膜技术用于水处理ppt课件.ppt

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1、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

2、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,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 RO NF UF MF孔径(nm) 0.3-0.7 1-2 1-100 50-10000截留粒径 0.06nm 1.0nm 2.0-100nm 100nm运行压力(Bar) 8-69 3.5-20 1-7 0.5-0.7能截留的物质盐分% 98-99.6 20-90 0 0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

3、处理后含量 生活饮用水卫生标准 大肠杆菌 (个/L) 700-1600 03细菌 (cfu/ml) 100-4000140100CODcr(mg/l) 3-161.56BOD5(mg/l) 514SS (mg/l) 20-401.2-2.03.0色度 (度) 5-30515,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

4、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,UF,NF,RO,肿瘤病毒,15nm,50nm,1nm,NF制造饮用水的最佳选择,自来水,地表水,中水,井水,RO,NF,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

5、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-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

6、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 + H2O C6H7O2 + 3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)3 + 2 CH2COOH 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 0.00080.001m,过渡层孔径 0.02 m,多孔层孔径 0.10.4 m,1%,显微镜下

7、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113，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8090之间，但透水率很低，仅0.076 ml/cm2h。 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311，分离率可达99.5（对盐水），透水速率为0.6 ml/cm2h。长期使用

8、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

9、/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,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

10、制膜工艺中最重要的方法是LS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：,图2 L-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0.251 m ，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0.1 m的膜极为困难。为此，发展了复

11、合制膜工艺，其方框图如图3所示。,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,MEMBRANE MODULES,Plate-and-frame module,PLATE-AND-FRAME MODULE,The number of sets needed for a given me

12、mbrane area furnished with sealing ring and two end plates then builds up to a plate-and-framestack,Plate-and-frame module,AdvantagesHigh allowable work pressure (high viscosity liquids)Easy to cleanEasy to replace membranes,DisadvantagesLow membrane area per volume (100-400 m2/m3),MEMBRANE MODULES,

13、Spiral-wound module,MEMBRANE MODULES,Tubular module,TUBULAR MODULES,Tubular module,Schematic drawing of tubular module,Cross section of monolithic ceramic module,The feed solution always flows through the centre of the tubes while the permeate flows through supporting tube into the module housing .,

14、管式膜,Tubular module,AdvantagesResistance for foulingEasy to cleaning,DisadvantagesLow packing density (300m2/m3)Expensive,Reverse osmosis, ultrafiltration,MEMBRANE MODULES,Capillary module,MEMBRANE MODULES,Hollow-fiber module,Capillary module,Capillary module consists of a large numbers of capillarie

15、s assembled together in a module.The free ends of the capillaries are potted agents such as epoxy resins, polyurethans.,CAPILLARY MODULE,The choice between the two concepts is mainly based on the application where the parameters such a pressure, pressure drop, type of membrane available etc. are imp

16、ortant.Depending on the concept chosen, asymmetric capillaries are used with their skin on the outside or inside.,Two types of module arrangements can be distinguised,HOLLOW-FIBER MODULE,The difference dimmensions of the tubes, but module concepts are the same.The hollow-fiber module highest packing

17、 density 30000m2/m3.A perforated central pipe is located in the center of the module through which the feed solution enters.,Hollow-fiber module,Advantageous to use the inside-out type to avoid increase in permeate pressure within the fibers and its thin selective top-layer is better protected, wher

18、eas a higher membrane area can be achieved with the outside-in concept.,Hollow-fiber module,AdvantagesHigh packing density500-9000 m2/m3Low relative costs,DisadvantagesPoor resistance of foulingDifficult to cleanDifficult to change the membrane,Microfiltration, ultrafiltration, reverse osmosis, perv

19、aporation, liquid membranes and the membrane cofactors where the boundary layer resistance may become very important as well.,Comparison of module configurations,陶瓷膜膜组件,3.膜生物反应器（Membrane bioreactor, 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

20、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 50

21、0012000mg/L污泥粘度 30mPas以下水温 1535,一体式（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,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。,上一页,下一页,返回,一体式膜的选型设计,膜通量()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： 0.40.8 m3/m2.d（参考：原水CO

22、Dcr、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： (m3/ m2 d)4. 膜片有效面积 : 0.8 m2 /张5. 膜片张数: n= Qd t/240.8 (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

23、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,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:.膜组件间隔:1000-1300 .膜组件中心与池壁距离 650mm,上一页,下一页,返回,不同膜组件单排布置时池宽要求,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

24、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/m3d。池有效容积 V= Qd S0NV (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

25、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 取0.4 m3/m2.d 2. 膜片数计算(按每天24小时运行计算) n = Qd24/240.8 = 10000.410.8= 3125张,上一页,下一页,返回,3. 膜组件选型

26、ES200 n0=200,N=nn0=312520016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：4.38.3m, 池深为3.0m,膜生物反应器有效容积: V=4.38.33.0m2 =214 m3,上一页,下一页,返回,取BOD5容积负荷NV为1.0 kg/(m3.d) WBOD5 = QdS010-3 = 100020010-3 = 200 kg.BOD5/d V= WBOD5NV = 2001.0 = 200 m3,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

