浸没式膜组件结构设计及其应用.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：朱阂i 罚 签字日期： 训缈年1 月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些盔堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：券l 目f 日 导师签名： 签字日期：w ，印年l 月7 曰 签字日期：年月日 学位论文的主要创新点 i i i i i iil uliiii l l l li i i ii i i iiiii y 2 5 18 4 8 6 一、本论文设计了一种新型的浸没式膜组件，通过对其外部构型，填充密度进行 优化设计，最终得到处理水量大，抗污染能力强的新型浸没式组件。 二、由于目前的浸没式膜过滤主要应用于进水水质较好的条件下，对高浊度进水 环境条件下的膜工艺还较少有研究，本论文使用新型的浸没式组件对浙江舟山海 域的高浊度海水进行处理研究，为浸没式膜过滤用于海水预处理提供有效的数 据。 三、由于对膜污染起重要作用的影响因素都是相互关联的，为了得出最佳的运行 参数，往往需要耗费大量的时间与财力，且优化过程较长时，外界条件变化较大， 因此本论文主要采用正交试验对浸没式膜过滤的工艺参数的影响显著性进行分 析，并对工艺参数的具体值进行优化，最大可能地减少外界环境变化对实验造成 的误差。 摘要 浸没式膜过滤因预处理要求简单，产水水质优良，能耗低，回收率高，占地 面积小等优点，成为水处理中的关键技术。目前国际上主要的浸没式膜组件构型 为帘式与平板式，尽管越来越多的膜制造商相继开发出了不同的浸没式膜组件， 但在膜组件的构型上与应用上仍有很多不足，尤其在对高浊度污水的处理方面， 需要经过进一步的研究实现。本论文主要采用中试规模的实验装置，对新型的浸 没式膜组件进行优化设计，并为之提供科学具体的工艺参数。 对无外壳、外壳上下两端开孔与外壳镂空三种外部构型的浸没式超滤膜组件 进行试验研究，通过运行过程中膜污染情况与产水水质的分析比较，得出上下两 端开孔的膜组件设计对膜污染的抵抗作用及对膜丝的保护作用最好且产水水质 优良。在膜组件构型确定之后，对膜组件的填充密度4 4m ? 支、5 5m ? 支与 6 6m 2 支进行优化比较，通过运行过程中的膜通量变化，膜通量衰减率变化、 产水量及产水水质的比较得出，膜组件最优的填充密度为5 5m 2 支。 为考察新型浸没式超滤膜组件膜污染的影响因素，对其运行参数抽停比、曝 气量、膜通量与反洗水量进行正交试验，由方差分析可得，曝气量和抽停比对膜 污染具有极为显著地影响作用，反洗水量对膜污染具有显著影响，所设定的膜通 量对膜污染无显著影响，最优的工艺参数为曝气量4 0n m 3 h ，抽停比1 6 2m i n ， 反洗水量为产水量的8 0 ，膜通量5 5l m h 。膜组件在最优的条件下可以稳定运 行3 4d ，之后需要进行在线化学清洗。 关键词：浸没式超滤：组件构型；填充密度；工艺参数； a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e so fs i m p l ep r e t r e a t m e n t ，e x c e l l e n to u t l e tw a t e rq u a l i t y , l o we n e r g yc o n s u m p t i o n , h i g hr e c o v e r y , s m a l lc o v e r i n ga r e aa n ds oo n , t h es u b m e r g e d m e m b r a n ef i l t r a t i o nh a sb e e nt oa l lp o p u l a rt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fw a t e rt r e a t m e n t a tp r e s e n tt h em a i ns t r u c t u r eo fs u b m e r g e dm e m b r a n em o d u l ea r ec u r t a i n - t y p e da n d p l a t e - t y p e di nt h ei n t e r n a t i o n a l ，a l t h o u g hm o r ea n dm o r em e m b r a n em a k e r sh a v e d e v e l o