一种商业规模的、长期运行的高效节能超滤装置，该装置采用水力快速混合技术进行絮凝处理，并利用压缩空气驱动反冲洗过程

《Desalination》：Commercial-scale, long-term operation of an energy-efficient ultrafiltration plant employing hydraulic rapid mixing for coagulation and compressed air-driven backwash

超滤膜集成系统商业级验证：采用空气驱动反冲洗（无需专用泵）、液压快速混合（无需机械搅拌）及直接过滤（省去沉淀池），在400m3/h处理量下连续运行1541天，能效0.196-0.268kWh·m?3，污垢阻力渐增但化学清洗可有效恢复，水质稳定（浊度<0.01NTU），验证了低能耗设计在稳定原水条件下的可行性。

　　

Youhei Yabuno|Masayuki Tamai|Takeshi Shiraishi|Naru Teshima|Kenji Shiode|Takafumi Yasui|Koji Miyake|Takeyuki Nishikawa|Kazuki Matsumoto|Hiroki Nakanishi|Syuwa Murata|Kensaku Komatsu|Dai Ogita|Kazuma Inoue

库拉雷有限公司（Kuraray Co., Ltd.）膜与模块技术开发部，日本冈山县仓敷市玉岛町7471-8550

摘要

超滤（UF）技术广泛应用于工业和饮用水处理领域；然而，在实际运行中，膜污染和能耗问题依然十分突出。本研究展示了一个单站点、商业规模的集成超滤装置，该装置采用了：（i）无需专用反冲洗泵的空气驱动反冲洗方式；（ii）用于混凝的水力快速搅拌技术；（iii）无需沉淀过程的直接混凝-过滤工艺。该装置的设计处理能力为400立方米/小时（400 m3·h?1），使用预沉淀的河流水连续运行了1541天。

测量得到的比能耗范围为0.196至0.268千瓦时/立方米（0.196 to 0.268 kWh·m?3），具体数值取决于运行阶段，在利用剩余压缩空气的特定条件下能耗最低。在原水温度较低时，膜污染阻力（Rf）逐渐增加，但经过定期化学清洗后能够恢复，从而实现了稳定的长期运行。处理后的水浊度始终低于0.01 NTU（Nephelometric Turbidity Unit），同时颜色和紫外吸光度（E260）在整个温度范围内得到了有效降低。

通过扫描电子显微镜-能量色散谱（SEM-EDS）、原子吸收光谱-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和X射线衍射（XRD）对污染物质进行了分析，发现膜表面积累了铝硅酸盐类物质，表明聚铝氯化物混凝剂与富含硅的悬浮固体（包括硅藻衍生物质）之间的相互作用导致了污染现象。原位清洗程序成功清除了这些沉积物。

本研究证明了在相对稳定且适宜的原始水条件下，这种节能型超滤配置的可行性。研究结果指出了降低电能需求和系统复杂性的潜在途径；然而，这些结果应被视为特定场所的应用实例，而非该集成设计具有普遍优越性的证据。

引言

超滤（UF）技术广泛应用于饮用水生产、工业水处理、海水淡化预处理以及废水回用[1]、[2]。与传统介质过滤器（如砂滤）相比，UF能够在实现高质量出水的同时，大幅减少占地面积[3]、[4]。在饮用水领域，UF因能有效去除贾第虫（Giardia）和隐孢子虫（Cryptosporidium）[5]、[6]，以及作为海水淡化和超纯水生产中反渗透（RO）工艺的预处理步骤[7]、[8]，在中长期内推动了市场发展。然而，由于膜污染控制及由此产生的能耗问题，商业规模的应用往往成本较高[9]。对商业规模超滤装置能耗的分析表明，随着污染程度的增加，能耗显著上升，某些情况下能耗比初始设计基准高出多达60%[10]，这凸显了实验室或中试规模测试与实际运行之间的性能差距[11]。

通常会结合混凝和沉淀[12]、预过滤器[13]以及臭氧氧化[14]等预处理方法来抑制膜污染。不过，以往的研究主要集中在污染抑制机制上，尚未充分评估包括超滤膜模块、预处理单元、泵送系统、反冲洗过程及其他辅助设备在内的整个系统的能耗。在商业规模下保证出水量需要同时运行多个装置，并在反冲洗、化学强化反冲洗（CEB）和原位清洗（CIP）步骤中进行协调控制，这需要配备多台原水泵和反冲洗泵，以及复杂的电气控制系统[15]、[16]。此外，在设计阶段常常会设置过高的安全系数[17]，从而累积增加了能耗。在水处理行业中，降低能耗和碳排放是重要的可持续性目标，因此有必要重新审视超滤装置的运行方式和系统设计[18]、[19]。

