膜技术用于水处理

膜分离技术及其在水处理中的应用内容膜技术概述膜分离装置MBR及设计方法相关研究热点1.膜技术概述1.1基本概念膜，是指在一种流体相内或是在两种流体相之间有一层薄的凝聚相，它把流体相分隔为互不相通的两部分，并能使这两部分之间产生传质作用。

膜的特性：不管膜多薄，它必须有两个界面。这两个界面分别于两侧的流体相接触。膜传质有选择性，它可以使流体相中的一种或几种物质透过，而不允许其他物质透过。水处理中膜的分类电渗析离子交换膜反渗透其他膜分离类型纳滤超滤微滤

各种分离膜的特征分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质，如颗粒、分子、离子等。或者说，物质的分离是通过膜的选择性透过实现的。几种主要的膜分离过程及其传递机理如表2所示。表2几种主要分离膜的分离过程膜过程推动力传递机理透过物截留物膜类型微滤压力差颗粒大小形状水、溶剂溶解物悬浮物颗粒纤维多孔膜超滤压力差分子特性大小形状水、溶剂小分子胶体和超过截留分子量的分子非对称性膜纳滤压力差离子大小及电荷水、一价离子、多价离子有机物复合膜反渗透压力差溶剂的扩散传递水、溶剂溶质、盐非对称性膜复合膜膜过程推动力传递机理透过物截留物膜类型渗析浓度差溶质的扩散传递低分子量物、离子大分子物非对称性膜电渗析电位差电解质离子的选择传递电解质离子非电解质，大分子物质离子交换膜气体分离压力差气体和蒸汽的扩散渗透气体或蒸汽难渗透性气体或蒸汽均相膜、复合膜，非对称膜渗透蒸发压力差选择传递易渗溶质或溶剂难渗透性溶质或溶剂均相膜、复合膜，非对称膜液膜分离浓度差反应促进和扩散传递杂质待分离物乳状液膜、支撑液膜续上表电渗析运行时可能发生的过程RO、NF、UF、MF的区别项目 RONFUFMF孔径(nm) 0.3-0.71-21-10050-10000截留粒径 >0.06nm>1.0nm2.0-100nm>100nm 运行压力(Bar)8-693.5-201-70.5-0.7能截留的物质盐分% 98-99.620-9000病毒 完全完全部分不能细菌 完全完全较完全部分自来水水质主要特点自来水大肠杆菌、细菌、CODcr、BOD5、SS、色度含量水样指标 原水含量处理后含量生活饮用水卫生标准

大肠杆菌(个/L) 700-1600 ~0 <3细菌(cfu/ml) 100-4000 1~40 <100CODcr(mg/l) 3-16 1.5 <6BOD5(mg/l) <5 <1 <4SS(mg/l) 20-40 1.2-2.0 <3.0色度(度) 5-30 <5 <15分析：自来水如果消毒不严，则可能会含少量细菌及相对较多的病毒；如果消毒严格，则会含较多余氯。微生物分类及其个体大小微生物按个体大小分为9类：名称 个体大小 病名酵母菌 5-150m霉菌 2-10m 螺旋体 5-10m 梅毒/回归热细菌

0.5-5m 痢疾等支原体 0.2-0.25m 胸膜炎/肺炎立克次氏体 0.1-0.2m 斑疹伤寒/羌虫热衣原体 0.1-0.2m 砂眼/结膜炎病毒

0.05-0.1m 流感/噬菌体/HIV亚病毒(DNA/RNA) 0.015-0.03m 疯牛病/Kuru病NF、RO、UF、MF的孔径比较UFNFRO肿瘤病毒15nm50nm1nmNF－制造饮用水的最佳选择自来水地表水中水井水RONF高纯水纯净水直饮水唉!寡淡无味喔噻!真好喝分析：由纳滤NF制得的直饮水，因其口感好，富含人体所需的营养元素而倍受国内外亲睐。膜材料

用作分离膜的材料包括天然的与人工合成的有机高分子材料和无机材料。

原则上讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料均可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业化膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要求，如分离效率、分离速度等。此外，也取决于膜的制备技术。

