超滤膜可以有效去除水中悬浮颗粒物、胶体、微生物及大分子有机物等，与传统工艺相比，超滤膜工艺占地面积小，出水水质好^[1,2,3]。但超滤膜在使用过程中会出现膜污染等问题^[4,5]，导致膜通量衰减、膜寿命缩短。目前，自来水厂对于膜寿命的判断通常是以膜系统出水水质或膜通量不能满足生产要求为依据的^[6]。

本文通过收集东北地区某水厂超滤膜长期运行过程中的水质及膜比通量变化等数据，考察超滤膜长期运行过程中分离性能的变化规律，并通过分析超滤膜比通量的变化规律及影响因素对膜寿命进行评价。

该水厂位于我国东北地区，水厂原水取自水库，最高耗氧量（COD_Mn）为7.8mg/L，夏季和秋季藻密度最高4.4×10⁷个/L，冬季冰冻期6个月左右。该水厂于1995年投产，采用常规工艺，设计供水量为50万m³/d。2013年，该水厂进行深度处理改建，采用常规—臭氧—活性炭—超滤膜工艺，一期改建规模10万m³/d。超滤膜系统设计了A、B两组，每组各10个膜堆，单个膜堆的过滤面积为5 825.4m²，预留余量为5.6%，采用外压式柱状膜组件，设计膜通量51L/（m²·h）。水厂使用的是GE ZeeWeed1500超滤膜，采用气水反冲洗，清洗周期38min；化学清洗采用NaClO、NaOH和HCl组合清洗，清洗周期90d，维护性清洗周期7d。处理工艺流程如图1所示，超滤膜工艺的进水为活性炭滤池的出水，超滤膜出水通入清水池，通过送水泵房配送给用户。

选取超滤膜系统A组4号膜堆作为研究对象，收集其2014年9月～2018年12月的长期运行数据进行分析。收集的数据包括原水、膜进水和出水水质参数和膜通量。数据来源包括水厂产水量日报表、化验数据表。主要参数包括进水流量、跨膜压差、浊度、微生物、藻密度、耗氧量（COD_Mn）、水温等。由于数据的时间跨度较大，且大部分数据都是手工记录，所以数据存在缺失或者错误等情况，在进行分析之前需要对数据进行预处理，即将异常值作为缺失值处理，对于缺失的数据再采用插值法进行补齐。

比通量（Specific Flux,SF）定义如式（1）所示：

式中SF₀———未进行温度校正前的膜比通量，L/（m²·h·kPa);

J———膜通量，L/（m²·h);

ΔP———实测跨膜压差，kPa。

为了方便不同温度下的膜比通量进行比较，需要对比通量进行温度校正^[6,7]:

式中SF———校正到15℃后的膜比通量，L/（m²·h·kPa);

T———水温，℃。

按以上方法对收集的数据进行处理，得到比通量的数据。

数据序列之间的相关性采用皮尔逊相关系数（Pearson Correlation Coefficient）进行分析如式（3）所示：

式中r———相关性系数，|r|≤1，|r|越接近1，则表明线性相关程度越高；

X_i,Y_i———两个任意数据序列；

———两个序列均值。

通过分析超滤膜出水水质或膜通量变化，评价超滤膜寿命。

超滤膜出水水质重点分析过膜前后浊度、微生物、藻密度、COD_Mn等的去除情况判断超滤膜对杂质的分离性能。

关于膜通量变化，基于膜比通量下降评价超滤膜透水性能的变化^[7]。在实际运行工况中，可能会出现两种判别条件：一是清洗前后膜比通量。当化学清洗前后的膜通量没有显著变化时，说明膜上的污染大部分都是不可逆污染，此时可认为膜的寿命已经终结^[4,5,6]。二是月均最小比通量。月均最小比通量不能满足水厂设计规模时，认为膜已经达到了使用寿命^[8]。

图2是原水水温度随运行时间的变化。原水水温随季节有规律地变化，每年12月左右水温最低为2℃，每年8月左右水温最高为28℃。温度的季节性变化，会使得原水浊度、微生物、藻密度、COD_Mn等水质指标亦呈现季节性变化，而且膜通量及比通量也会产生相应变化（见图3）。

