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第三节超滤,如何区分浸没式膜过滤与加压式膜

发布时间:2019-11-26 15:53编辑:化学科学浏览(89)

    在水处理的膜技术中,常规的中空纤维微超滤膜,在应用过程中,为了控制液体的流动方向,并提供过滤动力,通常需要外界力量,例如加压泵进行加压。

    第三节超滤

    膜处理技术作为一项新型的高效分离技术,因其工艺简单、操作方便、设备紧凑、分离效果好、经济性高,进年来在水处理、环保、医药、食品、化工等领域得到快速应用。在解决水资源缺乏的问题上,膜处理技术起到了非常重要的作用。在水与废水循环回用方面,膜的特殊作用显得十分重要,尤其在水供应缺乏的地区,更引起了人们的广泛关注。

    微滤、超滤、纳滤、反渗透均属于外力驱动型膜处理技术。目前,在几种主要的膜分离技术中,以超滤和反渗透的应用最为广泛。

    加压式膜过滤

    一、基本原理

    超滤过程是以膜两侧压差为驱动力、以机械筛分为基础的溶液分离过程。超滤膜的孔径为0.005~1.0μm。比超滤膜孔径小的物质和溶解在水中的物质能作为透过液透过滤膜,不能透过滤膜的物质将被截留下来浓缩在排放液中。因此,产水(透过液)含有水、 离子和小分子物质,而胶体物质、颗粒、细菌、病毒和原生动物将被膜去除。膜分离过程为动态过滤过程,大分子溶质被膜阻隔,随浓缩液流出膜组件。膜不易被堵塞,可连续长期使用。超滤过程可在常温、低压下运行,无相态变化,高效节能。图2-4所示为超滤膜的基本原理。

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    要过滤的水由超滤给水泵加压后输送到膜组件中,由于膜内外的压差作用,水渗过滤膜,而水中杂质则被截留,无法透过滤膜。如果分离的杂质在膜上过多沉积,会导致难溶性盐聚集在膜表面形成覆盖层进而结垢。为了避免这一点,往往在分离过程中让杂质随一部分水作为浓缩液流出去。根据膜的类型和应用不同,这样的过程要持续进行或者在回流时进行。超滤同传统的净化方式如絮凝、沉淀以及砂滤比较,其过滤的水质稳定、设备管理比较简单,不会产生过滤残渣或絮凝污泥等废弃物。

    用于水处理行业的中空纤维微超滤膜中,内压式膜是水从中空纤维的内表面向外表面过滤,外压式膜是水从膜的外表面向内表面过滤。外压式由于驱动压力来源不同,分为外压正压式和外压负压式。微超滤膜也可分为压力式和浸没式两大类,压力式细分为内压和外压。

    二、超滤膜与超滤组件

    当超滤用于水处理时,其材质的化学稳定性和亲水性是两个最重要的性质。化学稳定性决定了材料在酸碱、氧化剂、微生物等作用下的寿命,还直接关系到清洗可以采取的方法;亲水性则决定了膜材料对水中有机污染物的吸附程度,影响膜的通量。超滤膜有各种类型和规格,可根据实际需要选用。

    1.超滤膜制备所需的化学材料

    制造超滤膜的材料有很多:但用于制造中空纤维式超滤膜的材料主要为成纤性能良好的高分子材料。对膜材料的要求是具有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性、耐酸碱性、抗微生物侵蚀性和抗氧化性,并且具有良好的亲水性,以得到较高的水通量和抗污染能力。目前:常用的中空纤维式超滤膜材料有聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PFS)、聚砜(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PF)、聚丙烯腈(PAN)、聚丙烯(PP)等。性能优良的聚偏氟乙烯和聚醚砜是日前最广泛使用的超滤膜材料。

    2.超滤膜组件的结构

    超滤膜一般可分为板框式(板式)、卷式、管式、中空纤维式等多种结构。

    板式超滤膜是最原始的一种膜结构,主要用于大颗粒物质的分离,由于其占地面积大,能耗高, 逐步被市场所淘汰。

    卷式膜组件也被称作螺旋卷式膜组件,由于其所用的膜易于大规模工业化生产,制备的 组件也易于工业化,所以获得了广泛的应用,涵盖了反渗透、纳滤、超滤、微滤四种膜分离过程,并在反渗透、纳滤领域有着最高的使用率。

