膜法水處理課件

1、膜法水處理杜茂安主要內容水處理用膜及其組器技術膜處理技術試驗研究膜法水處理工程及應用膜污染及其控制技術12341.水處理用膜及其組件技術1.1 膜分離法概述 膜分離法是微孔過濾、超濾、反滲透、滲析、電滲析方法的統(tǒng)稱。該種方法利用特定膜材料的透過性能，在一定驅動力的作用下，實現對水中顆粒、膠體、分子或離子的分離過程。微孔過濾、超濾和反滲透是以壓力差作為驅動力的膜分離法，滲析是以濃度差作驅動力，而電滲析是以電位差作為驅動力。 膜分離過程被動傳遞促進傳遞主動傳遞 與前兩者情況不同，各組分可以逆其化學勢梯度而傳遞，為熱力學“上坡”過程。其推動力是由膜內某化學反應提供。主要發(fā)現于生命膜。在此過程中，各組

2、分通過膜的傳質推動力仍是膜兩側的化學勢梯度。各組分由其特定的載體帶入膜中。促進傳遞是一種具有高選擇性的被動傳遞。 為熱力學“下坡”過程，其中膜的作用就像一物理的平板屏障。所有通過膜的組分均以化學勢梯度為推動力。組分在膜中化學勢梯度，可以是膜兩側的壓力差、濃度差、溫度差或電勢差?，F已工業(yè)化的主要膜分離過程均為被動傳遞過程。1.2 膜材料及其制備按膜的材料分類 （1）天然膜 生物膜（生命膜）：天然物質改性或再生而制成。 （2）合成膜 無機膜：金屬的、硅酸鹽的、玻璃的等等；有機膜即高分子聚合膜；仿生膜（合成生物膜）：單分子層、雙分子層、多分子層膜等。微孔膜的制備均質膜的制備復合膜的制備 已制成的復合

3、膜中，常用聚砜作多孔支撐，因其化學性能穩(wěn)定，機械性能良好?，F在也有用其他高分子化合物，如聚丙烯腈偏氟乙烯等。也試用無機物，如石英玻璃和硅酸鹽類作多孔支撐。無機膜的一般分離因子小，但滲透率高，且可耐高溫。 最初的復合膜是澆鑄的纖維素稀溶液浮于水表面，待溶劑蒸發(fā)后，將薄膜取出放在底膜上。這種技術不適合大規(guī)模生產。一般是直接將選擇性的膜層原料溶液澆鑄于多孔底膜上?，F在有用等離子體聚合法和相際共聚法等新進展。1.3 膜組件 工業(yè)上常用的膜組件形式主要有五種：板框式、螺旋卷式、圓管式、毛細管式和中室纖維式。前兩者使用平板膜，后三者均使用管式膜。后三種膜組件的差別主要在于所使用的管式膜的規(guī)格不同。其大致直

4、徑范圍為：圓管式10mm；毛細管式=0.510.0mm；中空纖維式0.5mm。螺旋卷式 螺旋卷式膜組件是用平板膜密封成信封狀膜袋，在兩個膜袋之間襯以網狀間隔材料，然后緊密的卷繞在一恨多孔管上而形成膜卷，再裝入圓柱狀壓力容器中，構成膜組件。料液從一端進入組件，沿軸向流動，在驅動力的作用下，透過物沿徑向滲透通過膜到中心管導出。螺旋卷式膜組件的優(yōu)點是：結構簡卑。造價低廉，裝填密度較高（ 1000m2m），有進料分隔板。物料交換效果好。缺點是：透過液流動路徑較長，難以清洗，膜必須是可以焊接或粘貼的。目前其應用的領域力RO、PV、NF、GP。圓管式 管式膜組件是由圓管式的膜和膜酌支撐體構成。管式膜組件有

