膜法水处理.

杜茂安水处理用膜及其组器技术膜处理技术试验研究膜法水处理工程及应用膜污染及其控制技术12341.1膜分离法概述膜分离法是微孔过滤、超滤、反渗透、渗析、电渗析方法的统称。该种方法利用特定膜材料的透过性能，在一定驱动力的作用下，实现对水中颗粒、胶体、分子或离子的分离过程。微孔过滤、超滤和反渗透是以压力差作为驱动力的膜分离法，渗析是以浓度差作驱动力，而电渗析是以电位差作为驱动力。膜分离法的分类目前常见的几种膜分离法主要有：微孔过滤(MicrofiltrationMF，0.03～15μm)；超滤（UltrafiltrationUF，0.005～10μm）；纳滤（NanofiltrationNF,～0.1μm）反渗透（ReverseOsmosisRO，0.0005～0.08μm）；电渗析（ElectrodialysisED，0.0005～0.1μm）；扩散渗析（Dialysis，0.0005～0.1μm）；渗透蒸发（PervaparationPV）；液膜（LiquidMembraneLM）等。电渗析、反渗透和超滤是目前给水与废水处理常用的三种膜分离技术。被动传递促进传递主动传递与前两者情况不同，各组分可以逆其化学势梯度而传递，为热力学“上坡”过程。其推动力是由膜内某化学反应提供。主要发现于生命膜。在此过程中，各组分通过膜的传质推动力仍是膜两侧的化学势梯度。各组分由其特定的载体带入膜中。促进传递是一种具有高选择性的被动传递。为热力学“下坡”过程，其中膜的作用就像一物理的平板屏障。所有通过膜的组分均以化学势梯度为推动力。组分在膜中化学势梯度，可以是膜两侧的压力差、浓度差、温度差或电势差。现已工业化的主要膜分离过程均为被动传递过程。按膜的材料分类（1）天然膜生物膜（生命膜）：天然物质改性或再生而制成。（2）合成膜无机膜：金属的、硅酸盐的、玻璃的等等；有机膜即高分子聚合膜；仿生膜（合成生物膜）：单分子层、双分子层、多分子层膜等。（1）以高分子溶解于适宜的溶剂中形成溶液，其中高分子含量为10%~30%（质量分数）；（2）将溶液浇铸于100~500μm厚的平板底膜上；（3）将它浸于适宜的非溶剂中，对大部分高分子而言，这种非溶剂是水或水溶液。已制成的复合膜中，常用聚砜作多孔支撑，因其化学性能稳定，机械性能良好。现在也有用其他高分子化合物，如聚丙烯腈偏氟乙烯等。也试用无机物，如石英玻璃和硅酸盐类作多孔支撑。无机膜的一般分离因子小，但渗透率高，且可耐高温。最初的复合膜是浇铸的纤维素稀溶液浮于水表面，待溶剂蒸发后，将薄膜取出放在底膜上。这种技术不适合大规模生产。一般是直接将选择性的膜层原料溶液浇铸于多孔底膜上。现在有用等离子体聚合法和相际共聚法等新进展。工业上常用的膜组件形式主要有五种：板框式、螺旋卷式、圆管式、毛细管式和中室纤维式。前两者使用平板膜，后三者均使用管式膜。后三种膜组件的差别主要在于所使用的管式膜的规格不同。其大致直径范围为：圆管式＞10mm；毛细管式=0.5～10.0mm；中空纤维式＜0.5mm。板框式是膜分离中最早出现的一种膜组件形式，外形类似于普通的板框式压滤机。它是按隔板、膜、支撑板、膜的顺序多层交替重叠压紧，组装在一起制成的。板框式膜组件的优点是；制造组装简单，操作方便，膜的维护、清洗、更换比较容易。缺点是：密封较复杂，压力损失较大，袋填密度较小（＜400㎡／m³）。目前其应用的领域为UF、MF、RO、PV、ED。螺旋卷式膜组件是用平板膜密封成信封状膜袋，在两个膜袋之间衬以网状间隔材料，然后紧密的卷绕在一恨多孔管上而形成膜卷，再装入圆柱状压力容器中，构成膜组件。料液从一端进入组件，沿轴向流动，在驱动力的作用下，透过物沿径向渗透通过膜到中心管导出。螺旋卷式膜组件的优点是：结构简卑。造价低廉，装填密度较高（＜1000m2／m³），有进料分隔板。物料交换效果好。缺点是：透过液流动路径较长，难以清洗，膜必须是可以焊接或粘贴的。目前其应用的领域力RO、PV、NF、GP。