    管式超滤膜能较大范围地耐悬浮固体和纤维、蛋白等物质,对料液的前处理要求低,对料液可以进行高倍浓缩,但设备的投资费用高,占地面积大。

    在众多的膜组件结构形式中,目前以中空纤维式超滤膜为主,组件的结构需要考虑尽量提高膜的填充密度,增加单位体积的产水量,尽量减小浓差极化的影响,便于清洗,制造成本低。

    目前中空纤维式超滤膜以其不可比拟的优势成为超滤的最主要形式。根据致密层位置的不同,中空纤维式超滤膜又可分为内压膜、外压膜两种,如图2-5所示。外压中空纤滤膜是将原液经压差沿维式超径向由外向内渗透过中空纤维成为透过液,而其截留的物质则汇在中空纤维的外部。该膜进水流道在膜丝之间,膜丝存在一定的自由活动空间,因而更适合原水水质较差、悬浮物含量较高的情况。内压中空纤维式超滤膜中的原液进人中空纤维的内部,经压差驱动,沿径向由内向外透过中空纤维成为透过液,浓缩液则留在中空纤维的内部,由另一端流出。该膜进水流道是中空纤维的内腔,为防止堵塞,对进水的颗粒粒径和含量都有较严格的要求,因而适合于原水水质较好的工况。

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    3.超滤膜组件的截留性能

    ⑴对微粒的截留。利用超滤通常可以将滤液的浑浊度降到0.1NTU以下。在原水浊度不稳定的情况下:使用超滤比较合适。与传统的净化过程相比,超滤可以非常容易地实现自动化。

    ⑵对有机质的截留。有机质包括微粒、胶体和能溶于水的有机物质。由于超滤对不同类型的有机质的截留能力不同,因此其净化效率就取决于水中有机质的成分组成。与传统的方式相比,用超滤的方法既不必考虑沉淀作用,又不必注意凝固物的可过滤性,因为超滤的净化效率与凝固物的形状和密度无关。根据是否絮凝与原水的水质不同,超滤对有机质的截留率为40%~60%。

    全球以生产外压式为主的厂家有:旭化成,Zenon,Memcor,三菱、东丽、浙江欧美、天津膜天膜、东洋环境等。但许多外压式膜厂家同样也生产其它材质的内压式膜。生产内压式为主的厂家主要有Koch, Norit, 海德能、Membrana, Inge等。

    三、超滤系统的运行与维护

    超滤系统的运行有 全流过滤和错流过滤两种模式,全流过滤时 · 进水全部透过膜表面成为产水;而错流过滤时、一部分进水透过膜表面成为产水、另二部分则带杂质排出成为浓水。全流过滤能耗低、操作压力低,因而运行成本更低;错流过滤则能处理悬浮物含量更高的流体。当超滤的滤液通量较低时、超滤膜的过滤负荷低,膜面形成的污染物容易被清除,因而长期滤液通量稳定;当滤液通量较高时,超滤膜发生不可恢复的污堵的倾向增大,清洗液的恢复率下降 · 不利于长期保持滤液通量的稳定。

    (一)过滤模式

    1.全流过滤模式

    一般当原水中悬浮物和胶体含量较低(如SS<5、浊度<5NTU)时采用。原水以较低的错流流速进入膜管,浓水则以一定比例从膜管另一端排出。产水在膜管过滤液侧产出,水回收率通常是90%~99%,这由原水水质决定,和循环模式相比、全流过滤模式的操作成本较低,但水回收率和系统的出水能力可能会受限制。这种模式通常需要定期快冲和反冲来维持系统出力、当污物积累到一定程度时 · 就需要通过化学清洗来进行处理。

    2.错流过滤模式

    原水中悬浮物含量较高及在大多数非水应用领域,需要通过减少回收率来保持膜管内部的高流速、这样就会产生大量的废水。为了避免浪费,排出的浓水会被重新加压回流到膜管内。这样,虽然降低了膜管的回收率,但对于整个系统,回收率仍然很高。在这种模式下,进水连续地在膜表面循环,高速的循环水阻止了微粒在膜表面的堆积、并增加了滤液通量。因为较少的进水成为产水,为了一获得相同的产率,错流过滤模式的能耗就比全流过滤模式的大。

    (二)超滤膜的运行

    超滤膜运行前应按以下步序进行检查和启动工作:

    ⑴进水水质检查。重点是检查进水浊度,当浊度在系统限定值范围内时、方可运行超滤设备,其次是检查水中余氯含量及pH值。

    ⑵系统检查。按工艺路线图,检查设备及连接是否正确,同时检查阀门的开启状态是否正确。对于手动操作的系统要特别注意,开机时进水阀不能全开、浓水阀和产水阀应全开以避免开机时压力过大,造成对超滤膜的冲击 · 从而损坏设备。

