膜技術(shù)用于水處理

1、膜分離技術(shù)及其在膜分離技術(shù)及其在水處理中的應(yīng)用水處理中的應(yīng)用內(nèi)內(nèi) 容容膜技術(shù)概述膜分離裝置MBR及設(shè)計方法相關(guān)研究熱點(diǎn)1.膜技術(shù)概述 1.1基本概念 膜，是指在一種流體相內(nèi)或是在兩種流體相之間有一層薄的凝聚相，它把流體相分隔為互不相通的兩部分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。 膜的特性：不管膜多薄，它必須有兩個界面。這兩個界面分別于兩側(cè)的流體相接觸。膜傳質(zhì)有選擇性，它可以使流體相中的一種或幾種物質(zhì)透過，而不允許其他物質(zhì)透過。水處理中膜的分類 電滲析 離子交換膜 反滲透 其他膜分離類型納濾超濾微濾 各種分離膜的特征各種分離膜的特征 分離膜的基本功能是從物質(zhì)群中有選擇地透過或輸送特定的物分離膜的基

2、本功能是從物質(zhì)群中有選擇地透過或輸送特定的物質(zhì)，如顆粒、分子、離子等?；蛘哒f，物質(zhì)的分離是通過膜的選擇質(zhì)，如顆粒、分子、離子等?；蛘哒f，物質(zhì)的分離是通過膜的選擇性透過實現(xiàn)的。幾種主要的膜分離過程及其傳遞機(jī)理如表性透過實現(xiàn)的。幾種主要的膜分離過程及其傳遞機(jī)理如表2 2所示。所示。表表2 2 幾種主要分離膜的分離過程幾種主要分離膜的分離過程膜過程膜過程推動力推動力傳遞機(jī)理傳遞機(jī)理透過物透過物截留物截留物膜類型膜類型微濾微濾壓力差壓力差顆粒大小形狀顆粒大小形狀水、溶劑溶解物水、溶劑溶解物懸浮物顆粒懸浮物顆粒纖維多孔膜纖維多孔膜超濾超濾壓力差壓力差分子特性大小形狀分子特性大小形狀水、溶劑小分子水、溶劑

3、小分子膠體和超過截留膠體和超過截留分子量的分子分子量的分子非對稱性膜非對稱性膜納濾納濾壓力差壓力差離子大小及電荷離子大小及電荷水、一價離子、水、一價離子、多價離子多價離子有機(jī)物有機(jī)物復(fù)合膜復(fù)合膜反滲透反滲透壓力差壓力差溶劑的擴(kuò)散傳遞溶劑的擴(kuò)散傳遞水、溶劑水、溶劑溶質(zhì)、鹽溶質(zhì)、鹽非對稱性膜非對稱性膜復(fù)合膜復(fù)合膜膜過程膜過程推動力推動力傳遞機(jī)理傳遞機(jī)理透過物透過物截留物截留物膜類型膜類型滲析滲析濃度差濃度差 溶質(zhì)的擴(kuò)散傳遞溶質(zhì)的擴(kuò)散傳遞低分子量物、低分子量物、離子離子大分子物大分子物非對稱性膜非對稱性膜電滲析電滲析電位差電位差電解質(zhì)離子的電解質(zhì)離子的選擇傳遞選擇傳遞電解質(zhì)離子電解質(zhì)離子非電解質(zhì)，非

4、電解質(zhì)，大分子物大分子物質(zhì)質(zhì)離子交換膜離子交換膜氣體分離氣體分離壓力差壓力差氣體和蒸汽的氣體和蒸汽的擴(kuò)散滲透擴(kuò)散滲透氣體或蒸汽氣體或蒸汽難滲透性難滲透性氣體或蒸氣體或蒸汽汽均相膜、復(fù)均相膜、復(fù)合膜，非對合膜，非對稱膜稱膜滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)壓力差壓力差 選擇傳遞選擇傳遞易滲溶質(zhì)或易滲溶質(zhì)或溶劑溶劑難滲透性難滲透性溶質(zhì)或溶溶質(zhì)或溶劑劑均相膜、復(fù)均相膜、復(fù)合膜，非對合膜，非對稱膜稱膜液膜分離液膜分離濃度差濃度差反應(yīng)促進(jìn)和反應(yīng)促進(jìn)和擴(kuò)散傳遞擴(kuò)散傳遞雜質(zhì)雜質(zhì)待分離物待分離物乳狀液膜、乳狀液膜、支撐液膜支撐液膜續(xù)上表續(xù)上表電滲析運(yùn)行時可能發(fā)生的過程電滲析運(yùn)行時可能發(fā)生的過程RO、 NF、UF、MF的區(qū)別的區(qū)

