預(yù)處理）這兩種方案之間的權(quán)衡的問(wèn)題。
C過(guò)程，化學(xué)加強(qiáng)反洗（CEB），僅在進(jìn)行了反沖洗后膜兩端的過(guò)濾壓降仍然達(dá)到了預(yù)定值后，或者在預(yù)先設(shè)定的較長(zhǎng)的反洗次數(shù)以后。所使用的化學(xué)清洗劑是一些常規(guī)化學(xué)藥劑的混合物，包括次氯酸鈉、雙氧水、次氯酸等，可以非常地容易的處理掉污垢層。
3． 超濾技術(shù)在水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用
雖然超濾可以有很多的應(yīng)用領(lǐng)域，但大規(guī)模的水處理通常集中在以下方面：
( 飲用水供水終端
( 地表水處理
( 海水處理
( 流體的回用
3．1飲用水處理
由于對(duì)飲用水的質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)格，水處理公司投入越來(lái)越大的精力來(lái)控制供水管網(wǎng)中存在的微生物的量。為了做到這一點(diǎn)，因此一種方法是進(jìn)行昂貴、頻繁的水質(zhì)檢驗(yàn)，或者在供水終端設(shè)置防止細(xì)菌和病毒進(jìn)入的屏障。
采用UF系統(tǒng)，可以非常方便的建成這樣的屏障。超濾膜對(duì)細(xì)菌的去除率可以達(dá)到6log，對(duì)于病毒的去除率達(dá)到4log，因此水廠和用水者都不必在擔(dān)心細(xì)菌和病毒的問(wèn)題。由于飲用水的質(zhì)量本身就很高（濁度和懸浮固體都非常低），因此此時(shí)的膜系統(tǒng)可以可以采用很高的膜通量，可以達(dá)到135升/平米.小時(shí)。同時(shí)較高的入水條件，因此反沖頻率和化學(xué)加強(qiáng)反洗的頻率都可以非常低，產(chǎn)水量可以達(dá)到99％。如果需要還可以設(shè)立二級(jí)超濾系統(tǒng)，將第一級(jí)的反洗水進(jìn)一步回用。
3．2地表水處理
UF系統(tǒng)非常多的應(yīng)用在地表水處理上，處理后的水用于灌溉或作為反滲透的入水，來(lái)制備工業(yè)用水。
在荷蘭，出現(xiàn)了越來(lái)越多的這類工廠。這種技術(shù)提供了一種新型的工業(yè)用水的方式，即不必在購(gòu)買越來(lái)越貴的飲用水，而是就近取用地表水處理后使用。
3．3海水淡化
中東地區(qū)是水資源缺乏最嚴(yán)重的地方。為了解決這個(gè)問(wèn)題，最早人們通常采用蒸餾技術(shù)。從十九世紀(jì)60年代，膜技術(shù)被用于解決這些國(guó)家的缺水問(wèn)題。但是，許多反滲透海水淡化系統(tǒng)面臨著膜污染嚴(yán)重的問(wèn)題。主要因?yàn)榉礉B透系統(tǒng)的傳統(tǒng)的預(yù)處理方法無(wú)法提供可靠的入水水質(zhì)。因此絕大多數(shù)淡化工廠，在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其設(shè)計(jì)出水量的情況下工作，甚至有些工廠的出水量達(dá)不到最初設(shè)計(jì)的30％。
小型淡化裝置的研究非常清楚的表明，超濾系統(tǒng)可以非常有把握的控制海水的水質(zhì)，為反滲透系統(tǒng)提供高質(zhì)量的入水。長(zhǎng)期試驗(yàn)也表明，超濾系統(tǒng)的出水SDI值可以非常好的控制在2以下。這些測(cè)試在超濾系統(tǒng)前不必用任何預(yù)處理，并且適用各種海水水質(zhì)。
3．4污水回用
西方國(guó)家費(fèi)了很大的精力處理廢水，處理后確僅僅是將其通過(guò)排水管網(wǎng)排到地表水源中，這種作為非常不合理。再一次，超濾因?yàn)槠鋬r(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)為污水的回用提供了一種有吸引力的解決辦法。
其實(shí)，從城市污水處理廠和工廠中排出的廢水，是作為工業(yè)用水，甚至是飲用水的一種非常好的水資源。這在技術(shù)上是完全可以實(shí)現(xiàn)的，但西方用戶確非常難以相信這種做法。與其說(shuō)這是技術(shù)上的難題，不如說(shuō)是一個(gè)心理的難題。但是，目前在納米比亞的Windhoek，已經(jīng)在建設(shè)一個(gè)850噸/小時(shí)的水廠，就是采用膜技術(shù)將污水處理廠的出水回用為飲用水。
4．結(jié)論
半死端超濾是一種絲毫不必懷疑的技術(shù)。它具有廣泛的應(yīng)用，有些用于小型的項(xiàng)目，但另外一些，象我們上面提到的一些項(xiàng)目規(guī)模很大，甚至非常大。這種技術(shù)關(guān)系到人類必須面臨的一個(gè)問(wèn)題，如果世界仍然按目前的速度發(fā)展的話。即可飲用水資源，它是每個(gè)人的生活的一個(gè)重要部分。發(fā)展一種技術(shù)保持飲用水資源，是維持人類生活的唯一辦法，也是保證下個(gè)世紀(jì)水不會(huì)像油一樣的唯一方法。