目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。

1.纤维素酯类膜材料

纤维素是由几千个椅式构型的葡萄糖基通过1,4-β-甙链连接起来的天然线性高分子化合物，其结构式为：

从结构上看，每个葡萄糖单元上有三个羟基。在催化剂（如硫酸、高氯酸或氧化锌）存在下，能与冰醋酸、醋酸酐进行酯化反应，得到二醋酸纤维素或三醋酸纤维素。

C6H7O2+(CH3CO)2O＝C6H7O2(OCOCH3)2+H2OC6H7O2+3(CH3CO)2O＝C6H7O2(OCOCH3)3+2CH2COOH

醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。醋酸纤维素性能稳定，但在高温和酸、碱存在下易发生水解。纤维素醋类材料易受微生物侵蚀，pH值适应范围较窄，不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂。因此发展了非纤维素酯类（合成高分子类）膜。醋酸纤维素膜醋酸纤维素膜的结构示意图99％表皮层孔径

0.0008~0.001m过渡层孔径

0.02m多孔层孔径

0.1～0.4

m1%显微镜下膜的照片显微镜下中空纤维膜膜丝结构图2.非纤维素酯类膜材料

常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物。

聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定性，强度也很高，pH值适应范围为1～13，最高使用温度达120℃，抗氧化性和抗氯性都十分优良。因此已成为重要的膜材料之一。

早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙-4、尼龙-66等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水的分离率在80％～90％之间，但透水率很低，仅0.076ml/cm2·h。以后发展了芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜，pH适用范围为3～11，分离率可达99.5％（对盐水），透水速率为0.6ml/cm2·h。长期使用稳定性好。由于酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离氯有较高要求。

聚酰亚胺具有很好的热稳定性和耐有机溶剂能力，因此是一类较好的膜材料。例如，下列结构的聚酰亚胺膜对分离氢气有很高的效率。

离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离子交换树脂相同，离子交换膜也可分为强酸型阳离子膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴离子膜等。在淡化海水的应用中，主要使用的是强酸型阳离子交换膜。

磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的两种离子聚合物膜。

用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。常见材料的最高允许使用温度

名称温度（℃）CA（CelluloseAcetate）

聚酰胺聚苯并咪唑聚苯并咪唑酮磺化聚苯醚磺化聚砜聚醚砜酮3535907070120160无机膜多以金属及其氧化物、多孔玻璃、陶瓷为材料。从结构上可分为致密膜、多孔膜和复合非对称修正膜三种。

膜的制备1.分离膜制备工艺类型膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样的材料，由于不同的制作工艺和控制条件，其性能差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优良性能分离膜的重要保证。目前，国内外的制膜方法很多，其中最实用的是相转化法（流涎法和纺丝法）和复合膜化法。2.相转化制膜工艺

相转化是指将均质的制膜液通过溶剂的挥发或向溶液加入非溶剂或加热制膜液，使液相转变为固相的过程。相转化制膜工艺中最重要的方法是L—S型制膜法。它是由加拿大人劳勃（S.

Leob）和索里拉金（S.Sourirajan）发明的，并首先用于制造醋酸纤维素膜。

将制膜材料用溶剂形成均相制膜液，在模具中流涎成薄层，然后控制温度和湿度，使溶液缓缓蒸发，经过相转化就形成了由液相转化为固相的膜，其工艺框图可表示如下：聚合物溶剂添加剂均质制膜液流涎法制成平板型、圆管型；纺丝法制成中空纤维蒸出部分溶剂凝固液浸渍水洗后处理非对称膜图2L-S法制备分离膜工艺流程3.复合制膜工艺

由L-S法制的膜，起分离作用的仅是接触空气的极薄一层，称为表面致密层。它的厚度约0.25～1m

，相当于总厚度的1/100左右。理论研究表明可知，膜的透过速率与膜的厚度成反比。而用L-S法制备表面层小于0.1m的膜极为困难。为此，发展了复合制膜工艺，其方框图如图3所示。多孔支持膜涂覆交联加热形成超薄膜亲水性高分子溶液的涂覆复合膜形成超薄膜的溶液交联剂图3复合制膜工艺流程框图膜的保存