5、別項目項目 RO NF UF MF孔徑孔徑(nm) 0.3-0.7 1-2 1-100 50-10000截留粒徑截留粒徑 0.06nm 1.0nm 2.0-100nm 100nm運(yùn)行壓力運(yùn)行壓力(Bar) 8-69 3.5-20 1-7 0.5-0.7能截留的物質(zhì)能截留的物質(zhì)鹽分鹽分% 98-99.6 20-90 0 0病毒病毒 完全完全 完全完全 部分部分 不能不能細(xì)菌細(xì)菌 完全完全 完全完全 較完全較完全 部分部分自來水水質(zhì)主要特點(diǎn)自來水水質(zhì)主要特點(diǎn)自來水大腸桿菌、細(xì)菌、自來水大腸桿菌、細(xì)菌、 CODcr 、BOD5、SS、色度含量、色度含量水樣指標(biāo)水樣指標(biāo) 原水含量原水含量 處理后含量處

6、理后含量 生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) 大腸桿菌大腸桿菌 (個個/L) 700-1600 03細(xì)菌細(xì)菌 (cfu/ml) 100-4000140100CODcr(mg/l) 3-161.56BOD5(mg/l) 514SS (mg/l) 20-401.2-2.03.0色度色度 (度度) 5-30515分析：分析：自來水如果消毒不嚴(yán)，則可能會含少量細(xì)菌及自來水如果消毒不嚴(yán)，則可能會含少量細(xì)菌及相對較多的病毒；如果消毒嚴(yán)格，則會含較多余氯。相對較多的病毒；如果消毒嚴(yán)格，則會含較多余氯。微生物分類及其個體大小微生物分類及其個體大小微生物按個體大小分為微生物按個體大小分為9類：類：名稱名稱個體

7、大小個體大小病名病名酵母菌酵母菌5-150 m霉菌霉菌2-10 m螺旋體螺旋體5-10 m梅毒梅毒/回歸熱回歸熱細(xì)菌細(xì)菌0.5-5 m痢疾等痢疾等支原體支原體0.2-0.25 m胸膜炎胸膜炎/肺炎肺炎立克次氏體立克次氏體0.1-0.2 m斑疹傷寒斑疹傷寒/羌蟲熱羌蟲熱衣原體衣原體0.1-0.2 m砂眼砂眼/結(jié)膜炎結(jié)膜炎病毒病毒0.05-0.1 m流感流感/噬菌體噬菌體/HIV亞病毒亞病毒(DNA/RNA) 0.015-0.03 m瘋牛病瘋牛病/Kuru病病NF、RO、UF、MF的孔徑比較的孔徑比較020406080100120RONFUFMFPore size (nm)UFNFRO腫瘤病毒15

8、nm50nm1nmNF制造飲用水的最佳選擇制造飲用水的最佳選擇自來水自來水地表水地表水中水中水井水井水RONF高純水高純水純凈水純凈水直飲水直飲水唉唉! 寡淡無味寡淡無味喔噻喔噻! 真好喝真好喝分析分析：由納濾：由納濾NF制得的直飲水，因其口感好，富含制得的直飲水，因其口感好，富含人體所需的營養(yǎng)元素而倍受國內(nèi)外親睞。人體所需的營養(yǎng)元素而倍受國內(nèi)外親睞。膜材料膜材料 用作分離膜的材料包括天然的與人工合成的用作分離膜的材料包括天然的與人工合成的有有機(jī)高分子材料機(jī)高分子材料和和無機(jī)材料無機(jī)材料。 原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機(jī)材料原則上講，凡能成膜的高分子材料和無機(jī)材料均可用于制備分離膜。但實

9、際上，真正成為工業(yè)化均可用于制備分離膜。但實際上，真正成為工業(yè)化膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要膜的膜材料并不多。這主要決定于膜的一些特定要求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜求，如分離效率、分離速度等。此外，也取決于膜的制備技術(shù)。的制備技術(shù)。 目前，實用的有機(jī)高分子膜材料有：目前，實用的有機(jī)高分子膜材料有：纖維素酯纖維素酯類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料類、聚砜類、聚酰胺類及其他材料。從品種來說，。從品種來說，已有成百種以上的膜被制備出來，其中約已有成百種以上的膜被制備出來，其中約40多種已多種已被用于工業(yè)和實驗室中。以日本為例，纖維素酯類被用于工業(yè)和實驗室中。以日本為例，

10、纖維素酯類膜占膜占53，聚砜膜占，聚砜膜占33.3，聚酰胺膜占，聚酰胺膜占11.7，其，其他材料的膜占他材料的膜占2，可見纖維素酯類材料在膜材料中，可見纖維素酯類材料在膜材料中占主要地位。占主要地位。 1. 纖維素酯類膜材料纖維素酯類膜材料 纖維素是由幾千個纖維素是由幾千個椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過1, 4-甙鏈甙鏈連接起來的天然線性高分子化合物，其結(jié)構(gòu)式為：連接起來的天然線性高分子化合物，其結(jié)構(gòu)式為：OHOHOHHOH HOHHCH2OHHHOH HOHHOCH2OHOOHOHOHHOH HOHHCH2OHHHHOH HOHHOCH2OHHn_22 從結(jié)構(gòu)上看，每個葡萄糖單