以往关于能耗降低的研究主要集中在优化反冲洗和物理清洗的压力、通量、频率、持续时间及化学药剂等参数[20]、[21]，以及压缩空气辅助反冲洗的效果[22]。加压空气反冲洗系统具有优势，因为它无需反冲洗泵，从而简化了系统结构并降低了能耗。关于混凝过程的研究表明，降低快速搅拌所需的功率对溶解有机碳（DOC）的去除效果影响有限，这表明机械搅拌在节能方面具有潜力[23]、[24]、[25]。因此，提出了诸如非动力水力搅拌[26]和泵驱动的扩散搅拌[27]等低能耗混凝方法，这些方法通过水力能量产生湍流。此外，还研究了直接将混凝后的水输送到膜上的直接混凝-过滤工艺[12]、[28]、[29]。然而，适用于超滤预处理的最佳混凝条件仍在研究中，需要更多实际和定量的评估[30]。据我们所知，目前尚无研究能够综合运用初始设计阶段的三种技术理念（即仅使用压缩空气进行反冲洗、仅依靠水力能量进行混凝、以及无需沉淀的直接混凝-过滤），并基于多年连续运行数据全面评估膜污染行为、水质和能耗。

本研究针对一个处理能力为400立方米/小时的商业规模超滤装置进行了探讨。我们利用大约4年的连续运行数据，验证了仅使用压缩空气进行反冲洗、仅依靠水力能量进行混凝、以及直接将混凝后的水输送到膜上的直接混凝-过滤等低能耗设计的有效性。我们分析了膜污染阻力（Rf）、原水和过滤后水的水质参数，并测量了能耗（千瓦时/立方米，kWh·m?3）。我们定量讨论了所采用方法的功能和效果，以及超滤技术在节能方面的潜力。本研究明确了这些技术在商业规模上降低能耗的作用，及其对运行连续性和污染控制的影响。

分析仪器与方法

水质分析使用了以下仪器：pH值使用pH计（HM–30R，Dkk–toa Co.，东京，日本）进行测量；浊度使用浊度计（2100Q，Hach Japan Co.，东京，日本）测量；颜色使用色度计（WA–6000，Nippon Denshoku Industries Co.，埼玉，日本）测量；260纳米处的吸光度（E260）使用紫外-可见光吸收光谱仪（UV–1650PC，Shimadzu Co.，京都，日本）测量；总有机碳（DOC）使用总有机碳仪（SIVERS TOC–900 TURBO，Central Kagaku Co.）测量。

商业规模膜过滤装置的长期运行稳定性

图3汇总了1541天的运行数据，包括实际商业超滤装置的膜污染阻力（Rf）、原水浊度和原水温度等参数。图中以一个过滤单元的数据为代表，其余五个过滤单元表现出相同的变化趋势（见图S1）。

该装置根据供水企业的需求调整了过滤水量，并在设计通量（400立方米/小时，400 m3·h?1）范围内运行。

结论

本研究评估了一个集成空气驱动反冲洗、水力快速混凝和直接混凝-过滤技术的商业规模超滤装置的长期运行情况。研究结果并未证明这种配置具有本质上的优越性或普遍适用性，而是提供了在特定场所应用这三种设计概念的可行性、运行稳定性和能源相关影响的实证。

术语表

R_f（污染阻力）

表示膜表面污染物质积累所造成的阻力，根据达西定律（Darcy’s law）计算得出

R_m

清洁、未使用状态下的膜本身的水力阻力

通量（LMH）

通过膜面积归一化的渗透流速，单位为升/平方米·小时（L·m?2·h?1）

设计通量

在膜系统设计阶段确定的目标运行通量

Q_actualQdesign

实际过滤通量与设计通量

CRediT作者贡献声明

Youhei Yabuno：概念构思、数据整理、调查、初稿撰写、审稿与编辑。Masayuki Tamai：概念构思、数据整理、调查。Takeshi Shiraishi：概念构思、数据整理、调查。Naru Teshima：调查、数据整理。Kenji Shiode：数据整理、调查。Takafumi Yasui：调查。Koji Miyake：数据整理、调查。Takeyuki Nishikawa：数据整理、调查。Kazuki Matsumoto：数据整理、调查。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的使用声明

在撰写本文时，作者使用了Microsoft Copilot工具来检查英语语法并提升文本的清晰度和逻辑性。使用该工具后，作者对内容进行了彻底审查和编辑，并对最终版本负全责。

资金支持

本研究未获得任何外部资助。

利益冲突声明

作者均为库拉雷有限公司（Kuraray Co., Ltd.）的员工，该公司是本研究中评估的超滤膜模块的制造商。这一隶属关系并不影响作者遵守期刊关于数据共享和材料发布的政策。

致谢

感谢Editage（http://www.editage.com）对本稿的语言编辑工作。

感谢库拉雷有限公司技术部门的技术开发中心中的塑料与化合物技术发展小组提供的CAE分析支持。

感谢Daiki Akioka和Shinichiro Teramoto在整理本研究用到的运行数据方面所提供的宝贵帮助。