管式膜组件是由圆管式的膜和膜酌支撑体构成。管式膜组件有内压型和外压型两种运行方式。实际中多采用内压型，即进水从管内流入，透过液从管外流出。管式膜直径在6～24mm之间。管式膜组件的优点是：料液可以控制湍流流动，对堵塞不敏感，易于清洗，膜组件中压力损失小。其缺点是：装填密度小（＜100㎡／m³）。其适用领域为MF、UF、RO。毛纫管式膜组件是由直径为0.5～6mm的膜管构成的，具有一定的承压性能，所以不用支撑管。膜管一般平行排列井在端头用环氧树脂等材料封装起来。毛细管式膜组件的运行方式有两种：料液流经管外，透过液从毛细管内流出和料液流经毛细管内，透过液从管外排走。毛细管式膜组件的特点是装填密度较大（600~I200㎡／m3）。制造费用低，但抗压强度较小，料液一般为层流，抗污染性较差。其应用领域为UF、GP、DL、PV。中空纤维膜组件和毛细管式膜组件的形式相同，只是中空纤维的外径较细，为40～250μm，内径为25～42μm。其耐压强度很高，在高压下不发生形变。中空纤维膜组件的优点是：装填密度可以很高（达16000~30000㎡/m³），单位膜面积的制造费用相对较低，所以可以采用物理化学稳定性能好、透水率低的尼龙中空纤维膜，寿命可达5年。膜的耐压性能高，不需要支撑材料。其缺点是：对堵塞很敏感，污染和浓差极化对膜的分离性能产生很大的影响，但是通过改变流动方式可以对污染和浓差极化加以改善。（1）膜通量和膜的过滤方式膜通量是单位时间单位膜面积上通过的物质的量。在水处理中膜通量的单位是m3·m-2·s-l或者L·m-2·h-l。在膜分离过程中，影响膜通量的主要因素有：膜的阻力单位膜面积上的驱动压力膜表面的水动力学状况膜污染和其清洗情况（2）膜的分离性能参数膜过滤过程中通常希望膜具有良好的机械性能、高的膜通量和高的选择性。而后两个要求实际上是相互矛盾的。因为高的选择性通常只能通过较小的孔径获得，而较小的孔径必然引起较大的水力阻力和较低的膜通量。膜通量与膜的开孔率成正比。孔隙率越大越好。膜的阻力还与膜的厚度成正比。再者，较宽的孔径分布范围必然使膜的选择柱变差。因此膜的最理想的物理结构是厚度薄、孔径范围窄并且表面孔隙率高。表征膜的分离性能的参数主要有两个。一个参数是各种物质透过膜的速率的比值。即分离因素，通常用截留率来表示。它的大小表示了该体系分离的难易程度。截留率有表观截留率和本征截留率之分。表观截留率本征截留率式中Cb为溶质在膜的料液侧的主体溶液中的浓度；Cm为溶质在料液侧的膜表面上的浓度；Cp表示溶质在渗透产物侧的浓度。另一个参数是物质透过膜的速率，或称膜通量，即单位面积膜上单位时问内透过的渗透物的量。其定义义式为：式中J表示膜的通量；m³·m-2·s-1;V表示透过液的体积，m3；S表示膜的有效面积，㎡；t是运行时间，s。（3）膜工艺中的物质传递膜分离必须通过力的作用才能发生。膜分离的推动力可以是膜两侧的压力差、电位差或浓度差。力可以是自然力，也可以是加载上去的。在膜生物反应器工艺中最重要的传质现象是对流和扩散。对流是由料液运动引起的，其流动方式或流态取决于运动速度。流速高时呈紊流状态，低时呈层流状态。一般来讲，流动速度越高，膜通量越大．因此通常希望增加膜高压侧的紊流程度。扩散是由料液中的离子、原子或分子的热运动产生的，逾常称为布朗宁扩散。扩散的基本定律是Fick第一扩散定律，即扩散速率正比于浓度梯度与布朗宁扩散系数的积。颗粒越小，扩散速率越大。2.1膜生物反应器的组成和特点通常提到的膜生物反应器，实际上是三类反应器的总称，它们分别是：①膜—膜生物反应器（MABR）；②萃取膜生物反应器（EMBR）；③膜分离生物反应器（MBR）。能够高效地进行固液分离，分离效果远好于传统的沉淀池，出水水质良好，出水悬浮物和浊度接近于零，可直接回用，实现了污水资源化。膜的高效截流作用，使微生物完全截留在反应器内，实现了反应器水力停留时间（HRT）和污泥龄（STR）的完全分离，使运行控制更加灵活稳定。反应器内的微生物浓度高，耐冲击负荷。