5、內壓型和外壓型兩種運行方式。實際中多采用內壓型，即進水從管內流入，透過液從管外流出。管式膜直徑在624mm之間。 管式膜組件的優(yōu)點是：料液可以控制湍流流動，對堵塞不敏感，易于清洗，膜組件中壓力損失小。其缺點是：裝填密度?。?00m）。其適用領域為MF、UF、RO。毛細血管式 毛紉管式膜組件是由直徑為0.56mm的膜管構成的，具有一定的承壓性能，所以不用支撐管。膜管一般平行排列井在端頭用環(huán)氧樹脂等材料封裝起來。毛細管式膜組件的運行方式有兩種：料液流經管外，透過液從毛細管內流出和料液流經毛細管內，透過液從管外排走。 毛細管式膜組件的特點是裝填密度較大（600I200m3）。制造費用低，但抗壓強度較

6、小，料液一般為層流，抗污染性較差。其應用領域為UF、 GP、 DL、 PV。中空纖維膜組件 中空纖維膜組件和毛細管式膜組件的形式相同，只是中空纖維的外徑較細，為40250m，內徑為2542m。其耐壓強度很高，在高壓下不發(fā)生形變。 中空纖維膜組件的優(yōu)點是：裝填密度可以很高（達1600030000/m），單位膜面積的制造費用相對較低，所以可以采用物理化學穩(wěn)定性能好、透水率低的尼龍中空纖維膜，壽命可達5年。膜的耐壓性能高，不需要支撐材料。其缺點是：對堵塞很敏感，污染和濃差極化對膜的分離性能產生很大的影響，但是通過改變流動方式可以對污染和濃差極化加以改善。1.4 膜的性能（1）膜通量和膜的過濾方式 膜

7、通量是單位時間單位膜面積上通過的物質的量。在水處理中膜通量的單位是m3m-2s-l或者Lm-2h-l。在膜分離過程中，影響膜通量的主要因素有：膜的阻力單位膜面積上的驅動壓力膜表面的水動力學狀況膜污染和其清洗情況表觀截留率本征截留率 式中 Cb為溶質在膜的料液側的主體溶液中的濃度；Cm為溶質在料液側的膜表面上的濃度；Cp表示溶質在滲透產物側的濃度。 另一個參數是物質透過膜的速率，或稱膜通量，即單位面積膜上單位時問內透過的滲透物的量。其定義義式為： 式中J表示膜的通量；mm-2s-1;V表示透過液的體積，m3； S表示膜的有效面積， ； t是運行時間，s。（3）膜工藝中的物質傳遞 膜分離必須通過力

8、的作用才能發(fā)生。膜分離的推動力可以是膜兩側的壓力差、電位差或濃度差。力可以是自然力，也可以是加載上去的。在膜生物反應器工藝中最重要的傳質現象是對流和擴散。 對流是由料液運動引起的，其流動方式或流態(tài)取決于運動速度。流速高時呈紊流狀態(tài)，低時呈層流狀態(tài)。一般來講，流動速度越高，膜通量越大因此通常希望增加膜高壓側的紊流程度。 擴散是由料液中的離子、原子或分子的熱運動產生的，逾常稱為布朗寧擴散。擴散的基本定律是Fick第一擴散定律，即擴散速率正比于濃度梯度與布朗寧擴散系數的積。顆粒越小，擴散速率越大。2.2 膜生物反應器的特點能夠高效地進行固液分離，分離效果遠好于傳統(tǒng)的沉淀池，出水水質良好，出水懸浮物和

9、濁度接近于零，可直接回用，實現了污水資源化。膜的高效截流作用，使微生物完全截留在反應器內，實現了反應器水力停留時間（HRT）和污泥齡（STR）的完全分離，使運行控制更加靈活穩(wěn)定。反應器內的微生物濃度高，耐沖擊負荷。有利千增殖緩饅的硝化細菌的截留、生長和繁殖，系統(tǒng)硝化效率得以提高。通過運行方式的改變亦可有脫氮和除磷功能。2.3 膜生物反應器的能耗 MBR的能耗比常規(guī)活性污泥法（00.5kWhm3）高。高能耗的原因首先是因為MBR過程必須保待一定的膜驅動壓力。其次是MBR中MLSS非常高，水中氧的傳質效果住往很差，所以MBR工藝采用加大曝氣量的方式來玫善這一狀況，因而造成能耗偏高。再者污染使膜通量