图4是超滤膜进出水浊度以及浊度去除率随着时间的变化。超滤膜进水通过膜前端工艺处理后，浊度基本都低于1NTU，平均浊度在0.2NTU左右，但是，其亦随季节而变化。在每年夏季，浊度基本都达到最大值，约为0.7NTU。但超滤膜出水浊度基本稳定在0.1NTU以下，浊度平均去除率保持在60%左右。

图5为原水及出水菌落总数随着时间的变化。原水的菌落总数明显随季节变化，夏秋季最高104CFU/mL，冬季最低29CFU/mL。经过超滤膜处理，并进行消毒杀菌后，出水中菌落总数几乎降为0CFU/mL。

图6为原水藻密度及超滤膜出水藻密度随着时间的变化。原水的藻密度随着时间呈季节性变化，夏秋季藻密度最高。经超滤膜处理之后，超滤膜出水已经检测不出藻类，去除率约100%。

图7为COD_Mn去除率随着时间的变化。超滤膜对COD_Mn的去除效果始终比较稳定，但去除率较低，平均为12%。

图8为跨膜压差随着运行时间的变化。跨膜压差受到膜污染及水温的影响，随运行时间总体呈现增大的趋势。在图8中，超滤膜运行的前730d内，跨膜压差呈周期性变化是由于水温季节性变化引起的。超滤膜运行的前730d内，跨膜压差的变化是比较平稳，但是当超滤膜运行730d之后，跨膜压差增加迅速，分布较为分散，这与膜在长时间使用之后，膜不可逆污染加重有关。图8中波谷呈现出的跨膜压差降低的现象，是因为对超滤膜进行了化学清洗的缘故，如运行300d、750d、950d、1 300d等。

图3为超滤膜的通量和比通量随着时间的变化。在膜运行的前期和后期，比通量的变化规律明显不同。在730d之前呈季节性变化，比通量变化趋势与温度的变化趋势相同；在730d之后，比通量变化趋势明显变为周期性下降，季节影响明显变弱。在每个周期末，比通量的上升应该是化学清洗的缘故。

超滤膜不同时间段膜比通量的分布如图9所示。在整个运行时段内比通量分布是一个明显的双峰分布（图9a），中心分别是0.18L/（m²·h·kPa）、1.0L/（m²·h·kPa）。这分别是膜运行前期和后期的膜比通量的均值。图9b～图9d为比通量的分布随着运行时间的变化，可以看到随着超滤膜运行时间的延长，膜比通量的分布中心明显减小。在730d之前，比通量大多在1.0L/（m²·h·kPa）及以上；而在730d之后，分布中心逐渐达到0.18L/（m²·h·kPa）。

通过分析可以得到比通量受到温度、膜污染及化学清洗共同影响，在整个运行过程的前期（730d之前），温度是影响比通量的主要因素，膜污染为次要因素；在运行过程的后期（730d之后），膜污染及化学清洗成为影响膜通量变化的主导因素。

经超滤膜分离之后，出水浊度始终在0.1NTU以下，浊度的平均去除率为60%；微生物去除率稳定在100%；在出水中未检出藻类，去除率为100%;COD_Mn去除率为12%。可以看出，超滤膜在整个运行过程中出水水质始终很稳定，故难以用超滤膜出水水质指标评价其寿命。

