膜分离技术具有高度的固液分离性、节省占地、运行管理简单等优点[1]，被称为21世纪的水处理技术。然而，百富策略白菜网过程中的膜污染是其主要障碍。膜污染是指在膜分离过程中尽管选择了适宜的操作条件，但是长期运行，由于微生物的滋生和膜污染物质的富集，超滤运行阻力会逐渐增大，水力冲洗不能有效地控制膜跨膜压差的增长的现象[2]。此时，需要采用化学清洗方法对膜进行清洗。但是，常规的离线化学清洗方法存在运行中断、耗时长、操作复杂、自动化程度低等缺点[3]。

在线化学清洗由于具有运行自动化程度高、运行连续不间断等优点而备受关注。在线化学清洗是指在反冲洗的操作中，通过添加低浓度药剂反洗循环、浸泡等操作，以强化在线水力清洗效果，控制膜污染。本文分析了引入在线化学清洗操作对超滤水处理过程的影响，通过试验确定了合理的在线化学清洗方式，用膜结构参数模型评价了不同在线化学清洗方式对恢复膜过滤性能的影响。

试验采用切割分子质量（MWCO）为80 kDa的PVDF中空纤维膜组件。单根膜丝长度1 100 mm，纤维膜内径1.0 mm，纤维膜外径1.8 mm，膜面积4 m2，纯水通量为300 L·m2·h-1（操作压力为100 kPa）。

试验装置如图1所示。

试验所用原水为西安市第四百富策略白菜网二级出水，进入内压式中空纤维膜之前，对其进行混凝-沉淀预处理，以满足超滤膜进水要求。超滤系统在线水力清洗用水来自膜出水。在线化学清洗采用的化学药剂为氢氧化钠、次氯酸钠和盐酸。

恒流模式下，膜的清洗效果用跨膜压差（TMP）恢复率FR来表征，其确定公式见式（1）[4]：

式中，FR为TMP恢复率；Pw为清洗后膜过滤纯水时的TMP;Pfw为污染膜过滤纯水时的TMP;Piw为新膜过滤纯水时的TMP。

课题组建立了膜孔密度、膜平均孔径随透水体积变化关系的模型，以方便评价膜污染过程，该模型认为，膜污染可以归结为引起膜孔径减小的内部污染和引起膜孔密度减少的外部污染两部分[5,6]。

膜污染是膜处理技术在百富策略白菜网中不可避免的问题。试验中采用反冲洗和表面快洗联合清洗的在线水力清洗方式可以在一定程度上减缓膜污染，但随着超滤系统运行时间的延长，膜污染仍会不断加剧，系统跨膜压差则会持续增长。为此，试验中引入了在线化学清洗操作，即采用低浓度药剂对膜进行短时间的化学清洗，以期及时降低系统跨膜压差，使超滤膜系统始终维持在较低的操作压力下运行。图2示出有无在线化学清洗操作下系统的TMP随运行时间的变化情况。

由图2可知，引入在线化学清洗操作之后，超滤分离系统的跨膜压差增长趋势比较缓慢，这表明在线化学清洗操作是延缓膜污染的有效途径，该操作可以使膜系统在较低的操作压力下长期运行，大大延长了膜的离线化学清洗周期，从而延长了膜的使用寿命，降低了运行成本。

在线化学清洗操作是用低浓度药剂短时间进行的一种在线清洗方式。合理的在线化学清洗方式可以延缓膜污染的进程，延长膜使用寿命。为了寻找合理的在线化学清洗方式，试验设计4种清洗方法：a：进水侧热药液过滤循环20 min+浸泡5 min;b：进水侧热水过滤5 min+热药液过滤循环20 min+浸泡5min;c：反洗侧热药液反洗循环20 min+浸泡5 min;d：反洗侧热水反洗5 min+热药液反洗循环20 min+浸泡5 min。

在线化学清洗操作先采用体积分数0.1%的NaClO溶液+质量分数0.05%的NaOH溶液进行碱洗，然后采用质量分数0.03%的HCl溶液进行酸洗，进行在线化学清洗时，反洗循环通量设为30L·m-2·h-1，热水和药液温度设在30～35℃。在设定的操作条件下，运行结果如图3所示。

由图3可以看出，在设定的操作条件下，4种在线化学清洗方式的跨膜压差恢复率依次为68%、80.3%、75%和88%，a<c和b<d，说明药液反洗循环方式下系统的跨膜压差恢复效果好，这主要是反洗循环方式可以将正向过滤过程中堵塞膜孔的部分有机物冲出膜孔，同时逆向的水流对膜表面的滤饼层有一定的松动作用，有利于膜孔和膜面污染物的去除。a<b和c<d，说明药液循环之前有热水反洗的清洗方式清洗效果高于无热水反洗的情况，这可能是热水反洗为药液与污染物充分反应创造一个适宜的温度环境，提高了清洗效率。

综合考虑膜压差恢复率及系统的运行经济性，确定最佳在线化学清洗方式为d方式。

在设定操作条件下，在线化学清洗方式d连续运行3次，执行周期为8 h，试验结果如图4所示。由图4可以看出，在线化学清洗方式d的清洗效率平均在90%左右，达到了延缓膜污染的目的，降低了膜化学清洗的频率和延长了膜清洗的周期，同时降低了膜处理成本，有利于超滤膜在城市污水二级出水深度处理中的推广百富策略白菜网。

由模型可得，在恒流模式下比跨膜压差（P0/PV）和与之对应的单位面积累积透水体积V的关系由式（2）表示：

式中，a1为膜孔径平均变化系数，a2为膜孔密度变化系数。将试验得出的一系列P0/PV和V代入式（2）中，通过计算机拟合求出参数a1和a2的最小二乘解，即最优解。

水力清洗和不同在线化学清洗方式下a1和a2值见表1。

图5示出不同在线化学清洗方式下比跨膜压差模拟曲线图，从表1和图5可以看出，4种在线化学清洗方式的模型参数a1、a2的模拟值均小于水力清洗，表明引入在线化学清洗操作可以减缓膜面堵塞和膜孔窄化。在线化学清洗方式的模型参数a1、a2的模拟值依次为a>c>b>d，由0.064逐渐降到0.037。说明恒流超滤在线化学清洗过程中，药液反洗循环方式可以明显减弱水中有机物对超滤膜孔的窄化和膜表面的堵塞作用，从而延长超滤膜化学清洗周期，减缓超滤膜污染的进程。

引入在线化学清洗操作可以有效的消除在线水力清洗方式无法去除的膜污染物质，强化在线水力清洗效果，有效控制膜污染。

药液反洗循环方式下系统的跨膜压差恢复效果好，药液循环之前热水反洗有利于提高膜清洗效率。

4种在线化学清洗方式的模型参数a1、a2的模拟值均小于水力清洗，表明引入在线化学清洗操作可以减缓膜面堵塞和膜孔窄化进度。

不同的在线化学清洗方式下，模型参数a1和a2的模拟值大小依次为a>c>b>d，由0.064逐渐降到0.037。说明恒流超滤在线化学清洗过程中，药液反洗循环方式可以明显减弱水中有机物对超滤膜孔的窄化和膜表面的堵塞作用。药液循环之前采用热水反洗操作，系统的比跨膜压差P0/PV下降较慢。