10、迅速降低，必須增大流速，沖刷膜面，減輕膜污染以維持所需要的膜通量。 MBR的能耗主耍來自供水泵、循環(huán)泵、滲透水抽吸泵和曝氣系統(tǒng)。浸沒式MBR通過反應器中的氣體運動來實現所需的錯流速度，通過高干膜的水位來實現所需的壓力。而外置式是通過一個大的水泵來實現微生物循環(huán)，滿足所需的高壓和流速的。因此浸役式比外置式總能耗要低。2.4 膜反應器的發(fā)展方向現有的誠市污水處理廠的更新升級。特別是出水水質難以達標或處理流量劇增而占地面積無法擴大的情況。 應用于無排水管網系統(tǒng)的地區(qū)，如小居民點、度假區(qū)、旅游風景區(qū)等。 應用于有污水回用需求的地區(qū)或場所，如賓館、洗車業(yè)、客機、流動公廁等充分發(fā)揮膜生物反應器占地面積小、

11、設備緊湊、自動控制、靈活方便的特點。 應用于高濃度、有毒、難降解工業(yè)污水的處理。MBR在技術上的優(yōu)勢決定它可以對常規(guī)方法難以處理的污水進行有效的處理，并目出水可以回用。垃圾填埋滲濾液的處埋及回用。在小規(guī)模的污水處理廠（站）的應用。膜技術的價格問題決定它目前比較適于小規(guī)模污水的處理。 在正常的運行中，處理永通過膜單無，透過通量取決于膜單元的水頭（一般在11.5m），而膜單元的數量取決于所要求的最大流率，因此透過通量決定了本力停留時間。通常污水在進入Kubota裝置之前應該先經過格柵和23mm的篩網。如果要求脫氮，還應有缺氧區(qū)和相應的從好氧反應器回流至缺氧區(qū)的回流系統(tǒng)。典型的Kubota膜生物反應

12、器流程如下圖所示。 Porlock是英國北Somerset誨岸的一個約有4000人的村莊， Kubota污水處理裝置即建在從該村莊和周圍山上能夠俯視到較低的地方，出水排人近誨濱的海水中，由于要求所建污水廠和圍環(huán)境融合為一體，因此處迎袋置應具有高效緊湊的特點。 該污水廠是在經過中試試驗后建成的，于1998年2月開始運行。污水廠最大處理規(guī)模為1900m3d，共有24個Kubota膜單元分別安裝于4個好氧反應器中。處理水依靠重力流流經各反應器。由于潮永儲存的需要，處理后的污水需用水泵提升至潮水池中，如下圖所示。 在運行的前14個月，出水水質很好，類似于中試試驗的結果，如表所示。一般最終出水的BOD不

13、超過5mgL，并且不受進水BOD變化的影響；細菌的平均去除率為6log，其中腸道病毒和大腸桿菌噬菌體等病毒的平均去除率為4log；出水的濁度乎為0.3NTU。（2）膜生物反應器在工業(yè)廢水處理中的應用一體式好氧膜生物反應器處理醫(yī)院污水 在北京海淀鄉(xiāng)衛(wèi)生院內用一體式膜生物反應器處理醫(yī)院污水。海淀鄉(xiāng)衛(wèi)生院是一家規(guī)模較小的綜合性醫(yī)院，用水量平均為20m/d。因此該工程的設計流量定為20md，處理裝置的構造圖如下所示。 整個裝置由生物反應池和膜組件組成，生物反應池為完全混合式好氧活性污泥曝氣他，有效容積6m3，內設隔板將其分為大小相等的兩個池子，內置聚乙烯中空纖維膜組件24塊，每塊膜組件的面積為4m2，