11、元上有三個羥基。在催化劑（如從結(jié)構(gòu)上看，每個葡萄糖單元上有三個羥基。在催化劑（如硫酸、高氯酸或氧化鋅）存在下，能與冰醋酸、醋酸酐進(jìn)行酯化硫酸、高氯酸或氧化鋅）存在下，能與冰醋酸、醋酸酐進(jìn)行酯化反應(yīng)，得到二醋酸纖維素或三醋酸纖維素。反應(yīng)，得到二醋酸纖維素或三醋酸纖維素。 C6H7O2 + (CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O C6H7O2 + 3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)3 + 2 CH2COOH 醋酸纖維素是當(dāng)今最重要的膜材料之一。醋酸纖維素是當(dāng)今最重要的膜材料之一。 醋酸纖維素性能醋酸纖維素性能穩(wěn)定，但在高溫和酸、堿存在下易發(fā)生水解。穩(wěn)定，但在

12、高溫和酸、堿存在下易發(fā)生水解。 纖維素醋類材料纖維素醋類材料易受微生物侵蝕，易受微生物侵蝕，pH值適應(yīng)范圍較窄，不值適應(yīng)范圍較窄，不耐高溫和某些有機(jī)溶劑或無機(jī)溶劑。耐高溫和某些有機(jī)溶劑或無機(jī)溶劑。因此發(fā)展了非纖維素酯類因此發(fā)展了非纖維素酯類（合成高分子類）膜。（合成高分子類）膜。醋酸纖維素膜醋酸纖維素膜醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)示意圖醋酸纖維素膜的結(jié)構(gòu)示意圖99表皮層表皮層孔徑孔徑 0.00080.001 m過渡層過渡層孔徑孔徑 0.02 m多孔層多孔層孔徑孔徑 0.10.4 m1%顯顯微微鏡鏡下下膜膜的的照照片片顯微鏡下中空纖維膜膜絲結(jié)構(gòu)圖顯微鏡下中空纖維膜膜絲結(jié)構(gòu)圖2. 非纖維素酯類膜材料非纖維素

13、酯類膜材料 常用于制備分離膜的合成高分子材料有常用于制備分離膜的合成高分子材料有聚聚砜、聚酰胺、芳香雜環(huán)聚合物和離子聚合砜、聚酰胺、芳香雜環(huán)聚合物和離子聚合物物。 聚砜類樹脂聚砜類樹脂具有良好的化學(xué)、熱學(xué)和水解穩(wěn)定性，具有良好的化學(xué)、熱學(xué)和水解穩(wěn)定性，強(qiáng)度也很高強(qiáng)度也很高，pH值適應(yīng)范圍為值適應(yīng)范圍為113，最高使用溫度，最高使用溫度達(dá)達(dá)120，抗氧化性和抗氯性都十分優(yōu)良。因此已成，抗氧化性和抗氯性都十分優(yōu)良。因此已成為重要的膜材料之一。為重要的膜材料之一。 早期使用的聚酰胺是早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺脂肪族聚酰胺，如尼龍，如尼龍-4、尼龍尼龍-66等制成的中空纖維膜。這類產(chǎn)品對鹽水的分等

14、制成的中空纖維膜。這類產(chǎn)品對鹽水的分離率在離率在8090之間，但透水率很低，僅之間，但透水率很低，僅0.076 ml/cm2h。 以后發(fā)展了以后發(fā)展了芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺，用它們制成的分離膜，用它們制成的分離膜，pH適用范圍為適用范圍為311，分離率可達(dá)，分離率可達(dá)99.5（對鹽水），（對鹽水），透水速率為透水速率為0.6 ml/cm2h。長期使用穩(wěn)定性好。由于。長期使用穩(wěn)定性好。由于酰胺基團(tuán)易與氯反應(yīng)，故這種膜對水中的游離氯有酰胺基團(tuán)易與氯反應(yīng)，故這種膜對水中的游離氯有較高要求。較高要求。 聚酰亞胺聚酰亞胺具有很好的熱穩(wěn)定性和耐有機(jī)溶劑具有很好的熱穩(wěn)定性和耐有機(jī)溶劑能力，因此是一類較好的

15、膜材料。例如，下列結(jié)能力，因此是一類較好的膜材料。例如，下列結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺膜對分離氫氣有很高的效率。構(gòu)的聚酰亞胺膜對分離氫氣有很高的效率。NCCOONCCOOArn 離子性聚合物離子性聚合物可用于制備離子交換膜。與離可用于制備離子交換膜。與離子交換樹脂相同，離子交換膜也可分為子交換樹脂相同，離子交換膜也可分為強(qiáng)酸型陽離強(qiáng)酸型陽離子膜、弱酸型陽離子膜、強(qiáng)堿型陰離子膜和弱堿型子膜、弱酸型陽離子膜、強(qiáng)堿型陰離子膜和弱堿型陰離子膜陰離子膜等。在淡化海水的應(yīng)用中，主要使用的是等。在淡化海水的應(yīng)用中，主要使用的是強(qiáng)酸型陽離子交換膜。強(qiáng)酸型陽離子交換膜。 磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最

16、常用的兩種離是最常用的兩種離子聚合物膜。子聚合物膜。 用作膜材料的用作膜材料的乙烯基聚合物乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚乙包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、苯乙烯磺酸、聚乙烯醇聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共聚物也可用丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。作膜材料。常見材料的最高允許使用溫度常見材料的最高允許使用溫度 名名 稱稱溫度（溫度（