分离膜的保存对其性能极为重要。主要应防止微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形。

微生物的破坏主要发生在醋酸纤维素膜；

水解和冷冻破坏则对任何膜都可能发生。温度、pH值不适当和水中游离氧的存在均会造成膜的水解。冷冻会使膜膨胀而破坏膜的结构。2.膜分离装置平板膜（板框式）卷式膜（螺旋卷式）管式膜毛细管膜中空纤维膜MEMBRANEMODULESPlate-and-framemodulePLATE-AND-FRAMEMODULEThenumberofsetsneededforagivenmembraneareafurnishedwithsealingringandtwoendplatesthenbuildsuptoaplate-and-framestackPlate-and-framemoduleAdvantagesHighallowableworkpressure(highviscosityliquids)EasytocleanEasytoreplacemembranesDisadvantagesLowmembraneareapervolume(100-400m2/m3)MEMBRANEMODULESSpiral-woundmoduleMEMBRANEMODULESTubularmoduleTUBULARMODULESTubularmoduleSchematicdrawingoftubularmoduleCrosssectionofmonolithicceramicmoduleThefeedsolutionalwaysflowsthroughthecentreofthetubeswhilethepermeateflowsthroughsupportingtubeintothemodulehousing.管式膜TubularmoduleAdvantagesResistanceforfoulingEasytocleaningDisadvantagesLowpackingdensity(300m2/m3)ExpensiveReverseosmosis,ultrafiltrationMEMBRANEMODULESCapillarymoduleMEMBRANEMODULESHollow-fibermoduleCapillarymoduleCapillarymoduleconsistsofalargenumbersofcapillariesassembledtogetherinamodule.Thefreeendsofthecapillariesarepottedagentssuchasepoxyresins,polyurethans.CAPILLARYMODULEThechoicebetweenthetwoconceptsismainlybasedontheapplicationwheretheparameterssuchapressure,pressuredrop,typeofmembraneavailableetc.areimportant.Dependingontheconceptchosen,asymmetriccapillariesareusedwiththeirskinontheoutsideorinside.Twotypesofmodulearrangementscanbe

distinguisedHOLLOW-FIBERMODULEThedifference–dimmensionsofthetubes,butmoduleconceptsarethesame.Thehollow-fibermodule–highestpackingdensity30000m2/m3.Aperforatedcentralpipeislocatedinthecenterofthemodulethroughwhichthefeedsolutionenters.Hollow-fibermoduleAdvantageoustousethe‘inside-out’typetoavoidincreaseinpermeatepressurewithinthefibersandit’sthinselectivetop-layerisbetterprotected,whereasahighermembraneareacanbe

achievedwiththe‘outside-in’concept.Hollow-fibermoduleAdvantagesHighpackingdensity500-9000m2/m3LowrelativecostsDisadvantagesPoorresistanceoffoulingDifficulttocleanDifficulttochangethemembraneMicrofiltration,ultrafiltration,reverseosmosis,pervaporation,liquidmembranesandthemembranecofactorswheretheboundarylayerresistancemaybecomeveryimportantaswell.Comparisonofmoduleconfigurations陶瓷膜膜组件3.膜生物反应器（Membranebioreactor,MBR）及设计

膜生物反应器是用膜分离（微滤、超滤）代替二沉池进行固液分离的污水处理装置，为膜分离技术与活性污泥法的有机结合。具有出水水质好、容积负荷高、剩余污泥量少等优点。颇具发展前景的一种工艺。出水去消毒剩余污泥膜生物反应器a.一体式（内置浸没式）进水出水去消毒剩余污泥膜生物反应器b.分置式（外置式）进水截留物回流膜组件膜组件一体式膜生物反应器中空纤维膜（常用于一体式膜生物反应器）膜组件另一种中空纤维膜膜过滤的基础理论通透量理论：一种基于粒子悬浊液在毛细管内流动的毛细管理论。水通量（Jw）和截留率（R）：W—透水量，A—膜的有效面积，t—时间c1—料液中溶质浓度，c2—透过液中溶质浓度膜分离基本原理一体式MBR设计方法原水条件一体式MBR设计方法原水条件

消泡剂一体式MBR设计方法预处理一体式MBR设计方法活性污泥条件MLSS浓度5000~12000mg/L污泥粘度30mPa·s以下水温15~35℃一体式（浸没式）膜组件构成