14、膜總面積為96m2。膜組件下設穿孔管曝氣，曝氣量控制在8090m/h。中空纖維膜間歇運行，臭吸頻率為開13min，停2min。壓差汁用于監(jiān)測膜過濾壓力的變化。液位計用來控制活性污泥反應器的液面，流量計用于測定膜出水的流量。在該裝置中，污水先流人調節(jié)池，然后由泵提升經細篩網過濾后進入膜生物反應器，生物處理后，在泵的抽吸作用下，經膜過濾得到處理水。 該膜生物反應器對COD、氨氮、濁度的平均去除率分別為80%、93%、83%。其中COD的去除是由生物反應器中的活性污泥起主要作用，膜分離進一步彌補生物反應器處理性能的不穩(wěn)定性，保證出水COD穩(wěn)定、良好；而氨氮的去除主要是生物反應器作用的結果。3.膜法水

15、處理工程及應用3.1 膜法飲用水處理苦咸水淡化 90年代初期，膜分離技術中的微濾、反滲透在我國西部省區(qū)水年代初期，膜分離技術中的微濾、反滲透在我國西部省區(qū)水處理方面開始應用，在石油工業(yè)戰(zhàn)線多用于苦咸水淡化，特別是在高礦化度、高硬度苦咸水淡化和含鉻高氟、低礦化度苦咸水淡化方面。工藝流程 其處理特點為：反滲透系統(tǒng)對二價及多價離子的截留效果明顯高于單價離反滲透系統(tǒng)對水質極差的 SO4Cl-NaMg型和SO4Cl-Na 型苦咸水中的溶解性總固體、總硬度、鐵、錳、鈣、鎂、鉀、鈉、硫酸鹽、氯化物、二氧化硅等無機鹽的去除率為96%100%;穩(wěn)定運行 2年后，總硬度、氯化物、硫酸鹽、溶解性固體等指標的去除率仍

16、98% ，出水水質優(yōu)于國家和世界先進水質標準，說明去除效果顯著反滲透系統(tǒng)對人體健康危害較大的氟化物去除率達96%，六價鉻去除率92.5% ，去除效果明顯；反滲透系統(tǒng)對污染性及毒理學指標，如耗氧量、 氨氮、亞硝氮、硝氮和砷的去除率為40%83% ，低于上述無機鹽類去除率，但由于原水中污染性指標含量相對較低， 40%83%的去除率完全可以滿足生活飲用水衛(wèi)生標準要求； 苦咸水中，微生物含量在地表水、地下水中差異較大，提高到反滲透系統(tǒng)對細菌總數檢測的去除率從44.6%提高到93.2%，去除效果明顯； 原水中毒理學指標及部分理化指標，如銅、鋅、鉛、鉻、鎘、銀、汞、硒、氰、揮發(fā)酚類、三氯甲烷、四氯化碳、苯

17、并芘、滴滴涕、六六六的含量均低，大都低于檢驗方法的檢出下限，膜系統(tǒng)對上述指標的去除率絕大部分達到100%。自來水膜處理 對于被污染的水質，除了對自來水可進行工廠化的深度處理外，還可使用了膜家用凈水器。膜法凈水器采用微濾（MF）或超濾（UF）技術，微濾濾芯有折疊式或中空纖維式，超濾濾芯大多為中空纖維式，也有卷式膜。其凈水工藝為：（1）自來水5m聚丙烯無紡布折疊式濾芯活性炭吸附過濾0.2m微孔膜折疊式濾芯家用凈水（2）自來水5m聚丙烯無紡布折疊式濾芯活性炭吸附過濾中空纖維超濾濾芯家用凈水3.2 膜法工業(yè)廢水處理 糖類和蛋白質類廢水的處理 馬鈴薯生產淀粉的廢水膜處理實驗裝置及流程如下圖所示。 實驗用