p e ds e r i e ss u b m e r g e dm e m b r a n em o d u l e sw h i c h c a nm e td i f f e r e n tr e q u i r e m e n t s ， t h e r ea r es o m ed e f i c i e n c i e si nt h es t r u c t u r ea n da p p l i c a t i o n , e s p e c i a l l yi nt r e a t i n gt h e h i g ht u r b i d i t ys e w a g e ，s oi t n e e df u r t h e rr e s e a r c h t h i sp a p e rt a k i n gap i l o ts c a l e e x p e r i m e n t a lf a c i l i t y t o o p t i m i z et h e n e ws u b m e r g e dm e m b r a n em o d u l e ，t h e n p r o v i d i n gt h es c i e n c ea n ds p e c i f i cp a r a m e t e r s t h o u g hc o m p a r i n gt h em e m b r a n ef o u l i n ga n d o u t l e tw a t e rq u a l i t yt oo p t i m i z e t h et h r e et y p e so fs u b m e r g e dm e m b r a n em o d u l et h a ta r en os h e l l ，s h e l lh a v i n gp o r e s o nb o t he n d s 。s h e l lh a sb e e nh 0 1 l o w e d o u t t h er e s u l ts h o w st h es t r u c t u r eo fs h e l l h a v i n gp o r e so nb o t h e n d s h a sa d v a n t a g e so nr e s i s t i n gm e m b r a n ef o u l i n ga n d p r o t e c t i n gt h em e m b r a n es i l k ，m o r e o v e rt h eo u t l e tw a t e rq u a l i t yi s e x c e l l e n t a f t e r c o n f i r m i n gt h es t r u c t u r eo fm e m b r a n em o d u l e ，t h ep a c k i n gd e n s i t yo f 4 4m 2 m o u d l e 5 5m 2 m o d u l ea n d6 6m 2 m o u d l ea r ef o l l o w i n gt oo p t i m i z e ，b yc o m p a r i n gt h e v a r i a t i o no fm e m b r a n ef l u x a t t e n u a t i o nr a t i oo fm e m b r a n ef l u x ，w a t e ry i e l da n do u t l e t w a t e rq u a l i t y , t h es u i t a b l ep a c k i n gd e n s i t yi s5 5m 2 m o u d l e i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c ef a c t o r sf o rm e m b r a n ef o u l i n gi nt h en e w s u b m e r g e dm e m b r a n em o d u l e ，o r t h o g o n a lt e s th a sb e e nu s e dt or e s e a r c ht h ep r o c e s s p a r a m e t e r ss u c ha so n o f fr a t i o ! a e r a t i o nr a t e ，m e m b r a n ef l u