    ⑶仪表的检查。检验各仪表是否正常,尤其是压力表是否完好。

    ⑷启动。当做好开机前的准备工作后。可试启动系统,即打开电源,启动泵后,立即停止,检查泵的叶轮转向是否正确,泵的运转有无异常噪声。当确认泵正常后,方可正式启动泵,启动后,应检查接口、管线有无渗漏,在自控程序运转的第一个周期内,应检验阀门的启闭是否正常,各种仪表运转是否正常。

    ⑸运行。设备运行时,应定时检查仪表是否正常,泵有无异常噪声,产水水质是否符合要求,尤其要注意压力表和产水流量,当出现异常时,应立即停机检査。一般全自动控制设计时,均考虑了系统的自我保护,若出现异常,系统会自动停运并报警。设备运行过程中,应按设计要求做好设备监控和记录工作;按设计要求定期对设备进行清洗、灭菌和消毒;应定期对设备进行排气或检查自动排气阀的工作状态。

    ⑹停机。①先降低系统压力和跨膜压差,然后停机。②当停机时间不超过7天时,可每天对设备进行20~60min(时间以一个过滤、顺冲、反洗、顺冲周期为准)的保护性运行,以使新鲜的水置换出设备内的存水。③当设备长期停用时,应先对设备进行彻底的清洗和消毒,然后将膜保护剂和抑菌剂注入设备中,封闭好设备所有接口,以保持膜的湿润,防止设备内滋生细菌和藻类。

    (三)超滤膜的污染

    膜污染是指料液中的颗粒、胶体或溶质大分子通过物理吸附、化学作用或机械截留等作用在膜的表面吸附、沉积造成膜孔堵塞,使膜发生透过通量与分离特性明显变化的过程。超滤过程中膜的吸附现象被认为是造成膜污染的关健,吸附污染与膜、溶剂和溶质三者的相互作用有关。由于膜组分的化学性质、结构不同、因此产生吸附作用的机理也不同、一般可分为静电作用、疏水作用等。

    (四)超滤系统的清洗

    在超滤过程中,由于分离物质及其他杂质在膜表面会逐渐积聚,对膜造成污染和堵塞,因此膜的清洗是超滤系统中不可缺少的操作过程,膜的有效清洗是延长膜使用寿命的重要手段。超滤膜常用的清洗方法主要有物理清洗和化学清洗两大类,超滤系统的清洗包括水的正洗和反洗、气洗、化学清洗等。其中,水的正洗和反洗可以清除膜表面的滤饼层;而气法则利用气的强烈湍流,更有效地清除膜表面的污染层;化学清洗则通过化学反应宋清除胶体、有机物、无机盐等在超滤膜表面和内部进水形成的污堵。

    (五)超滤系统反洗

    超滤反洗用水为超滤产水,因为反洗水带进的悬浮物将会集聚在支撑结构内而随后不断释放出颗粒、细菌和TOC等,所以原水不适宜作反洗用水。

    随着超滤膜组件的长期使用,水中的杂质会沉积到膜上,使膜的分离性能逐渐受到影响。因此,在运行中当超滤膜的产水量下降20%以上或使用1~4个月时,需要对超滤进进行化学清洗,以便及时去除超滤膜上的污染物,防止超滤膜形成顽固性结垢 · 及时恢复膜的性能。

    化学清洗分为酸性溶液清洗和碱性溶液清洗。当进水中硬度较高或金属离子(如铁离子)的含量超过设计标准,从而对膜的进水侧造成无机物污染时 · 需采用酸性溶液对超滤装置进行清洗。对于生物污染的超滤膜,需采用碱性溶液对超滤膜装置进行清洗。清洗时应注意以下几点:

    ⑴所有清洗剂都必须从超滤系统的进水侧进人组件,以防止清洗剂中可能存在的杂质从致密过滤层的背面进人膜丝壁的内部。

    ⑵超滤系统进行化学清洗前都先进行彻底的反洗。

    ⑶超滤系统的整个化学清洗过程需要2~4h;如果污堵严重,需要浸泡12h以上。

    ⑷清洗后,超滤系统停机时间如果超过三天,则必须按照长时间关闭的要求对超滤系进行保养维护。

    ⑸清洗液必须使用超滤产水或者更优质的水配制。

    ⑹清洗剂在循环进膜组件前必须去除其中可能存在的污染物

    ⑺清洗液温度一般可控制在10~40℃,提高清洗液温度能够提高清洗的效率。

    ⑻必要时,可采用多种清洗剂清洗,但清洗剂和杀菌剂不能对膜和组件材料造成损伤。每次清洗后,应排尽清洗剂,用超滤或反渗透产水将系统冲洗干净,才可再用另一种清洗剂清洗。

