集成膜過(guò)程污水深度處理工藝

第23卷第4期膜科學(xué)與技術(shù)Vo1.23 No.42003年8月MEMBRANE SCIENCE AND TECHNOLOGYAug.2003 .文章編號:1007 - 8924( 2003 )04 - 0255- 06集成膜過(guò)程污水深度處理工藝翟建文(中藍膜技術(shù)有限公司,北京100029 )摘要:介紹了集成膜過(guò)程及其在污水深度處理方面的應用.集成膜過(guò)程是將超濾/微濾與反滲透(或納濾)相結合形成能夠滿(mǎn)足各種回用目的的污水深度處理集成工藝.PVDF、PP、PE、PES等超濾/微濾膜抗污染反滲透復合膜具有化學(xué)穩定性高、耐污染、裝填密度高等特點(diǎn)適宜于規?；鬯幚?污水處理用超濾/微濾膜以中空纖維為主系統技術(shù)采用了低壓運行、頻繁(氣水、透過(guò)液)反沖、氣水沖洗等抗污染I藝能夠維持穩定的通量、運行維護費用較低、產(chǎn)水質(zhì)量穩定.二級出水的集成膜系統工藝已成熟并得以廣泛推廣，針對原廢水的集成膜工藝(膜生物反應器+反滲透還需要進(jìn)一步的工程化研究.關(guān)鍵詞:污水處理;污水回用;集成膜過(guò)程;微濾;超濾;反滲透;中空纖維;膜生物反應器中圖分類(lèi)號: TQ028.8文獻標識碼:A工藝類(lèi)似主要的工藝單元有石灰澄清、重碳酸化、1污水深度處理 與回用絮凝、沉降、過(guò)濾和氣浮等.根據具體污水排放物質(zhì)城市及工業(yè)污水經(jīng)過(guò)深度處理后可用于農業(yè)灌的成分的不同，,處理方式有所差異4].傳統預處理溉、工業(yè)生產(chǎn)、城市景觀(guān)、市政綠化、生活雜用、地下工藝見(jiàn)圖1、圖2存在著(zhù)工藝復雜、水利用率低、化水回灌和補充地表水等方面的研究與工程應.FS↓NaOH↓PAM↓0,用12].非直接飲用回用( IPR )是將污水進(jìn)行再生處進(jìn)水預氧化[反應池→[沉淀→0氧化理后再注入地表或地下水體,最終進(jìn)入飲用水源.非計劃性的IPR在人類(lèi)最早將污水排放到與水源反滲透]←精濾]一多介質(zhì)過(guò)速地水系相連的區域時(shí)便發(fā)生了有計劃的IPR在美國是從20世紀60年代開(kāi)始出現的2].↑緩蝕阻垢劑傳統水處理技術(shù)能夠消除大部分污染物,將圖1采用傳統預處理的 鋼鐵)工業(yè)污水COD.BOD以及重金屬等污染物指標降到安全排放回用處理工藝簡(jiǎn)圖3]標準或雜用水(中水)標準,但無(wú)法完全消除排水中.↓PAC|殺菌滅藻劑所含的微量溶解性污染物.采用反滲透膜技術(shù)可徹底去除這些污染物實(shí)現嚴格意義下的污水再生.但[混合器F一絮凝沉淀一[砂濾]}一[活性炭由于污水所含溶解性有機物及懸浮物會(huì )給反滲透膜造成嚴重的污染必須經(jīng)過(guò)嚴格的前處理使膜污染反滲透]一[精濾}[超濾系統的傾向降低到最低程度3].1.1 傳統預處理工藝中國煤化工次化學(xué)工業(yè)污水反滲透膜技術(shù)在20世紀70年代開(kāi)始用于城市二級排水的深度處理預處理與傳統污水三級處理MHCNMHG簡(jiǎn)圖3]收稿日期:2003-06- 10作者簡(jiǎn)分鼗建文( 1964 - ), 男,甘肅西峰市人,副研究員,從事膜分離研究工作.電話(huà)010 - 80482882.●256膜科學(xué)與技術(shù)第23卷學(xué)品消耗量大的弊病,而且由于無(wú)法徹底去除生物2.1膜材料及膜構型.絮體及膠體物質(zhì)致使清洗頻繁影響了膜性能的發(fā)2.1.1超濾/微濾揮和使用壽命.1 )膜材料常用的超濾、微濾膜材料有PS(聚1.2 集成膜過(guò)程砜) PES(聚醚砜) PE(聚乙烯)PP(聚丙烯)集成膜過(guò)程是將超濾/微濾與反滲透(或納濾)PVDH聚偏氟乙烯)和PAN(聚丙烯腈)等.由于市結合使用形成能夠滿(mǎn)足各種回用目的的污水深度政和工業(yè)污水處理系統的規模一般都比較大，,對膜處理工藝.超濾、微濾可以作為獨立的高級三級處理材料的機械性能、化學(xué)穩定性和通量的穩定性與易方法，也是反滲透過(guò)程理想的預處理工藝.抗污染能恢復性等方面要求較高.