xa n db a c k f l u s h i n gf l o w f r o mt h er e s u l to ft h ev a r i a n c ea n a l y s i s ，a e r a t i o nr a t ea n dt h eo n o f fr a t i oh a v ea s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nm e m b r a n ef o u l i n g ，a n dt h eb a c k f l u s h i n gf l o wh a sas l i g h t i n f l u e n c eb u tt h es e tm e m b r a n ef l u xh a sn o ti n f l u e n c eo nt h em e m b r a n ef o u l i n gi nt h e f o u rf a c t o r s t h eo p t i m a lp a r a m e t e r sa r ea e r a t i o nr a t e4 0n m 3 h ，o n o f fr a t i o 16 2m i n b a c k f l u s h i n gf l o ww h i c hi s8 0 o fw a t e ry i e l da n dm e m b r a n ef l u x 5 5l m h t h em o d u l ec a n r u ns m o o t h l yi nt h eo p t i m u mc o n d i t i o nf o r3 - 4d a y s ，t h e n n e e dac h e m i c a le n h a n c e db a c k w a s h k e yw o r d s ：s u b m e r g e dm e m b r a n ef i l t r a t i o n , m o d u l es t r u c t u r e ，p a c k i n gd e n s i t y ， p r o c e s sp a r a m e t e r s 目录 第一章文献综述1 1 1 超滤技术简介1 1 1 1 超滤膜分离技术1 1 1 2 超滤膜技术的发展与应用1 1 2 膜污染简介2 1 2 1 膜污染2 1 2 2 膜污染的影响因素3 1 2 3 膜污染的控制方法3 1 3 超滤膜组件4 1 3 1 超滤膜组件分类及特点4 1 3 2 浸没式超滤6 1 3 3 浸没式超滤膜组件的发展与应用。一8 1 4 膜组件结构对浸没式膜过滤影响作用一9 1 4 1 气冲模型9 1 4 2 气提式循环模型9 1 4 3 浸没式膜组件的发展1 0 1 5 装填密度对浸没式膜组件的影响作用1 1 1 6 操作条件对浸没式膜过滤的影响1 2 1 6 1 温度1 2 1 6 2 浊度1 3 1 6 3 操作压力1 3 1 6 4 排泥周期1 4 1 6 5 曝气1 4 1 6 6 气洗和水力反冲洗1 5 1 6 7 水质预处理1 5 1 6 8 运行方式1 5 1 6 9 膜通量1 6 1 7 选题意义与研究内容1 6 1 7 1 研究目的与意义1 6 1 7 2 研究内容1 7 第二章实验概况1 9 2 1 实验材料及工艺流程1 9 2 1 1 实验装置材料1 9 2 1 2 实验常用药品材料2 2 2 2 试验原水水质2 2 2 2 1 原水水质情况2 2 2 2 2 原水水质分析方法2 3 2 3 实验流程2 3 2 3 1 实验取水2 3 2 3 2 实验工艺流程2 4 2 4 实验研究方法2 5 2 4 1 膜污染表征2 5 2 4 2 正交试验2 5 2 4 浸没式超滤评价分析2 6 2 4 1 跨膜压差与膜通量2 6 2 4 2 膜清洗的指标2 7 第三章浸没式超滤膜组件结构设计2 9 3 1 膜组件设计的基本原则要求2 9 3 2 实验方案3 0 3 2 1 实验运行方式3 0 3 2 2 实验研究方法3 0 3 2 3 实验设计的浸没式膜组件3l 3 3 膜组件构型优化3 2 3 3 1 不同构型膜组件在高低进水浊度条件下的运行比较3 2 3 3 2 三种构型膜组件在高浊度条件下连续运行的比较3 5 3 3 3 进水浊度与产水浊度分析3 6 3 4 浸没式超滤膜膜组件装填密度优化3 6 3 4 1 三种装填密度膜组件在不同曝气量条件下运行情况比较3 7 3 4 2 三种装填密度膜组件的通量的衰减率4 0 3 4 32 0 0 0n t u 高浊度环境下不同装填密度的运行情况4 