18、膜裝置為聚砜（PS）和聚丙烯腈（PAN）中空纖維超濾膜組件，具體指標見下表。 在本實驗條件下，對該廢水的處理條件選為：操作壓力0.1MPa，進料流量70L/h，溫度為室溫，超濾前調整料液pH值3.5左右。超濾效果比較好，廢水COD值8175mg/L ，經超濾處理后降 為3610mg/L ，COD 去除率為55.8% 。實驗發(fā)現在料液體系中pH值的影響是顯著的，在pH值為3.5左右，接近蛋白質的等當點，此時蛋白質的溶解度最小，因此截留率提高。同時 pH值在35左右，不但可以提高超濾效果，對防止料液的變質也起到一定保護作用。污染后的膜用 40、0.1mol/L的NaOH溶液來清洗，恢復率在90%左

19、右。含堿、含酸類廢水的處理 化工廠在生產過程中產生的酸、堿廢水中，難降解物質的COD、BOD5、SS都很高。 在采用浸入式屏幕狀結構的中空纖維膜組件的MBR處理酸、堿廢水工藝中，MBR由6組SMI型膜組件組成，處理水量為220m3d，實際運行中膜通量為 0.2m(d)。出水中的SS幾乎為零，COD的去除率大于95，工藝運行穩(wěn)定、操作 簡單、管理方便。 常州市羊毛衫毛條廠曾采用外壓套管式UF裝置處理洗毛生產線一槽、二槽、三槽排出 的廢水。UF膜裝置配置了型號為UF48的17個膜組件，總計膜面積68m2。裝置中膜組件設計為三組，其中兩組為兩并兩串，一組為兩并三串。UF運行方式為間歇式操作。主要操

20、作參數：運行溫度為4550；uF系統(tǒng)的運行壓力為進口小于0.36MPa，出口大于 0.12MPa；膜面流速為3ms，；UF水通量為3540L(m2h)；濃縮倍數依原水羊毛脂濃 度不同，一般為35倍，濃縮液的羊毛脂濃度控制在40g/L左右；膜清洗周期依洗毛工藝不同，對助洗劑為NaCl的洗毛廢水，運行24h后清洗一次，對助洗劑為碳酸鈉和硫酸鈉的洗毛廢水，一般在運行一周后清洗一次。 洗毛廢水的處理 工藝流程 處理效果 該系統(tǒng)的運行結果表明，洗毛一槽、二槽、 三槽廢水中COD、羊毛袖脂、TS的一次性去除率分別大于95、99和80，UF透過水 的COD從進水的68000mgL左右降至3000一5000m

21、gL左右，羊毛油脂從進水的 14500mg兒左右降至100一300m8L左右。制藥廢水的處理 該工程處理廢水量為200m/d，廢水來自生產醫(yī)用、獸用和農用抗生素原料過程提取柱晶白霉素、農用井岡霉素、農畜兩用阿維菌素后排放的廢水，以及這些制藥發(fā)酵液板框壓濾機的清洗廢水。 混合廢水通過格柵，大顆?？沙凉腆w及漂浮物被攔截，進入調節(jié)池，經調節(jié)水量、水質和預曝氣后 用泵輸送至混凝反應池，分別加入適量的PAC、PAM溶液進行混凝和絮凝反應，反應液自 流入沉淀池進行固液分離。經過上述預處理的廢水上清液溢流進入Pw膜生物反應器，在 充氧曝氣和微生物的作用下將有機物降解為二氧化碳和水，并由膜組件進行固液分離，處