    对反渗透膜的化学清洗不能太频繁,以防止膜元件造成不可逆的损伤。

    内压式与外压式的区别如下:

    外压式基本都采用聚偏氟乙烯膜材质,内压式膜基本采用聚砜PS、聚醚砜PES为基础的膜材质。众所周知,PVDF抗氧化性能力及机械强度远比PS、PES等材质强,是国际微超滤膜的趋势;

    由于中空纤维内径较小,一般都在1mm上下,所以内压式膜处理污染程度较高的源水,容易发生内径堵塞。因此内压式膜处理高污染水质经常会有运行问题,尤其是MBR项目。在全球的浸没式MBR中,基本都是采用外压式MBR膜,而且趋势采用PVDF膜;

    由于内径较小易堵塞,所以内压式膜的运行膜通量较低;内压式膜对自清洗过滤器的要求比外压式高;

    外压式膜一般采用空气辅助擦洗,内压式膜一般只采用水反洗,比气水联合清洗效果差,反洗水量也大;

    PVDF膜材质本身比PS、PES的亲水性稍差,但绝大多数PVDF膜厂家都对其PVDF膜进行过亲水性处理;

    此外,绝大多数外压式膜和内压式膜都是不对称单皮层膜结构,生产工艺为湿法,目前也有厂家如旭化成、东洋环境等采用热法工艺及海绵状均一膜结构,因此膜的破损率最低,安全性最高。

    浸没式膜过滤与加压式膜过滤的对比

    “浸没式膜过滤工艺是超低压中空纤维膜技术与连续膜过滤技术相结合而派生出来的一种新型的膜过滤处理工艺。

    它使用开放式中空纤维膜组件,将膜直接置于充满待处理水的膜池之中,通过泵的负压抽吸和大气压力,使水透过膜表面,从中空纤维膜内侧抽出,达到过滤净化的目的。

    浸没式优点是可以直接过滤高浓度悬浮物而不需要复杂预处理(如可高达200NTU以上)。如MBR就是浸没式超滤膜的一种特殊应用,直接过滤悬浮物高达10000mg/L的污泥;但压力式尤其是内压式则对进水水质要求较高。

    选择压力式和浸没式的一般标准是:当原水COD连续大于60mg/L, 浊度连续大于20NTU时,最好选用浸没式或者通过混凝沉淀后选择压力式;

    低跨膜压差,且可借助水外压,浸没式超滤运行能耗低;

    系统的占地面积非常小(直接浸入到需要处理的水中,为现有给水厂的改造提供了条件,可以将膜安装到现有的澄清池、滤池或其他水池中);

    产水水质接近压力式膜组件,优于传统水处理。

    浸没式前一般不需要混凝沉淀和多介质过滤,工艺较简单,并且浸没式系统的占地也较小,此外浸没式的系统管道设备成本比压力式低。

    对比数据:

    压力式回收率92-95%,浸没式回收率90-92%。

    澳门微尼斯人娱乐,运行费用低。压力式吨水电耗为0.2度,浸没式为0.1度。

    以5万吨膜系统水厂为例,压力式占地面积为24m×8m;若设计成浸没式工艺,水罐和水泵等设备不变,占地面积仅需要18m×6m。

    作为广泛应用的两种膜过滤形式,浸没式和加压式膜过滤的主要特点见表

    由上表可以看出,两种形式的超滤在构造形式、驱动力、通量选择、投资与运行维护、建设周期、土建工程等多方面都存在着差异。总的来说,由于浸没式超滤对预处理的要求较低、耐冲击负荷能力强,因此应用于污染较严重的水质处理和规模较大工程时,更具优势。

    浸没式膜过滤的应用

    国内应用浸没式膜过滤处理饮用水的实例相对较少,主要用于现有水厂的升级改造项目、中水回用中的应用、双膜法的预处理。

    浸没式膜过滤不仅出水水质稳定、对浊度和两虫的去除效果显著,而且对预处理的要求较低、抗冲击负荷能力更强,在市政污水和工业废水回收利用、地表水和地下水处理、海水淡化预处理、现有水厂升级改造等诸多领域,将会发挥更大的作用。

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