2 3 4 4 不同曝气量条件下三种填充密度膜组件总产水量比较4 3 3 4 5 产水浊度分析4 4 3 5 本章小结4 5 第四章浸没式超滤膜组件的工艺参数优化4 7 4 1 实验膜组件4 7 4 1 1 浸没式膜组件改进4 7 4 1 2 实验设备的改进4 8 4 1 3 膜组件运行的工艺参数4 8 4 2 试验方法4 9 4 2 1 正交试验设计4 9 4 2 2 试验运行方法4 9 4 3 实验结果与分析5 0 4 3 1 正交试验结果与分析5 0 4 3 2 因素水平分析5 3 4 3 3 优化条件下的重复性试验5 4 4 3 4 进水浊度与产水浊度分析5 5 4 3 5 产水水质分析5 5 4 4 本章小结5 6 第五章结论5 7 参考文献5 9 发表论文和参加科研情况说明6 5 致 射6 7 第一章文献综述 1 1 超滤技术简介 1 1 1 超滤膜分离技术 第一章文献综述 超滤( u l t r a f i l t r a t i o n , u f ) 是一种将溶液进行净化和分离的膜分离技术。超滤 膜系统是以超滤膜为过滤介质，以膜两侧的压力差为驱动力的溶液分离装置。超 滤膜只允许溶液中的溶剂( 如水分子) 、无机盐及小分子有机物透过，而将溶液中 的悬浮物、胶体、蛋白质和微生物等大分子物质截留，从而达到净化和分离溶液 的目的【l l 。 超滤过程有如下特点： ( 1 ) 超滤过程无相际变化，可以在常温及低压条件下进行分离，能耗低，约为 蒸发法与冷冻法的1 2 1 5 ； ( 2 ) 设备体积小，结构简单，投资费用低，易于实施： ( 3 ) 工艺流程简单，易于操作管理： ( 4 ) 溶液的分离、浓缩过程在常温下进行，适合于热敏性溶液的处理； ( 5 ) 适合对稀溶液中微量贵重大分子物质的回收和低浓度大分子物质的回收； ( 6 ) 能将不同分子量的物质分级分离。 1 1 2 超滤膜技术的发展与应用 我国对超滤技术的研究较国外要晚1 0 年左右，7 0 年代中期起步，8 0 年代大 发展，9 0 年代获得广泛应用，仅仅3 0 年的发展时间，超滤技术已获得了非常显 著的社会、经济和环境效益【1 4 】。 超滤自7 0 年代进入工业化应用后发展迅速，已成为应用领域最广的技术。 超滤最初被应用于化工和医药行业，现已广泛应用于食品、医药、工业废水处理、 高纯水制备及生物技术工业。城市污水处理及其它工业废水处理领域都将是超滤 未来的发展方向。从全球范围超滤膜的应用领域分布大致如下： 1 饮用水( 自来水) 6 0 ； 2 大工业水处理1 8 ： 3 中水、污水、废水处理回用1 5 ； 4 食品、饮料、医药、电子、纺织、印染、造纸等及其他轻工业7 。 天津工业大学硕士学位论文 在工业废水处理方面：1 9 8 6 年中国科学院生态环境中心用超滤法处理含油 污水，在o 1m p a 的压力6 0 1 2 0l m h 的水通量情况下，可把含2 0 0 1 0 0 0m g l 的原油水处理达到环境排放标准。1 9 9 4 年北京印钞厂使用超滤设备处理印钞擦 版废水迄今运转良好。自6 0 年代超滤引入汽车涂装工艺后，欧美几乎所有的涂 漆生产线都安装有超滤装置。膜技术在水处理方面的应用大约占膜市场的9 0 ， 另外1 0 的膜用于过程工业上的分离。 在制备饮用水方面【5 】：超滤自2 0 世纪8 0 年代开始用于饮用水处理，近年来， 超滤在水厂中的应用越来越广泛且处理规模也越来越大，处理规模已达到 2 0 1 0 4m 3 d ，总处理量超过8 0 0 x1 0 4 m 3 d 。国外方面，北美地区已有2 5 0 多座 超滤水厂；英国有1 0 0 多家超滤水厂；美国1x1 0 4 r n 3 d 以上的水厂已有4 2 座； 新加坡建成一期规模为2 7 5 1 0 4m 3 d 的大型水厂；日本的超滤膜产水能力已接 近4 0 0 x1 0 4 m 3 d ：国内的超滤水厂主要以中小型为主。 超滤技术在海水淡化预处理方面的应用【6 j ：由于海水盐度、硬度、总固溶物 及其他杂质的含量均较高，且每天的海水水质也在不断变化，对污染轻微的海水 一般可采用砂滤作为预处理手段，但其过滤精度低，只在1 1 t m 左右，出水受进 水水质影响大，而超滤膜由于孔径较小，最大为o 1 m 能有效去除海水中的藻类、 细菌及其它杂质，保证了反渗透对进水的要求，因此当海水水质波动较大，污染 严重时，需要采用膜法进行前处理。目前越来越多的海水淡化项目使用超滤作为 预处理技术，具有代表性的技术工程有，美国的h y d r a n a u t i c su f r o 系统淡化墨 西哥湾海水、中东除盐造水研究中心采用h y d r a n a u t i c su f r o 系统淡化红海和 地中海海水，都较传统的处理方法更简单可靠。 