17、）CA（Cellulose Acetate） 聚酰胺聚酰胺聚苯并咪唑聚苯并咪唑聚苯并咪唑酮聚苯并咪唑酮 磺化聚苯醚磺化聚苯醚 磺化聚砜磺化聚砜聚醚砜酮聚醚砜酮35 35 35 35 909070 70 70 70 120 120 160160 無機(jī)膜多以無機(jī)膜多以金屬及其氧化物、多孔玻璃、金屬及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷陶瓷為材料。從結(jié)構(gòu)上可分為致密膜、多為材料。從結(jié)構(gòu)上可分為致密膜、多孔膜和復(fù)合非對稱修正膜三種?？啄ず蛷?fù)合非對稱修正膜三種。 膜的制備膜的制備1. 分離膜制備工藝類型分離膜制備工藝類型 膜的制備工藝對分離膜的性能十分重要。同樣膜的制備工藝對分離膜的性能十分重要。同樣的材料，由于不

18、同的制作工藝和控制條件，其性能的材料，由于不同的制作工藝和控制條件，其性能差別很大。合理的、先進(jìn)的制膜工藝是制造優(yōu)良性差別很大。合理的、先進(jìn)的制膜工藝是制造優(yōu)良性能分離膜的重要保證。能分離膜的重要保證。 目前，國內(nèi)外的制膜方法很多，其中最實用的目前，國內(nèi)外的制膜方法很多，其中最實用的是是相轉(zhuǎn)化法相轉(zhuǎn)化法（流涎法和紡絲法）和（流涎法和紡絲法）和復(fù)合膜化法。復(fù)合膜化法。2. 相轉(zhuǎn)化制膜工藝相轉(zhuǎn)化制膜工藝 相轉(zhuǎn)化是指將均質(zhì)的制膜液通過溶劑的揮發(fā)或相轉(zhuǎn)化是指將均質(zhì)的制膜液通過溶劑的揮發(fā)或向溶液加入非溶劑或加熱制膜液，使液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔蛉芤杭尤敕侨軇┗蚣訜嶂颇ひ海挂合噢D(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟倪^程。相轉(zhuǎn)化制膜工藝中最

19、重要的方法是相的過程。相轉(zhuǎn)化制膜工藝中最重要的方法是LS型制膜法型制膜法。它是由加拿大人勞勃（。它是由加拿大人勞勃（S. Leob）和索里）和索里拉金（拉金（S. Sourirajan）發(fā)明的，并首先用于制造醋）發(fā)明的，并首先用于制造醋酸纖維素膜。酸纖維素膜。 將制膜材料用溶劑形成均相制膜液，在模具中將制膜材料用溶劑形成均相制膜液，在模具中流涎成薄層，然后控制溫度和濕度，使溶液緩緩蒸流涎成薄層，然后控制溫度和濕度，使溶液緩緩蒸發(fā)，經(jīng)過相轉(zhuǎn)化就形成了由液相轉(zhuǎn)化為固相的膜，發(fā)，經(jīng)過相轉(zhuǎn)化就形成了由液相轉(zhuǎn)化為固相的膜，其工藝框圖可表示如下：其工藝框圖可表示如下：聚合物聚合物溶劑溶劑添加劑添加劑均質(zhì)制

20、膜液均質(zhì)制膜液流涎法制成平板型、圓管型；紡絲法制成中空纖維流涎法制成平板型、圓管型；紡絲法制成中空纖維蒸出部分溶劑蒸出部分溶劑凝固液浸漬凝固液浸漬水洗水洗后處理后處理非對稱膜非對稱膜圖圖2 L-S 法制備分離膜工藝流程法制備分離膜工藝流程3. 復(fù)合制膜工藝復(fù)合制膜工藝 由由L-S法制的膜，起分離作用的僅是接觸空氣法制的膜，起分離作用的僅是接觸空氣的極薄一層，稱為表面致密層。它的厚度約的極薄一層，稱為表面致密層。它的厚度約0.251 m ，相當(dāng)于總厚度的，相當(dāng)于總厚度的1/100左右。理論研究表明可左右。理論研究表明可知，膜的透過速率與膜的厚度成反比。而用知，膜的透過速率與膜的厚度成反比。而用L

21、-S法法制備表面層小于制備表面層小于0.1 m的膜極為困難。為此，發(fā)展的膜極為困難。為此，發(fā)展了了復(fù)合制膜工藝復(fù)合制膜工藝，其方框圖如圖，其方框圖如圖3所示。所示。多孔支持膜多孔支持膜涂覆涂覆交聯(lián)交聯(lián)加熱加熱形成超薄膜形成超薄膜親水性高分子溶液的涂覆親水性高分子溶液的涂覆復(fù)合膜復(fù)合膜形成超薄膜的溶液形成超薄膜的溶液交聯(lián)劑交聯(lián)劑圖圖3 3 復(fù)合制膜工藝流程框圖復(fù)合制膜工藝流程框圖膜的保存膜的保存 分離膜的保存對其性能極為重要。主要應(yīng)防止分離膜的保存對其性能極為重要。主要應(yīng)防止微生物、水解、冷凍對膜的破壞和膜的收縮變形。微生物、水解、冷凍對膜的破壞和膜的收縮變形。 微生物的破壞微生物的破壞主要發(fā)生