22、理 后廢水達標排放。物化沉淀池分離的污泥和Pw膜生物反應器排放的少量剩余污泥分別排 至污泥池，再用泵輸送至污泥脫水機進行脫水，泥餅外運填埋處理。 工藝流程 處理效果 工程運行結果表明，在進水CODcr為71302480mgL，BOD5為617668mg L，NH3N為141一I 49mgL的條件下，排出水的CODcr、 BOD5 、 NH3N的平均去除率分 別達到了98、96、98以上，符合國家排放標準的要求。 4. 膜污染及其控制技術4.1 膜面濃差極化 在膜分離過程中，料液中的溶劑在壓力驅動下透過膜，溶質（離子或不同分子量的溶質與顆粒物）被截留，由于水的通量J不斷把溶質帶到濾膜表面，使溶質

23、在濾膜表面處的濃度Cm高于溶質在水溶液主體中的濃度Cb在濃度梯度的作用下溶質由膜面向本體溶液擴散，形成邊界層，使流體阻力與局部滲透壓增大，導致膜通量下降。當溶劑向膜面流動溶質向膜面流動的速度與濃度梯度使溶質向本體溶液擴散的速度達到動態(tài)平衡時，在膜面形成一個穩(wěn)定的相應于濃度差比Cm -Cb的邊界層，稱為濃差極化邊界層，這個現象稱力濃差極化。膜面濃差極化的危害使膜表面溶質濃度增高，引起滲透壓增大，從而減小傳質驅動力。當膜表面溶質濃度達到其飽和濃度時，便會在膜表面形成沉淀或凝膠層，增加透過阻力。膜表面凝膠層或沉積層的形成會改變膜的分離特性。當溶質在膜表面達到一定的濃度時，有可能對膜發(fā)生溶脹或溶解惡化

24、膜的性能。嚴重的濃差極化導致結晶析出，阻塞通道，運行惡化。4.2 膜污染與防治 膜污染是指在膜過濾過程中，污本中的微粒、膠體粒子或溶質分子與膜發(fā)生物理化學相互作用，或因為濃差極化使某些溶質在膜表面超過其溶解度及機械作用而引起的在膜表面或膜孔內吸耐、沉積，造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產生透過流量與分離特性發(fā)生變化的現象。膜污染中有些可以通過一定的方法消除或減輕，而某些則使膜發(fā)生了永久性改變，無法消除。膜污染的防治-化學防治原料液預處理研制污染物難以吸附的膜材料 化學清洗法預處理是指在原料液過濾前向其中加入一種或幾種物質，使原料液的性質或溶質的特性發(fā)生變化，如進行預絮凝、預過濾或改變溶液pH 值等方

25、法，以脫除一些與膜相互作用的物質，從而提高過濾通量。常用的化學防污染法還有用清洗劑對已經污染的膜進行清洗來部分恢復膜的滲透通量。膜表面的改性可分為物理改性和化學改性。物理改性是指用一種或幾種對膜的分離特性不會產生很大影響的小分子化合物， 化學改性將某些物質加入制膜液中，使其在成膜過程中均勻分布于膜的內外表面以改變膜的表面性能，提高膜的抗污染性。濾餅機械刮除：典型的實例是利用海綿球的滾動來刮除濾餅并清洗膜面。膜面攪拌：通過對膜表面物流的攪拌，使得物流的湍流程度增大形成薄流層，可以減小膜表面的污染。錯流過濾：指主體流動方向平行于過濾表面的壓力驅動過濾過程。穩(wěn)態(tài)湍流：控制濃差極化和膜污染最簡單的方法就是提高錯流速度，使流體處于穩(wěn)態(tài)湍流的狀態(tài)。不穩(wěn)定流體流動：不穩(wěn)定流體流動是指在流動系統(tǒng)中，各個截面上流體的流速、壓強、密度等有關物理量不僅隨位置而變化，而且隨時間而變化。膜污染的防治-物理防治流化床：為了強化膜過濾過程中的界面?zhèn)髻|效應，可以采用通人氣泡或加入固體顆粒如金屬球、玻璃球等分散相形成流化床的方式。松弛法：所謂松弛法是指在過濾一段時間后間隔地停止一段時間，再開機操作，這樣也可以提高膜