膜分离技术的研究还在进一步的深入，徐菡等r 7 】对超微滤过程的研究方法进 行了分析，为进行超滤机理研究及膜组件优化提供了条件；国内外的研究者也通 过采用胶团强化过滤( u f ) 、聚合物过滤( p f ) 等技术对超滤过程进行强化以 去除一般超滤不能去除的污染物；另外也有通过超声波强化超滤技术、超滤膜改 性技术等减少膜污染和浓差极化现象瞵j 。 新世纪随着法规标准的日益严格，水价的日趋上涨，不断促使着膜材料朝着 低成本，高性能的方面发展，膜技术的日臻成熟与完善，使得膜法水处理技术在 理论与应用上都越来越为大众所认可接受。 1 2 膜污染简介 1 2 1 膜污染 膜污染9 1 是指处理液中的微粒、胶体粒子或溶质大分子有机物等，由于与膜 第一章文献综述 发生物理化学相互作用或机械作用，而在膜表面和膜孔内吸附、沉淀，造成膜孔 径变小或堵塞，使水通过膜的阻力增大即t m p 升高或膜通量不可逆下降。 浓差极化是指在膜分离过程中，由于膜的筛分作用，水及小分子物质在压力 驱动下透过膜，大分子溶质被膜所阻拦并逐渐在膜表面积累，随着膜表面被截留 组分浓度的升高，高出主体溶液中的浓度，而在膜表面的边界层便形成了浓度差， 并造成膜表面截留溶质向着主体溶液反向扩散的现象。随着过滤时间的延长，浓 差极化层将不断扩大，最终在膜表面形成凝胶层致使流体阻力明显增加，膜通量 急剧下降【10 | 。因此，膜污染包括由堵塞引起的污染，吸附污染，也包括浓差极化 形成的凝胶层。 膜污染开始于膜与待处理液接触的过程，不仅溶质与膜之间会发生相互作用 溶质与溶质之间也会发生交错作用，导致膜的一些特性发生改变。许多研究者将 膜污染过程分为三个阶段 1 2 - 1 5 】：第一个阶段是小于膜孔径的颗粒物质被吸附于膜 孔内：第二个阶段是与膜孔径相近的颗粒物质将膜孔堵塞；第三个阶段是颗粒物 质在膜表面沉积形成滤饼层。膜通量下降、跨膜压力升高即为膜被污染的标志。 1 2 2 膜污染的影响因素 膜污染的成因可以归结为滤饼层污染和吸附性污染，前者源于浓差极化现象 等水利因素引起的截留组分在膜表面的富集、沉积、凝聚甚至结块等，是宏观的 现象：后者是源于膜表面的分子集团与透过液分子之间的吸附作用，它属于微观 的分子层次的现象。滤饼层引起的膜污染和膜清洗方法都可以建立在临界流量的 理论假设上，而吸附性膜污染的成因和防治对策需要精确的表征微观的相互作用 与宏观的吸附之间的关系，因此研究膜污染需要从膜本身的性质，如膜材质、膜 的亲疏水性、表面粗糙度等；系统的运行条件，如过滤方式、曝气强度、操作压 力等；进水水质，如进水中是否经过预处理，进水中有机物含量等，这三个方面 是对膜污染影响最为根本的方面。 1 2 3 膜污染的控制方法 为延缓膜污染，提高系统处理能力， 主要包括【1 6 乏o 】：( 1 ) 选择合适的膜材料： 降低运行费用，目前控制膜污染的方法 ( 2 ) 采用合适的膜组件；( 3 ) 对原水进 行预处理：( 4 ) 优化运行条件( 此部分具体见1 6 ) 。但是上述控制方法主要是在 一定程度上延长了膜的清洗周期，因此必须定期对膜进行清洗，清洗可以较为彻 底的去除膜污染，膜清洗方式主要有物理清洗、化学清洗和生物清洗三类。 物理清洗一般不会改变污染物的分子结构，也不能大幅度的改变膜表面和污 染物之间的相互作用，所以它主要适用于滤饼层污染的情形。利用高速水流或汽 天津工业大学硕士学位论文 水混合流冲洗膜表面的方法常见于浸没式工艺，利用高速水流的错流过滤和反冲 清洗则常见于外置式工艺。物理清洗的特点是：不会引入污染物，操作简单。包 括曝气清洗和水反冲洗。 化学清洗能够破坏污染物的分子结构或改变污染物与膜表面分子间的吸引 力，适合吸附性污染情况。它必须符合化学性质稳定，使用安全，价格低廉，容 易水洗，且不破坏膜的要求：缺点是有可能引入新的污染物。对于污染较轻的膜 组件可以用低浓度的氧化剂进行在线清洗，对于污染较重的膜组件需要加入酸碱 或氧化剂浸泡清洗。碱性清洗剂可以有效的去除蛋白质污染，破坏凝胶层，使其 从膜表面剥离下来，酸类清洗剂可以溶解并去除无机矿物质和盐类，溶出结合在 凝胶层和水垢层中的铜、镁等无机金属离子，将残存的凝胶层和水垢层从膜表面 彻底清洗干净，以恢复其通透能力。在线化学清洗可分为维护性清洗和恢复性清 洗。 生物清洗类似于化学清洗，但是清洗剂具有生物活性。优点是能有效的切断 蛋白质和有机污染物的分子链，清洗效果显著：其次酶是一种环境友好型清洗剂， 不会给工艺带来二次污染：再次不会破坏膜的微孔结构和膜表面的润湿性。 1 3 超滤膜组件 1 3 1 超滤膜组件分类及特点 1 , 2 2 - 2 4 】 超滤膜按结构不同分为板框式( 板式) 、中空纤维式、管式、卷式等多种结 构。