上一页下一页返回一体式膜的技术参数表序号名称特性参数1材质聚氯乙烯2膜孔直径0.4μm3过滤方式重力过滤/吸引过滤4最大过滤压力重力过滤：12kPa/吸引过滤：20kPa5耐化学药品性耐酸耐碱性强（pH值2~12）6膜支架尺寸(510型）宽×高×厚：490mm×1000mm×6mm7膜支架有效面积0.8m2/张8膜通量0.4~0.8m3/m2.d上一页下一页返回膜组件参数表说明：ES、AS、FF主要区别在于膜组件的散气框架高度有所不同。AS和FF型分别适用于大型市政排水处理和地埋式小型净化槽，ES型多用于生活污水、中水、工业废水，是常用的膜组件类型。膜组件类型膜组件支架张数(n)（张/组）膜组件有效面积（m2/组）ES(AS、FF)757560ES(AS、FF)10010080ES(AS、FF)175150120ES(AS、FF)200200160上一页下一页返回一体式膜的选型设计

膜通量(η)的确定

膜通量：单位时间内通过单位膜面积的水量（单位：m3/m2.d）膜通量的选择与污泥过滤性能、污水水质以及运行的环境条件有关，一般情况下为：

0.4～0.8m3/m2.d（参考：原水CODcr、BOD5浓度较低，可生化性强时,如洗浴废水,可取高限,反之，原水CODcr、BOD5浓度较高，可生化性较差时，如工业废水,取低限。）上一页下一页返回膜片张数（n）计算

1.设计流量:Qd(m3/d)2.每天运行时间:t（h）

(通常按每天24小时运行计算)3.

膜通量：η(m3/m2

·d)4.

膜片有效面积:0.8m2/张5.膜片张数:n=Qd÷t/24÷η÷0.8(张)返回上一页下一页膜组件选型

1.同一膜生物反映器内应选同型号的膜组件,膜组件分为AS型、FF型、ES型三种.

AS形适用于大型市政排水处理

FF型适用于地埋式小型污水处理

ES型适用于生活污水、工业废水，是常用膜组件,尤其推荐作为中水回用处理工艺。上一页下一页返回一体式MBR设计方法槽内膜组件配置旋回流一体式MBR设计方法槽内膜组件配置平面布局XXYY＞0.35X＞0.35X＞0.35X＞0.35X＞0.35Y＞0.35Y＞0.35Y＞0.35Y一体式MBR设计方法槽内膜组件配置断面布局膜组件平面尺寸注:①.膜组件间隔:1000-1300㎜②.膜组件中心与池壁距离650mm

型号长(㎜)宽(㎜)高(㎜)ES7514805102000ES10018305102000ES15021805102000ES20028005102000上一页下一页返回不同膜组件单排布置时池宽要求膜组件型号池宽(㎜)ES751800~2000ES1002300~2500ES1503300~3800ES2004300~4500上一页下一页返回膜生物反应器(MBR)池容积计算1、按所选膜组件确定MBR池容积平面面积首先按液中膜组件的安装要求来确定平面尺寸.池深设计可根据下图选择合适的池深。ES型膜组件可适应2.50-3.00m水深，当鼓风机压力允许情况下，可加大有效水深，对膜组件无影响。水面以上设0.5-1.0m保护高度.上一页下一页返回池深设计上一页下一页返回按BOD5容积负荷计算(MBR)池容积当膜生物反应器用来处理生活污水,特别是杂排水时,BOD5容积负荷(NV)取

1.0-1.5kgBOD5/m3·d。池有效容积V=Qd·S0／NV(m3)平面尺寸可按膜组件安装要求确定。山东恩特水处理科技有限公司上一页下一页返回比较两种算法最终确定(MBR)池容积设计尺寸取上述两种算法中的较大值，如按BOD5容积负荷计算出的池容积大于按所选膜组件需要的池容积时,可设前置曝气池。上一页下一页返回比较两种空气量确定最终空气量比较按膜组件保持良好工作环境所需要的空气量与按生物处理需要的空气量,取较大值.上一页下一页返回膜生物反应池设计实例

某住宅小区欲将生活污水进行处理作再生水回用,处理水量为1000m3/d,其BOD5含量为200mg/l，处理后出水的BOD5为≤10mg/l。1.膜通量η取0.4m3/m2.d

2.膜片数计算(按每天24小时运行计算)n=Qd÷η÷24/24÷0.8=1000÷0.4÷1÷0.8=3125张

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3.膜组件选型ES200

n0=200

N=n÷n0=3125÷200≈16组

4.膜装置分为两系列：8组膜装置为一系列.

5.膜生物反应器池有效容积计算:A.