22、在醋酸纖維素膜；主要發(fā)生在醋酸纖維素膜； 水解和冷凍水解和冷凍破壞則對任何膜都可能發(fā)生。溫度、破壞則對任何膜都可能發(fā)生。溫度、pH值不適當(dāng)和水中游離氧的存在均會造成膜的水解。值不適當(dāng)和水中游離氧的存在均會造成膜的水解。冷凍會使膜膨脹而破壞膜的結(jié)構(gòu)。冷凍會使膜膨脹而破壞膜的結(jié)構(gòu)。2.膜分離裝置 平板膜（板框式） 卷式膜（螺旋卷式） 管式膜 毛細(xì)管膜 中空纖維膜MEMBRANE MODULES Plate-and-frame modulePLATE-AND-FRAME MODULEThe number of sets needed for a given membrane area furnish

23、ed with sealing ring and two end plates then builds up to a plate-and-framestackPlate-and-frame moduleAdvantages- High allowable work pressure (high viscosity liquids)- Easy to clean- Easy to replace membranesDisadvantages- Low membrane area per volume (100-400 m2/m3)MEMBRANE MODULES Spiral-wound mo

24、duleMEMBRANE MODULES Tubular moduleTUBULAR MODULESTubular moduleSchematic drawing of tubular moduleCross section of monolithic ceramic moduleThe feed solution always flows through the centre of the tubes while the permeate flows through supporting tube into the module housing .管管式式膜膜Tubular moduleAd

25、vantages- Resistance for fouling- Easy to cleaningDisadvantages- Low packing density (300m2/m3)- ExpensiveReverse osmosis, ultrafiltrationMEMBRANE MODULES Capillary moduleMEMBRANE MODULES Hollow-fiber moduleCapillary moduleCapillary module consists of a large numbers of capillaries assembled togethe

26、r in a module.The free ends of the capillaries are potted agents such as epoxy resins, polyurethans.CAPILLARY MODULEThe choice between the two concepts is mainly based on the application where the parameters such a pressure, pressure drop, type of membrane available etc. are important.Depending on t

27、he concept chosen, asymmetric capillaries are used with their skin on the outside or inside.Two types of module arrangements can be distinguisedHOLLOW-FIBER MODULEThe difference dimmensions of the tubes, but module concepts are the same.The hollow-fiber module highest packing density 30000m2/m3.A pe

28、rforated central pipe is located in the center of the module through which the feed solution enters.Hollow-fiber moduleAdvantageous to use the inside-out type to avoid increase in permeate pressure within the fibers and its thin selective top-layer is better protected, whereas a higher membrane area

29、 can be achieved with the outside-in concept.Hollow-fiber moduleAdvantages- High packing density500-9000 m2/m3- Low relative costsDisadvantages- Poor resistance of fouling- Difficult to clean- Difficult to change the membraneMicrofiltration, ultrafiltration, reverse osmosis, pervaporation, liquid me

30、mbranes and the membrane cofactors where the boundary layer resistance may become very important as well.Comparison of module configurations陶瓷膜膜組件陶瓷膜膜組件3.膜生物反應(yīng)器（膜生物反應(yīng)器（Membrane bioreactor, MBR）及設(shè)計）及設(shè)計 膜生物反應(yīng)器是用膜分離（微濾、超濾）代替二沉池進(jìn)行固液分離的膜生物反應(yīng)器是用膜分離（微濾、超濾）代替二沉池進(jìn)行固液分離的污水處理裝置，為膜分離技術(shù)與活性污泥法的有機(jī)結(jié)合。具有出水水質(zhì)好、污水處理裝置

31、，為膜分離技術(shù)與活性污泥法的有機(jī)結(jié)合。具有出水水質(zhì)好、容積負(fù)荷高、剩余污泥量少等優(yōu)點(diǎn)。頗具發(fā)展前景的一種工藝。容積負(fù)荷高、剩余污泥量少等優(yōu)點(diǎn)。頗具發(fā)展前景的一種工藝。出水去消毒出水去消毒剩余污泥剩余污泥膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器a.a.一體式（內(nèi)置浸沒式）一體式（內(nèi)置浸沒式）進(jìn)水進(jìn)水出水去消毒出水去消毒剩余污泥剩余污泥膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器b.b.分置式（外置式）分置式（外置式）進(jìn)水進(jìn)水截留物回流截留物回流膜組件膜組件膜組件膜組件一體式膜生物反應(yīng)器一體式膜生物反應(yīng)器中空纖維膜（常用于一體式膜生物反應(yīng)器）中空纖維膜（常用于一體式膜生物反應(yīng)器）膜膜 組組 件件另另一一種種中中空空纖纖維維膜膜膜過濾