其中中空纤维式由于其装填密度高：造价相对较低：寿命长；耐压性能好成 为超滤技术中最为广泛应用的一种形式。膜组件性能的比较如表1 1 所示。 第一章文献综述 表1 1 各种膜组件特点比较 表1 1 将各种膜组件的特点做了详细的比较，为了更直观的比较各组件在使用过 程的问题，特对其优缺点进行系统的概括总结，膜组件的优缺点比较结果如表 1 2 所示。 天津工业大学硕士学位论文 表1 2 膜组件优缺点比较 1 3 2 浸没式超滤 根据运行方式的不同，中空纤维滤膜又可分为外置式和浸没式，外置式超滤 膜包括内压式和外压式。外压式膜的进水流道位于膜丝外部，膜丝存在一定的自 由活动空间，因而更适合于原水水质较差、悬浮物含量较高的情况；内压式膜的 进水流道位于中空纤维的内腔，为防止堵塞，对进水的颗粒粒径和含量都有较严 格的限制，因而适合于原水水质较好的工况，两者的差别如表1 3 所示。 与传统的外置式膜过滤不同，浸没式超滤【2 5 】是将超滤膜直接浸没在处理液 中，通过虹吸作用或产水泵的负压抽吸作用将水由外向内抽吸出来从而实现固液 分离。因此浸没式膜过滤是在较低的负压状态下运行，可以实现低跨膜压差下适 宜膜通量的平稳运行，此外在过滤过程中，通过鼓风机在膜的底部鼓入空气，气 流在上升过程带动处理液在膜面形成湍流，不仅对中空纤维膜的外部表面产生擦 洗作用，清除膜表面上粘附的固体物质，而且减小了膜面的浓差极化，大大降低 了膜的堵塞和污染。该技术的整体能耗成本要低于外置式膜过滤，一般为 0 0 3 0 0 6k w h m 3 ，经常用在废水处理和水厂等领域。其特点主要有以下几方 面 2 6 - 3 5 1 ： 第一章文献综述 ( 1 ) 固液分离效率高。由于膜的高效截留作用，反应器中颗粒物、胶体、大分 子有机物以及细菌等均被截留于膜的进水侧； ( 2 ) 膜压差沿中空纤维膜长度方向均匀分布，在膜的进水一侧没有压降损失； ( 3 ) 预处理要求简单，抗污染力强： ( 4 ) 设备紧凑，占地面积小； ( 5 ) 适合于大规模水厂应用，单套系统产量可到4 0 0 0 0m 3 d 以上； ( 6 ) 能耗与运行成本低。 由于中空纤维膜组件的比表面积大，可使设备布置紧凑，浸没式膜组件又可 被直接浸入到需要处理的水中，或者安装到现有的澄清池、滤池或其它水池中， 显著减小了设备的占地面积，相比于同样的占地面积，其产水量可以比滤池提高 2 4 倍：采用虹吸或低压真空抽吸的方式，大大降低了能耗；该技术所需要的泵、 风机和阀门很少，在进水泵处使用配水渠将水输送到各个流程池中，从而减少了 水头损失，使得水以重力流形式流动，另外只需少量连接件及阀门，就可以安装 在土建或金属板池中，方便增容或旧厂改造。总之，对于大、中型给水厂的新建 或改造升级，浸没式膜系统显示了其独特的优势，是低压膜过滤技术的发展方向。 表1 3外置式膜系统与浸没式膜系统的比较 天津工业大学硕士学位论文 1 3 3 浸没式超滤膜组件的发展与应用 3 6 - 4 1 目前在污水处理领域应用最为广泛的膜生物反应器( m b r ) ，是浸没式膜组 件与活性污泥工艺相结合的处理技术。近年，在m b r 基础上发展了m c r ( 膜 化学絮凝反应器) ，在连续膜过滤( c m f ) 基础上发展了c m f s 和s - c m f 。这 些新技术的发展都与浸没式超滤膜组件的发展与应用密切相关。1 9 8 9 年日本学 者y a m a m o t o 掣4 2 】将中空纤维膜组件浸没于普通曝气池中直接进行固液分离，通 过抽吸获得出水，自此开始了浸没式m b r 的研究。1 9 8 0 年泽能( z e n o n ) 环境 公司成立，于9 0 年代初开发研制了z e n o ng e ms m b r 工艺，此项技术引导了膜 技术的重大转变，开启了研究浸没式膜过滤的新时代，1 9 9 3 年泽能公司引入了 首个浸没式z e e w e e d 中空纤维膜组件z w l 4 5 ，随后又有z w 5 0 0 、z w 5 0 0 b c d 膜组件的相继诞生。日本政府发起的“水再生计划”促进了久保田( k u b o t a ) 平 板式微滤膜组件s m b r 技术的开发，截至2 0 0 3 年5 月，k u b o t a 公司建成了世界 上第1 0 0 0 座浸没式m b r 污水处理厂。 我国将浸没式超滤应用于中水回用开始于2 0 0 3 年，其产水经过不同工艺的 进一步处理后已成功应用于火力发电厂的工业循环冷却水和锅炉补给水，浸没式 超滤处理系统用作城市污水的深度处理是国内外污水深度处理的先进工艺，它克 服了传统澄清池过滤方法的诸多弊病，如系统庞大，管理繁琐，占地面积大，系 统受进水水量、水质波动的影响，运行不稳定，出水水质不可靠等，在中水回用 方面已逐渐成为主流技术，将浸没式膜过滤技术用于海水淡化前处理也越来越受 到关注。 