按膜组件安装尺寸计算

ES200平面布置尺寸为：4.3×8.3m,

池深为3.0m

膜生物反应器有效容积:

V=4.3×8.3×3.0m×2=214m3

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取BOD5容积负荷NV为1.0kg/(m3.d)

WBOD5=Qd×S0×10-3=1000×200×10-3

=200kg.BOD5/dV=WBOD5÷NV=200÷1.0=200m3

由于根据BOD5容积负荷算出的池有效容积小于膜平面布置所得的池容积，故MBR池容积及尺寸按膜组件安装尺寸确定。B.按BOD5容积负荷计算上一页下一页返回膜生物反应器池体平面布置如下：

上一页下一页返回鼓风量的计算：

A.

膜装置洗净所需空气：每张膜洗净所需空气量q=12L/minMBR所需鼓风量G=N×n0×q=3200×12

=38.4m3/min上一页下一页返回B.生物处理所需空气量：需氧量OD=aLr+bSa=aQd(S0-Se)+bVXf

MBR池内污泥浓度取X=12000mg/l

由实际运行装置获得f=0.8，b值取0.12

OD=0.5(200-10)×10-3×1000

＋0.12×214×12×0.8=95+246.5=341.5kg.O2/d所需空气量:

G=OD/0.277e=341.5/0.277×0.03=41100m3/d=28.55m3/min上一页下一页返回

由于生物氧化所需空气量小于膜洗净所需空气量，鼓风机的选择应以膜洗净所需空气量为依据，可选送风量为40m3/min左右的风机或总风量相同的数台风机并联运行。风口的压力以池深为依据，本例池深为3.0m，考虑到风管的阻力降，可取风压P=3500mm水柱的风机。上一页下一页返回其他运行管理方面其他运行管理方面的注意内容见PDF文件1或PDF文件2膜污染（Membranefouling）

Polarisation（极化）

phenomenaarereversibleprocesses,butinpractise,acontinuousdeclineinfluxcanoftenbeobserved.Fluxasafunctionoftime.BothconcentrationpolarizationandfoulingcanbedistinguishedMembranefoulingThe(ir)reversibledepositionofretainedparticles,colloids,emulsions（乳化液）,suspensions,macromolecules,saltsetc.onorinthemembrane.Theincludesadsorption,poreblocking,precipitationandcakeformation.Occursinmicrofiltrationandultrafiltration.Pressuredrivenprocesses,typeofseparationandthetypeofmembraneusedtodeterminetheextentoffouling.Depends:concentration,temperature,pH,ionicstrenght,specificinteractions(hydrogenbonding,dipole-dipoleinteractions)MethodstoreducefoulingPretreatmentofthefeedsolution-heattreatment-pHadjustment-additionofcomplexingagents(EDTA(络合物)etc.)-adsorptionontoactivecarbon-chemicalclarification-premicrofiltration-preultrafiltrationMembranepropertiesModule&processconditionsCleaning

-hydrauliccleaning(back-flushing)-mechanicalcleaning-chemicalcleaning-electriccleaningMembranefoulingFluxversustimebehaviourinagivenmicrofiltrationprocesswithandwithoutback-flushingAlternatepressuringanddepressuringandbychangingtheflowdirectionatagivenfrequency.Afteragivenperiodoftime,thefeedpressureisreleasedandthedirectionofthepermeatereversedfromthepermeatesidetothefeedsideinordertoremovethefoulinglayerwithinthemembraneoratthemembranesurface.平均水通量及允许每年水通量衰减率水源SDI水通量，gal/(ft2d)水通量衰减率，%/a地表水2~58~147.3~9.9井水＜214~184.4~7.3反渗透产品水＜120~302.3~4.4卷式反渗透元件对进水水质的要求

项目膜类型悬浮物含量，mg/L淤塞密度指数SDIpH值化学需氧量，mg/L(KMnO4法，以O2计）游离氯含量，mg/L(以Cl2计）铁含量，mg/L(以Fe计）醋酸纤维膜＜0.3＜45.0~6.0＜1.50.2~1＜0.05复合膜＜1＜53~11＜1.5＜0.1＜0.05纳滤膜处理系统设计/运行几点考虑预处理方案方案一方案二方案三在线混凝MMFMMFCFSDI<4CMFCFSDI<3在线混凝MMFGACCF方案四絮凝澄清MMFCF方案五国产