因此經(jīng)過(guò)親水改性的力強、性能優(yōu)越的超濾微濾單元代替了復雜的傳統PVDF、PP、PE、PES是目前規?；幚響贸瑸V處理工藝,而且出水品質(zhì)遠高于三級出水指標.不但/微濾產(chǎn)品的主要材料,PVDF的化學(xué)穩定性、特別完全可以去除污水中的細菌和懸浮物,對COD、是耐氯性能非常突出是一種比較理想的污水處理BOD也有一定的去除效果5].在超濾、微濾之后使膜材料7].各種材料的物理性能、耐氧化性和耐酸用的反滲透膜其清洗周期由采用傳統預處理工藝性能對比見(jiàn)圖3、圖4、圖5.的3~4周增加到半年以上6]膜集成污水再生工藝具有系統穩定、維護少、占地小、化學(xué)品用量少、流程PE簡(jiǎn)單和運行費用低等優(yōu)點(diǎn).Ps]Ps2超濾微濾+反滲透] CACA新一代中空纖維超濾(微濾)膜與傳統產(chǎn)品相PANPVDF比具有機械強度高、抗氧化、抗污染、高通量等特點(diǎn).在運行工藝上采用了低壓操作、反沖清洗、氣水沖洗等新技術(shù)使得超濾膜裝置能夠在污染傾向極050100150 051015延展性%拉伸強度/N強的污水介質(zhì)中保持穩定的性能，超濾膜的使用范圖3膜材料的物理 性能對比7]圍因此擴展到了能適應于多種復雜的介質(zhì)環(huán)境,同時(shí)大大擴展了反滲透技術(shù)的應用范圍.新一代的超2)膜構型超濾 膜主要有中空纖維、板(框)濾膜及其系統應用技術(shù)將膜技術(shù)帶到了一個(gè)全新的式、卷式和管式等主要構型這4種膜可應用在不同時(shí)代徹底改變了膜法水處理技術(shù)必須依托于復雜的場(chǎng)合下的污水處理.相比之下,中空纖維膜在成膜精細的預處理系統的形象,使 膜技術(shù)應用于二級出工藝、制造成本、裝填密度、組件工藝、運行裝置等方水、三級出水以及多種原廢水等許多復雜的水質(zhì)體面具有明顯的優(yōu)勢,因此在規?；哪ぜ晌鬯傧档纳疃忍幚?711]生過(guò)程中得到了廣泛的應用.0.5米200 400 600 800 1000中國煤化工600 800 1000浸潰時(shí)間/hMYHCNMHG間/h.1 1-PVDF ;▲-PE;◆- -PAN;( -CA圖4各種膜材料耐氧化性比較圖5各種 膜材料耐酸性比較萬(wàn)方資氰酸1 000 m/L oH為1077鹽酸5 000 mg/[7]第4期翟建文:集成膜過(guò)程深度污水處理工藝2. 1.2抗污染反滲 透復合膜件中形成氣水混合流一塞流(slugflow)對膜表面由于傳統的反滲透膜應用領(lǐng)域主要集中于海的剪切強度比同樣體積流量的純粹液體高對膜沉水、苦咸水和工藝用水的脫鹽過(guò)程改進(jìn)膜性能的工積物的清洗效果好12].而且由于空氣的密度和粘度作主要集中在提高膜的脫鹽率、水通量、耐氯性能和比水要小得多輸送同樣體積流速的空氣所需功耗完整性等.而在污水處理應用中,生物污染、有機物也小得多.污染成為影響膜性能首要問(wèn)題.目前在改善膜的耐2)氣水反沖氣水反沖 系統是最早在大規模污染性能方面已經(jīng)取得了明顯的進(jìn)展并且實(shí)現了市政系統獲得成功商業(yè)應用的微濾膜系統,即所謂商業(yè)化即所謂新一代抗污染反滲透復合膜.抗污染連續微濾CMF系統13].在進(jìn)行反沖操作時(shí),壓縮空膜所采用的-些技術(shù)改進(jìn)有:1)降低膜表面的吸附氣首先驅動(dòng)透過(guò)液高速回流然后空氣直接完全穿性通過(guò)對復合膜表面的二次修飾和改性處理增加透膜孔徹底清理膜面沉積物和膜孔內的污染物.這膜表面的平整度8]降低膜面荷電,都能夠有效防種氣水反沖操作對膜的拉伸強度、尺寸穩定性等機止膠體和污染性溶質(zhì)在膜表面的附著(zhù)和沉積，從而械性能要求較高.有效地延緩膜通量的衰減.2)膜元件結構改進(jìn),使2.2.3內壓柱式中空纖維用更短的卷膜葉片、更多的葉片數和較厚的料液流內壓式中空纖維超濾膜系統基本上是一種傳統道改善了膜元件的壓力分布、壓力降和流道阻力等樣式采用頻繁透過(guò)液反沖保持膜通量的穩定.水力學(xué)性能改善了膜元件的濃差極化狀況并且易2.2.4動(dòng)力促 進(jìn)膜過(guò)濾系統于清洗8].