u s f i l t e r m e m c o r 公司拥有二十多年的膜系统研制开发历史，c m f s 是该公 司膜过滤技术的第四代产品，是该公司历经1 5 年低压过滤膜技术的研究、开发 及实际应用经验积累的基础之上推出的新型膜法水处理工艺。c m f s ( c o n t i n u o u s m i c r o f i l t r a t i o n - s u b m e r s e d ) 是m e m c o r 公司浸没式连续膜过滤系统的简称。该技术 是将新型的浸入式过滤方式与s i m e n e s m e m c o r 的连续膜过滤专项技术相结合所 派生的。c m f s 技术广泛应用于水处理领域，特别适用于污水回用深度处理领 域，能够取代传统水处理工艺的混凝、沉淀、过滤等过程，无需加药，利用o 1 m 的微孔能够截留0 1 u m 以上的悬浮颗粒，最后得到可直接回用或进入反渗透系统 的出水。 2 0 世纪9 0 年代后期出现了集成膜技术( i m s ) 即将超微滤技术作为反渗透 或者纳滤脱盐的预处理技术【4 3 4 4 1 ，i m s 系统可靠性高，对原水的水质变化相对不 敏感，操作费用低且均为商品化膜组件式装置，受到国际海水淡化界的广泛关注。 作为海水的预处理技术，浸没式超滤是近几年发展起来的膜法预处理技术，主要 用于海水反渗透( s w r o ) 的预处理过程，该过程克服了反渗透传统预处理工艺出 第一章文献综述 水水质不稳定、胶体和溶解有机物去除效果差以及使用多种化学试剂等诸多缺点 和不足，具有广阔的应用前景。 1 4 膜组件结构对浸没式膜过滤影响作用 1 4 1 气冲模型 在膜过滤或膜清洗的过程中，向混合液里注入一定量的气体用以防止颗粒 沉积或者浓差极化，这种技术叫做气冲技术( a i rs p a r g i n g ) 一引。近年来，许多研 究者通过采用不同的膜组件构型和过滤方式进行研究，试验结果都证实了气冲技 术是一种非常有效的改善膜过滤特性、控制膜污染的水动力学技术【4 6 4 7 1 。1 9 9 6 年，z f c u i 等【4 8 】在使用管式膜和中空纤维膜过滤牛血清蛋白和糊精时发现， 气冲技术对控制膜表面的浓差极化层非常有效，相比于单纯的错流过滤，膜通量 可最大提高3 倍。1 9 9 7 年，m m e r c i e 等【4 9 j 在使用陶瓷管式膜过滤膨润土悬浮 液时得出：采用气冲技术，当气液两相流在膜管内形成活塞流时，膜通量可以提 高3 倍。2 0 0 1 年，c c a b a s s u d 等【5 0 j 把气冲技术应用到中空纤维膜过滤过程中， 结果表明气冲技术对于处理污染趋势较为明显的水质有更好的效果，并对膜通量 有不同程度的提高。目前气冲技术在膜生物反应器( r ) 中研究较多，应用 也较为成熟。在m b r 中气冲理论的应用主要为气提模式( a i r 1 i f lm o d e ) 且p 在整 个过滤过程中都曝气和气喷模式( a i r - j e tm o d e ) 且p 在过滤过程中间歇曝气【5 1 】。 1 4 2 气提式循环模型 在气提式循环m b r 中，通过导流板的设置将反应器分为升流区和降流区， 示意图1 1 如下所以示 lm b r 反应器，2 膜组件，3 导流板，4 降流区，5 升流区，6 曝气管，7 项部过流通道， 8 底部过流通道 图1 1 气提式循环模型 9 天津工业大学硕士学位论文 由图1 1 可知，膜组件和曝气管位升流区，且曝气管位于膜组件的正下方， 当曝气开始时，升降流区间的混合液密度产生差别，在混合液密度差的推动作用 下，形成了升降流区间的循环流动。这种气水两相循环流动不但使整个反应器中 的液体混合均匀，而且促进了升流区内膜面的错流流速，成为控制膜污染的有效 方法。 1 4 3 浸没式膜组件的发展 浸没式膜组件的结构形式，目前广泛使用的有2 种类型：一种是以z e n o n 公 司为代表的中空纤维帘式膜组件：另一种是以k u b o t a 公司为代表的浸没平板型 膜组件。中空纤维帘式膜组件一般为双端浇铸，无外壳形式，产水方式有单端产 水与双端产水两种类型，底部设有曝气头，气泡自膜丝底部中央注入，膜组件的 装填密度大，可自支撑，结构简单，造价低，占地面积小，可反洗，但是在使用 过程中，膜丝间容易积泥，导致膜丝利用率不足；曝气过程中，气体外散，使得 气体的利用率不足；化学清洗过程，药剂的使用率低；膜丝易受到丝状物的缠绕， 且安装和运行过程，容易断裂。