27、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 = Nn0q = 320012 = 38.4 m3 /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)10-31000 0.122141

28、20.8 = 95 + 246.5 = 341.5 kg.O2/d所需空气量: G = OD/0.277e = 341.5/0.2770.03 = 41100m3/d = 28.55 m3/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40 m3/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3.0 m， 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（M

29、embrane fouling）,Polarisation（极化） phenomena are reversible processes, but in practise, a continuous decline in flux can often be observed.,Flux as a function of time. Both concentration polarization and fouling can be distinguished,Membrane fouling,The (ir)reversible deposition of retained particles

30、, colloids, emulsions（乳化液）, suspensions, macromolecules, salts etc. on or in the membrane.The includes adsorption, pore blocking, precipitation and cake formation. Occurs in microfiltration and ultrafiltration.Pressure driven processes, type of separation and the type of membrane used to determine t

31、he extent of fouling.Depends:concentration,temperature,pH,ionic strenght,specific interactions (hydrogen bonding, dipole-dipole interactions),Methods to reduce fouling,Pretreatment of the feed solution - heat treatment - pH adjustment - addition of complexing agents (EDTA(络合物) etc.) - adsorption ont

32、o active carbon - chemical clarification - premicrofiltration - preultrafiltrationMembrane propertiesModule & process conditionsCleaning - hydraulic cleaning ( back-flushing ) - mechanical cleaning - chemical cleaning - electric cleaning,Membrane fouling,Flux versus time behaviour in a given microfi

33、ltration process with and without back-flushing,Alternate pressuring and depressuring and by changing the flow direction at a given frequency.After a given period of time, the feed pressure is released and the direction of the permeate reversed from the permeate side to the feed side in order to rem

34、ove the fouling layer within the membrane or at the membrane surface.,平均水通量及允许每年水通量衰减率,卷式反渗透元件对进水水质的要求,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,MMF,MMF,CF,SDI4,CMF,CF,SDI3,在线混凝,MMF,GAC,CF,方案四,絮凝,澄清,MMF,CF,方案五,国产UF,CF,MMF多介质过滤、GAC锰砂过滤、CF炭滤、CMF连续微滤、UF超滤,纳滤膜处理系统设计/运行几点考虑,消毒杀菌方案,1. 氧化性杀菌剂 + 还原剂Cl2/NaClO/

35、O3/H2O2/其他+ NaHSO3/GAC2. 非氧化性杀菌剂陶氏公司 DBNPA (50-170ppm, 3h/周)贝迪公司 881(400ppm, 30min/周)甲醛 (0.5-3.0%)其他兼容性药剂3. 氧化性杀菌剂 + 还原剂 + 非氧化性杀菌剂,纳滤膜处理系统设计/运行几点考虑,阻垢方案,一个合理的阻垢方案必须建立在完整的水质分析之上。垢的类型溶度积常数阻垢方案 阻垢剂经验极限*碳酸钙垢8.7X10-9加酸/阻垢剂/软化*LSI2.5硫酸钡垢*1.08X10-10加阻垢剂IP50Ksp硫酸钙垢6.1X10-5加阻垢剂IP2.0Ksp氟化钙垢3.95X10-11加阻垢剂IP100

36、Ksp硫酸锶垢2.81X10-7加阻垢剂IP50Ksp二氧化硅垢*加阻垢剂,1.* 具体某种阻垢剂的极限请参考其供应商的资料。2.* 加酸时，酸的类型和纯度都很重要。软化可能破坏水的口感。3.* 分享一个硫酸钡垢的经验。4.* 分享一个二氧化硅垢的经验。,纳滤膜处理系统设计/运行几点考虑,设计技巧,1.完整的水质全分析2.ROSA软件辅助设计 (可从网址www.F下载)3.根据进水水质的好坏，选择合适的排列，使单支元件回收率、产水通量、给水流量、浓水流量不超过设计导则值。4.纳滤系统运行压力极低，整个系统的通量分配怎么做到尽可能均匀一些，是一个值得重点关注的问题。对大系统 浓水再循环/产品水背

37、压/段间升压泵 可增加段数，减少每个压力容器的元件数。对小系统 浓水再循环/产品水背压/段间升压泵5.温度和压力对通量的显著影响,纳滤膜处理系统设计/运行几点考虑,清洗方案,及时清洗是至关重要的。元件类型连续运行pH范围短时清洗pH范围NF903-101-12NF2703-101-12NF2003-101-12NF3-101-11.5,最高温度35C30C清洗pH范围1-111-12,最佳清洗温度20-30C,标准清洗方案1.简单酸洗(0.2%HCl)+简单碱洗(0.1%NaOH+0.1-1%EDTA)2.严格酸洗(浸泡1-12h)+严格碱洗(浸泡1-12h),清洗pH值与温度的关系,4.研究热点,膜技术用于新的领域污泥的减量化浓缩，回收膜污染机理及控制新膜材料开发,在超倍电子显微镜下膜表面的形貌比较,FILMTEC BW30-365 FR抗污染膜表面,标准的复合膜表面,从相对光洁度比较,玻璃表面 1 x标准FILMTEC FT-301.80 x膜表面改进后的 FR膜表面 1.09 x,Thank you !,