有利千增殖缓馒的硝化细菌的截留、生长和繁殖，系统硝化效率得以提高。通过运行方式的改变亦可有脱氮和除磷功能。泥龄长。膜分离使污水中的大分子难降解成分在体积有限的生物反应器内有足够的停留时间，大大提高了难降解有机物的降解效率。反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行，可以实现基本无剩余污泥排放。系统采用PLC控制，可实现全程自动化控制。占地面积小，工艺设备集中。MBR的能耗比常规活性污泥法（0～0.5kW·h／m3）高。高能耗的原因首先是因为MBR过程必须保待一定的膜驱动压力。其次是MBR中MLSS非常高，水中氧的传质效果住往很差，所以MBR工艺采用加大曝气量的方式来玫善这一状况，因而造成能耗偏高。再者污染使膜通量迅速降低，必须增大流速，冲刷膜面，减轻膜污染以维持所需要的膜通量。MBR的能耗主耍来自供水泵、循环泵、渗透水抽吸泵和曝气系统。浸没式MBR通过反应器中的气体运动来实现所需的错流速度，通过高干膜的水位来实现所需的压力。而外置式是通过一个大的水泵来实现微生物循环，满足所需的高压和流速的。因此浸役式比外置式总能耗要低。现有的诚市污水处理厂的更新升级。特别是出水水质难以达标或处理流量剧增而占地面积无法扩大的情况。应用于无排水管网系统的地区，如小居民点、度假区、旅游风景区等。应用于有污水回用需求的地区或场所，如宾馆、洗车业、客机、流动公厕等充分发挥膜生物反应器占地面积小、设备紧凑、自动控制、灵活方便的特点。应用于高浓度、有毒、难降解工业污水的处理。MBR在技术上的优势决定它可以对常规方法难以处理的污水进行有效的处理，并目出水可以回用。垃圾填埋渗滤液的处埋及回用。在小规模的污水处理厂（站）的应用。膜技术的价格问题决定它目前比较适于小规模污水的处理。（1）膜生物反应器在生活污水及其回用处理中的应用Kubota膜生物反应器工艺及其城市污水处理实例Kubota平板式淹没膜生物反应器最早运用于日本，在此工艺中，膜组件浸没于曝气池中。同所有膜生物反应器一样。Kubota工艺可在较高的污泥浓度下运行，一般MLSS在15000～20000mg/L范围内，标准的Kubota装置包括两部分，上部为150个插入玻璃纤维加强塑料外壳的平板膜，平板膜之间有约7mm的距离。Kubota装置的下部在匹配的外壳内安装了粗气泡扩散器，气泡和活性污泥可以在上部的平板膜之间流动。下部空气扩散器释放出的气泡使污泥产生一个通过膜表面向上的错流（流速为0.5m/s，这股错流减少了膜污染，并使处理水可以在较低压力下通过膜过滤至出水收集管路，每块膜板包括固态丙烯腈丁二烯苯乙烯支撑板和超声波焊接法焊接的平板膜．并在二者之问有隔离层。每块膜板的膜面积为0.82，膜孔径为4μm。在正常的运行中，处理永通过膜单无，透过通量取决于膜单元的水头（一般在1~1.5m），而膜单元的数量取决于所要求的最大流率，因此透过通量决定了本力停留时间。通常污水在进入Kubota装置之前应该先经过格栅和2~3mm的筛网。如果要求脱氮，还应有缺氧区和相应的从好氧反应器回流至缺氧区的回流系统。典型的Kubota膜生物反应器流程如下图所示。Porlock是英国北Somerset诲岸的一个约有4000人的村庄，Kubota污水处理装置即建在从该村庄和周围山上能够俯视到较低的地方，出水排人近诲滨的海水中，由于要求所建污水厂和围环境融合为一体，因此处迎袋置应具有高效紧凑的特点。该污水厂是在经过中试试验后建成的，于1998年2月开始运行。污水厂最大处理规模为1900m3／d，共有24个Kubota膜单元．分别安装于4个好氧反应器中。处理水依靠重力流流经各反应器。由于潮永储存的需要，处理后的污水需用水泵提升至潮水池中，如下图所示。在运行的前14个月，出水水质很好，类似于中试试验的结果，如表所示。一般最终出水的BOD不超过5mg／L，并且不受进水BOD变化的影响；细菌的平均去除率为6log，其中肠道病毒和大肠杆菌