生产厂家有泽能、陶氏、科式、旭化成、美能、 西门子、三菱、膜天膜、碧水源等。平板膜组件的生产厂商主要有：久保田、东 丽、上海斯纳普等，它由滤膜、支撑板、框架构成，具有膜通量大、运行稳定、 易于组装、清洗方便等优点，但是装填密度小、占地面积大、需要解决密封等问 题。 由于中空纤维膜的特点，使得以中空纤维为膜元件的组件形式越来越多，目 前市场上具有代表性的膜组件构型有帘式、柱式、“u ”型、海藻式等。 帘式膜组件采用双端浇注，膜丝呈单片或双片排布，对于单片膜片的组件， 膜丝过于集中，装填密度高，膜片厚度大，曝气管安装在组件底部，组件不易清 洗，发生污泥淤积概率极高：对于双片膜片的组件，虽然在一定程度上降低了膜 丝装填密度与膜片厚度，但由于两个膜片间的通道是封闭的，故对污泥淤积的缓 解效果有限；另外曝气管安装在一支组件的两个膜片之间，曝气时气流直接冲刷 中空纤维膜丝表面，大大增加了膜丝破损断裂的风险，降低了组件的使用寿命。 柱式膜组件通常采用下端曝气上端产水的方法，利用膜丝的摆动效果和气泡 向上移动所产生的抖动效果来进行污泥淤积的防治，但下集水管积泥现象仍难以 解决。而且在使用过程中，由于曝气时气泡上升至组件上端后须通过膜丝向四周 排出，因此上端污泥不能顺利排出，经过长期运行，上端污泥淤积现象也会严重， 同时气泡上升至顶端后经膜丝排出，上端膜丝受到冲击，易导致膜丝疲劳损伤， 减少组件的使用寿命。 “u ”型帘式膜组件采用单端浇注，膜丝呈“u ”型排布，使用时一般浇铸端 第一章文献综述 在上，u 型端缠绕在曝气管上。对于该型组件，其膜丝长度是双端浇注组件两倍， 意味着在有膜丝发生破损的情况下，其膜面积减少量要远远大于双端浇铸组件， 从而降低组件的使用寿命；其次，该型组件“u ”型端没有任何保护，在制作及 使用过程中极易受力变为对膜丝损伤极大的“v ”型，进而增加膜丝破损断裂的 风险。 “海藻式“组件采用单端浇铸，另一端密封不固定，膜丝可片状或柱状排布， 使用时浇铸端在下，膜丝呈“海藻”状漂浮在待处理液中。“海藻式”组件由于 膜丝固定端在下方，为防止膜丝自身发生堆叠，多采用高硬度的膜丝制作以支撑 自身重量，而高硬度的膜丝柔韧性较差，在水中抖动效果不好，进而影响组件的 清洗效果；另外，“海藻”式组件使用时须为每支组件设置框架防止膜丝堆叠或 互相缠绕，既增加了生产、安装与施工的难度，又增加了成本。 上述构型的组件在使用过程中存在的问题可以概括如下：( 1 ) 膜丝表面以及 膜丝之间的污泥蓄积；( 2 ) 曝气过程中上端膜丝受到气泡冲击作用较大，易导致 膜丝疲劳损伤，减少组件的使用寿命；( 3 ) 由于曝气作用使得固定膜丝的树脂浇 铸层与组件外壳内壁之间结合不牢，容易脱胶：( 4 ) 导流管高度设置不尽合理， 膜丝下端灌胶时容易造成导流管污堵。 为了解决上述问题，越来越多的研究者开始进入浸没式膜组件构型的研发当 中，如一体式悬挂u 型膜组件的膜生物反应器( c n l 0 1 4 7 5 2 5 7 a ) ，其特点为将 粘结好的中空纤维膜组件对折成u 型进行安装，通过安装在下部的曝气装置产 生的气泡使u 型膜组件产生适度的摇摆，阻止污泥在膜丝间的蓄积。带有导气 孔的浸没式中空纤维膜组件( c n l 0 1 5 4 9 9 0 2 a ) 与上端通透的浸没式中空纤维膜 组件( c n 2 0 1 1 9 5 7 0 4 y ) ，其特点主要为减轻气泡对上端膜丝的冲击作用，避免膜 丝产生疲劳损伤，从而延长组件使用寿命，此外还能减轻上端膜丝的污染程度。 浸没式膜组件( c n 2 0 2 1 2 2 9 1 1 u ) ，对膜组件的构型进行了设计，使得膜组件的树 脂浇铸层与外壳之间的密封效果好，结合强度高，且灌胶时不易造成导流管的污 堵，使用过程中膜丝表面不易沉积污染物。浸没式中空纤维膜组件 ( c n 2 0 2 7 4 1 0 1 0 u ) 则主要提供了一种可以有效缓解污泥淤积，易清洗，明显降 低膜丝破损断裂风险，提高使用寿命的膜组件。可以预测不久之后会有更适用更 经济的浸没式膜组件被开发出来。 1 5 装填密度对浸没式膜组件的影响作用 对于中空纤维膜组件装填密度的定义，目前主要有两种方法。d o s h i 等【5 2 】 将膜组件的装填密度定义为单位体积膜组件内的膜面积，这一定义较适合于有外 天津工业大学硕士学位论文 壳的中空纤维膜组件( 柱式或筒式等) ，而对于无外壳的浸没式中空纤维膜组件， c h a n g 等 5 3 】将膜组件装填密度定义为膜组件单位垂直投影面积上容纳的纤维总 面积。 装填密度高是中空纤维膜的一大优势，装填密度高，膜的比表面积就大，膜 组件的空间利用率就足，产水量就大，为了实现膜组件的最大价值，提高膜组件 的经济性，人们希望膜