而超滤膜比通量在整个运行过程中有明显的下降的趋势，所以本文拟基于超滤膜比通量的长期变化规律对膜寿命进行评价。

分析了超滤膜进水水温、浊度、菌落总数、藻密度、COD_Mn以及超滤膜运行天数等因素对比通量的影响。图10为各因素之间的皮尔逊相关系数r的热力图。r根据式3计算，横轴、纵轴为各水质、水量及运行天数变量，横轴、纵轴交点的值代表两个因素之间的相关性系数。可以看出膜的通量、跨膜压差、比通量都与浊度、菌落总数、藻类等的时间累积去除量相关程度较高。其中比通量与累积产水量、COD_Mn累积去除量、浊度累积去除量、菌落总数累积去除量、藻密度累积去除量等因素相关性较大，且呈明显的负相关性；与滤前滤后浊度、原水菌落总数、藻密度、COD_Mn、水温等单日的水质指标相关性较小，最大只有0.28。这表明膜比通量的变化也具有时间累积性。这是因为随着运行时间的增长，比通量受到膜污染的影响越来越大，而膜污染的时间累积性，会在比通量的衰减曲线中充分体现。所以仅根据当日的水质指标无法体现水质因素对膜比通量的影响，在分析水质水量因素对比通量的衰减的影响时，需要充分考虑到累积量的影响。

(1）清洗前后膜比通量对比法。图11为超滤膜比通量随着时间变化曲线，其中最高点曲线代表的是膜经过离线化学清洗之后达到的通量最大值，最低点曲线表示膜在严重污染的情况下在最高操作压力（0.275MPa）时的比通量。最高点曲线的下降代表了不可逆污染随着超滤膜的运行渐渐累积在膜表面；最低点曲线的下降代表了超滤膜受可逆污染与不可逆污染的程度越来越严重；最高点与最低点之间的差值代表化学清洗恢复的部分污染。膜不可逆污染的形成速度为1.08×10^-3 L/（m²·h·kPa·d）。

最高点曲线拟合方程如式（4）所示：

最低点曲线拟合方程如式（5）所示：

随着化学清洗效率越来越低，最高点曲线与最低点曲线之间的间距会越来越小，并最终会交汇于一点，此点状态代表无法通过化学清洗来恢复膜通量，可以认为膜的寿命达到了极限值，根据式（4）及式（5）计算可以得到膜寿命的极限值为1 570d，此时膜堆的比通量为0.041 3L/（m²·h·kPa）。

(2）月均最小比通量法。图12为膜堆月均比通量随着时间的变化情况。发现该曲线分为两部分：在第25个月以前，比通量为0.8～1.2L/（m²·h·kPa);25个月之后，比通量突然有很大的下降，同时整体的曲线有明显下降的趋势。如前所述，这两部分的不同是由于超滤膜运行前期影响比通量的主导因素为温度，在运行后期，主导因素变为膜污染。

月均比通量随着时间拟合方程见式（6):

该水厂中，每一个膜堆都增加了6支备用的膜组件，备用比例为5.6%。则在满足水厂每日产水量需求的条件下，水厂能容忍的最低通量见式（7）。

水厂采用的膜的最大跨膜压差为0.275 MPa，则超滤膜最低比通量为式（8）。

为了全天候保证水厂的设计供水量，水厂在最低水温（2℃）时也应该要满足该条件，按照式（2）校正为15℃的月均最小比通量为0.168L/（m²·h·kPa）。此时，根据式（6）计算膜寿命约为1 255d。

(3）两种方法对比。由上文计算结果可见，两种评价方法预测的膜寿命与相应的比通量差异很大。采用第一种评价方法超滤膜在运行的后期比通量会维持在一个极低的范围内，无法满足水厂供水量的设计要求；采用第二种评价方法，超滤膜即使在运行后期，月均比通量仍较高，并能满足水厂供水量的设计要求。

(1）超滤膜在长期运行过程中，出水浊度及COD_Mn去除率始终很稳定，菌落总数、藻密度去除率100%。

(2）膜比通量在运行前期主要受温度的影响，后期主要受不可逆膜污染的影响。

(3）超滤膜比通量的变化具有时间累积性，单日的水质与比通量相关性较小，而累积产水量、COD_Mn累积截留量、浊度累积截留量、菌落总数累积截留量、藻类累积截留量等与膜比通量相关性较大。

(4）可以利用超滤膜比通量下降评价膜寿命。采用清洗前后通量对比法和月均最小比通量法分别对膜寿命进行了评价，前者预测的膜寿命为1 570d，后者为1 255d。