32、的基礎(chǔ)理論膜過濾的基礎(chǔ)理論通透量理論通透量理論：一種基于粒子懸濁液在毛細(xì)管內(nèi)流動一種基于粒子懸濁液在毛細(xì)管內(nèi)流動的毛細(xì)管理論。的毛細(xì)管理論。水通量（水通量（Jw）和截留率（）和截留率（R）：）：W透水量，透水量，A膜的有效面積，膜的有效面積，t時間時間c1料液中溶質(zhì)濃度，料液中溶質(zhì)濃度， c2透過透過液中溶質(zhì)濃度液中溶質(zhì)濃度tAWJw121cccR膜分離基本原理膜分離基本原理一體式MBR設(shè)計方法 原水條件一體式MBR設(shè)計方法 原水條件 消泡劑消泡劑一體式MBR設(shè)計方法 預(yù)處理一體式MBR設(shè)計方法 活性污泥條件MLSS濃度 500012000mg/L污泥粘度 30mPas以下水溫 1535一體式

33、（浸沒式）膜組件構(gòu)成 返回一體式膜的技術(shù)參數(shù)表一體式膜的技術(shù)參數(shù)表序號名 稱特性參數(shù)1材質(zhì)聚氯乙烯2膜孔直徑0.4m3過濾方式重力過濾/吸引過濾4最大過濾壓力重力過濾：12kPa/吸引過濾：20kPa5耐化學(xué)藥品性耐酸耐堿性強(qiáng)（pH值212）6膜支架尺寸(510型）寬高厚：490mm1000mm6mm7膜支架有效面積0.8 m2/張8膜通量0.40.8 m3/m2.d返回膜組件參數(shù)表膜組件參數(shù)表說明：說明：ESES、ASAS、FFFF主要區(qū)別在于膜組件的散氣框架高度有所不同。主要區(qū)別在于膜組件的散氣框架高度有所不同。ASAS和和FFFF型分別適用于大型市政排水處理和地埋式小型凈化槽，型分別適用

34、于大型市政排水處理和地埋式小型凈化槽，ESES型多用于生活污型多用于生活污水、中水、工業(yè)廢水，是常用的膜組件類型。水、中水、工業(yè)廢水，是常用的膜組件類型。 膜組件類型膜組件支架張數(shù)(n)（張/組）膜組件有效面積（m2/組）ES(AS、FF)757560ES(AS、FF)10010080ES(AS、FF)175150120ES(AS、FF)200200160返回一體式膜的選型設(shè)計一體式膜的選型設(shè)計 膜通量膜通量( () )的確定的確定 膜通量：單位時間內(nèi)通過單位膜面積的水量膜通量：單位時間內(nèi)通過單位膜面積的水量（單位：（單位：m3/m2.d） 膜通量的選擇與污泥過濾性能、污水水質(zhì)膜通量的選擇與污

35、泥過濾性能、污水水質(zhì) 以及運(yùn)行的環(huán)境條件有關(guān)，一般情況下為：以及運(yùn)行的環(huán)境條件有關(guān)，一般情況下為： 0.40.8 m3/m2.d（參考：原水參考：原水CODcr、BOD5濃度濃度 較低，可生化性強(qiáng)時較低，可生化性強(qiáng)時, ,如洗浴廢水如洗浴廢水, ,可取高限可取高限, ,反之，反之， 原水原水CODcr、BOD5濃度較高，可生化性較差時，如濃度較高，可生化性較差時，如 工業(yè)廢水工業(yè)廢水, ,取低限。）取低限。）返回膜片張數(shù)（膜片張數(shù)（n）計算）計算 1. 1. 設(shè)計流量設(shè)計流量: : Qd (m3/d) 2. 2. 每天運(yùn)行時間每天運(yùn)行時間: : t （h） (通常按每天通常按每天24小時運(yùn)行計

36、算小時運(yùn)行計算) 3.3. 膜通量：膜通量： (m3/ m2 d) 4.4. 膜片有效面積膜片有效面積 : : 0.8 m2 /張張 5. 5. 膜片張數(shù)膜片張數(shù): : n= Qd t/240.8 (張張)返回膜組件選型膜組件選型 1. 1. 同一膜生物反映器內(nèi)應(yīng)選同型號的膜組件同一膜生物反映器內(nèi)應(yīng)選同型號的膜組件, ,膜膜組件分為組件分為AS型、型、 FF型、型、ES型三種型三種. AS形適用于形適用于大型市政排水大型市政排水處理處理 FF型適用于型適用于地埋式小型污水處理地埋式小型污水處理 ES型適用于型適用于生活污水、工業(yè)廢水生活污水、工業(yè)廢水，是，是常用常用膜組件膜組件, ,尤其推薦作

37、為尤其推薦作為中水回用處理中水回用處理工藝。工藝。返回一體式MBR設(shè)計方法 槽內(nèi)膜組件配置旋回流一體式MBR設(shè)計方法 槽內(nèi)膜組件配置平面布局XXYY0.35X0.35X0.35X0.35X0.35Y0.35Y0.35Y0.35Y一體式MBR設(shè)計方法 槽內(nèi)膜組件配置斷面布局膜組件平面尺寸注:.膜組件間隔:1000-1300 .膜組件中心與池壁距離 650mm 型號長()寬()高()ES7514805102000ES10018305102000ES15021805102000ES20028005102000返回不同膜組件單排布置時池寬要求不同膜組件單排布置時池寬要求膜組件型號池寬()ES75180

38、02000ES10023002500ES20043004500返回膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器( (MBR) )池容積計算池容積計算1 1、按所選膜組件確定、按所選膜組件確定MBR池容積池容積 平面面積平面面積 首先按液中膜組件的安裝要求來確首先按液中膜組件的安裝要求來確 定平面尺寸定平面尺寸. . 池深設(shè)計池深設(shè)計 可根據(jù)下圖選擇合適的池深?？筛鶕?jù)下圖選擇合適的池深。ESES型型 膜組件可適應(yīng)膜組件可適應(yīng)2.50-3.00m2.50-3.00m水深，當(dāng)水深，當(dāng) 鼓風(fēng)機(jī)壓力允許情況下，可加大有鼓風(fēng)機(jī)壓力允許情況下，可加大有 效水深，對膜組件無影響。水面以效水深，對膜組件無

39、影響。水面以 上設(shè)上設(shè)0.5-1.0m0.5-1.0m保護(hù)高度保護(hù)高度. .返回池深設(shè)計池深設(shè)計返回按按BOD5容積負(fù)荷計算容積負(fù)荷計算( (MBR)池容積池容積 當(dāng)膜生物反應(yīng)器用來處理生活污水當(dāng)膜生物反應(yīng)器用來處理生活污水, ,特別是雜排特別是雜排水時水時, ,BOD5容積負(fù)荷容積負(fù)荷(NV)取取 1.0-1.5kgBOD5/m3d。池有效容積池有效容積 V= Qd S0NV (m3) 平面尺寸可按膜組件安裝要求確定平面尺寸可按膜組件安裝要求確定。山東恩特水處理科技有限公司返回比較兩種算法最終確定比較兩種算法最終確定( (MBR)池容積池容積 設(shè)計尺寸取上述設(shè)計尺寸取上述兩種算法中的較大值兩

40、種算法中的較大值，如，如按按BOD5容積負(fù)荷計算出的池容積大于按所容積負(fù)荷計算出的池容積大于按所選膜組件需要的池容積時選膜組件需要的池容積時, ,可設(shè)前置曝氣池。可設(shè)前置曝氣池。返回比較兩種空氣量確定最終空氣量比較兩種空氣量確定最終空氣量 比較按比較按膜組件膜組件保持良好工作環(huán)境所需要的空氣量保持良好工作環(huán)境所需要的空氣量與按與按生物生物處理需要的空氣量處理需要的空氣量, ,取較大值取較大值. .返回膜生物反應(yīng)池設(shè)計實例膜生物反應(yīng)池設(shè)計實例 某住宅小區(qū)欲將生活污水進(jìn)行處理作再生水回用,處理水量為1000m3/d,其BOD5含量為200mg/l，處理后出水的BOD5為10mg/l。1. 膜通量

41、取0.4 m3/m2.d 2. 膜片數(shù)計算(按每天24小時運(yùn)行計算) n = Qd24/240.8 = 10000.410.8= 3125張 返回 3. 膜組件選型ES200 n0=200 N=nn0=312520016組 4. 膜裝置分為兩系列：8組膜裝置為一系列. 5. 膜生物反應(yīng)器池有效容積計算:A.A. 按膜組件安裝尺寸計算 ES200平面布置尺寸為：4.38.3m, 池深為3.0m 膜生物反應(yīng)器有效容積: V=m2 =214 m3 返回 取BOD5容積負(fù)荷NV為1.0 kg/(m3.d) WBOD5 = QdS010-3 = 100020010-3 = 200 kg

42、.BOD5/d V= WBOD5NV = 2001.0 = 200 m3 由于根據(jù)BOD5容積負(fù)荷算出的池有效容積小于膜平面布置所得的池容積，故MBR池容積及尺寸按膜組件安裝尺寸確定。 B. B. 按按BOD5容積負(fù)荷計算容積負(fù)荷計算返回膜生物反應(yīng)器池體平面布置如下： 返回鼓風(fēng)量的計算鼓風(fēng)量的計算： A.A. 膜裝置洗凈所需空氣： 每張膜洗凈所需空氣量 q = 12L/min MBR所需鼓風(fēng)量G = Nn0q = 320012 = 38.4 m3 /min返回n B. B.生物處理所需空氣量： 需氧量 OD = aLr + bSa = aQd(S0- Se) +bVXf MBR池內(nèi)污泥濃度取X

43、 = 12000mg/l 由實際運(yùn)行裝置獲得f = 0.8，b值取0.12 OD = 0.5 (200-10)10-31000 0.12214120.8 = 95 + 246.5 = 341.5 kg.O2/d所需空氣量: G = OD/0.277e = 341.5/0.2770.03 = 41100m3/d = 28.55 m3/min返回 由于生物氧化所需空氣量小于膜洗凈所需空氣 量，鼓風(fēng)機(jī)的選擇應(yīng)以膜洗凈所需空氣量為依據(jù)， 可選送風(fēng)量為40 m3/min左右的風(fēng)機(jī)或總風(fēng)量相同 的數(shù)臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。 風(fēng)口的壓力以池深為依據(jù)，本例池深為3.0 m， 考慮到風(fēng)管的阻力降，可取風(fēng)壓P= 3500

44、mm水柱 的風(fēng)機(jī)。返回其他運(yùn)行管理方面 其他運(yùn)行管理方面的注意內(nèi)容見PDF文件1或PDF文件2膜污染（Membrane fouling） Polarisation（極化） phenomena are reversible processes, but in practise, a continuous decline in flux can often be observed.FOULINGCONCENTRATIONPOLARISATIONTIMEFLUXFlux as a function of time. Both concentration polarization and foulin

45、g can be distinguishedMembrane foulingThe (ir)reversible deposition of retained particles, colloids, emulsions（乳化液）, suspensions, macromolecules, salts etc. on or in the membrane.The includes adsorption, pore blocking, precipitation and cake formation. Occurs in microfiltration and ultrafiltration.P

46、ressure driven processes, type of separation and the type of membrane used to determine the extent of fouling.Depends:-concentration,-temperature,-pH,-ionic strenght,-specific interactions (hydrogen bonding, dipole-dipole interactions)Methods to reduce fouling Pretreatment of the feed solution - hea

47、t treatment - pH adjustment - addition of complexing agents (EDTA(絡(luò)合物) etc.) - adsorption onto active carbon - chemical clarification - premicrofiltration - preultrafiltration Membrane properties Module & process conditions Cleaning - hydraulic cleaning ( back-flushing ) - mechanical cleaning -

48、chemical cleaning - electric cleaningMembrane foulingFlux versus time behaviour in a given microfiltration process with and without back-flushingAlternate pressuring and depressuring and by changing the flow direction at a given frequency.After a given period of time, the feed pressure is released a

49、nd the direction of the permeate reversed from the permeate side to the feed side in order to remove the fouling layer within the membrane or at the membrane surface.平均水通量及允許每年水通量衰減率水源SDI水通量，gal/(ft2d) 水通量衰減率，%/a地表水258147.39.9井水214 184.47.3反滲透產(chǎn)品水120302.34.4卷式反滲透元件對進(jìn)水水質(zhì)的要求卷式反滲透元件對進(jìn)水水質(zhì)的要求 項目項目膜類型膜類型懸浮

50、物懸浮物含量，含量，mg/Lmg/L淤塞密度淤塞密度指數(shù)指數(shù)SDISDIpHpH值值化學(xué)需氧量，化學(xué)需氧量，mg/L(KMnOmg/L(KMnO4 4法，以法，以O(shè) O2 2計）計）游離氯含游離氯含量，量，mg/Lmg/L( (以以ClCl2 2計）計）鐵含量，鐵含量，mg/L(mg/L(以以FeFe計）計）醋酸纖維膜醋酸纖維膜0.345.06.05復(fù)合膜復(fù)合膜1535納濾膜處理系統(tǒng)設(shè)計納濾膜處理系統(tǒng)設(shè)計/運(yùn)行幾點(diǎn)考慮運(yùn)行幾點(diǎn)考慮預(yù)處理方案預(yù)處理方案方案一方案一方案二方案二方案三方案三在線混凝在線混凝MMFMMFCFSDI4CMFCFSDI3在線混凝在

51、線混凝MMFGACCF方案四方案四絮凝絮凝澄清澄清MMFCF方案五方案五國產(chǎn)國產(chǎn)UFCFMMF多介質(zhì)過濾、多介質(zhì)過濾、GAC錳砂過濾、錳砂過濾、CF炭濾、炭濾、CMF連續(xù)微濾、連續(xù)微濾、UF超濾超濾 納濾膜處理系統(tǒng)設(shè)計納濾膜處理系統(tǒng)設(shè)計/運(yùn)行幾點(diǎn)考慮運(yùn)行幾點(diǎn)考慮消毒殺菌方案消毒殺菌方案1. 氧化性殺菌劑氧化性殺菌劑 + 還原劑還原劑Cl2/NaClO/O3/H2O2/其他其他+ NaHSO3/GAC2. 非氧化性殺菌劑非氧化性殺菌劑陶氏公司陶氏公司 DBNPA (50-170ppm, 3h/周周)貝迪公司貝迪公司 881(400ppm, 30min/周周)甲醛甲醛 (0.5-3.0%)其他兼容性藥劑其他兼容性藥劑3. 氧化性殺菌劑氧化性殺菌劑 + 還原劑還原劑 + 非氧化性殺菌劑非氧化性殺菌劑納濾膜處理系統(tǒng)設(shè)計納濾膜處理系統(tǒng)設(shè)計/運(yùn)行幾點(diǎn)考慮運(yùn)行幾點(diǎn)考慮阻垢方案阻垢方案一個合理的阻