動(dòng)力促進(jìn)膜過(guò)濾( dynamic membrane fltration,2.2超濾/微濾膜組件及裝置DMF過(guò)程是在膜分離操作中加入了料液循環(huán)泵之應用于大型市政系統的超濾/微濾膜裝置與傳外的其他動(dòng)力系統用來(lái)消除濃度極化和膜的污染.統錯流系統的主要區別在于前者基本上不考慮較1)振動(dòng)剪切促進(jìn)系統VSEP這是一種板框高的料液流速(保持膜面高剪切速率,以降低濃度極式結構.分離膜被固定在不銹鋼盤(pán)片上通過(guò)一一個(gè)中化)和壓力,而是采用低壓和近似于死端過(guò)濾的運行心軸向鋼片連續傳遞-種50 Hz的高頻正弦波帶模式,因此頻繁的透過(guò)液反沖洗和氣水沖洗成為對動(dòng)膜片振動(dòng).這種系統可以處理固體含量極高的復抗膜污染的基本工藝方法.雜易污染物料.2.2.1浸沒(méi)式9]2) Wastewizard這是 -種商業(yè)化的DMF裝浸沒(méi)式膜組件是--種沒(méi)有外殼的外壓式中空纖置,由多層平板膜構成在平板膜之間裝有外力驅動(dòng)維組件纖維兩端安裝集液管通過(guò)集液管抽取透過(guò)的湍流促進(jìn)板是-種刻有螺線(xiàn)狀凹槽的圓盤(pán).可以液.多個(gè)組件連接在一起組成一 體，安裝在一個(gè)框架處理各種復雜的污染性料液體系,比如含油污水、發(fā)中再放進(jìn)膜池池子的大小取決于裝置的處理量.酵液等.浸沒(méi)式膜過(guò)濾系統的驅動(dòng)力為真空負壓膜組件底2.3 運行狀況部裝有曝氣裝置，利用氣泡上升過(guò)程中產(chǎn)生的紊流微濾與反滲透配合使用用于污水的再生處理清潔膜面.浸沒(méi)式系統保持穩定通量的另外一個(gè)措已經(jīng)在20世紀90年代初期成功實(shí)現了商業(yè)化13]施是采用間歇抽吸或透過(guò)液頻繁反沖.浸沒(méi)式平板成為有代表性的集成膜過(guò)程工藝,即所謂MF+RO膜7]的結構與中空纖維類(lèi)似.雙膜過(guò)程.繼氣水反沖微濾系統之后浸沒(méi)式、氣水2.2.2外 壓柱式中空纖維在自來(lái)水和二沉池出水處理中使用的外壓柱式雙洗超濾/微濾系統也成功地加入了集成膜過(guò)程.表1 Memcor CMF和ZeeWeed MF中空纖維膜組件趨向于大型化,組件直徑一般為中國煤化工數9]15.24cm或20.32cm膜面積為30~80m2運行壓力不大于0.3 MPa水通量50~ 100L/(m2 h).MHCN MH GrCMF _ ZeeWeed MF跨膜壓力1MIP/ MI'a0.021~0.138 0. 021~0.0621 )氣水雙洗氣水沖洗和反沖洗配合使用 簡(jiǎn)膜通量/(I: m-2 h-1)59.534~68稱(chēng)為氣水雙洗.氣水沖洗過(guò)程與浸沒(méi)式系統的膜底反沖頻率/min15 ~206~12曝氣系統有所區別前者將壓縮空氣以一定的氣水反沖周期/s900比定期(間需勢據60min)加入膜組件進(jìn)水口在組清洗周期/d3~520~30●258膜科學(xué)與技術(shù)第23卷Lozief 10對CMF(氣水反沖和ZeeWeed(浸沒(méi)表3 CMF 實(shí)際運行情況[9]式)微濾裝置與反滲透結合使用處理市政二級排水累計運行清洗前 TMP清洗后TMP化學(xué)清洗浸泡的情況進(jìn)行了長(cháng)期對比考察.結果證明這2種微濾時(shí)間/h/MPa裝置都能夠獲得反滲透裝置的水質(zhì)要求運行穩定.0.1100.0821~1.5表2 ZeeWeed MF實(shí)際運行情況9]4170.0920.080. 1~1.5項目過(guò)濾通量/(Emin-1)真空度/kPa溫度7210. 0860.0431.1反沖前反沖后 反沖前反沖后/C清洗前121350.7 6. 07321370.). 1360.0772.2清洗后21:1664.0.0790. 045首次NaOCl清洗后101(37.1 4.50 302 2150.1180.0453二次NaOCl清洗后1233.8 4.50 30NaOCl過(guò)液浸泡后未測15.未測2.02 282 5630.1200.053表4處理水質(zhì)9]原水ZeeWeed產(chǎn)水Memocor MF產(chǎn)水參數平均最小最大TDS/(mg L 1 )1 1919641 4071 2169751410.1 2119771 411電導率/(μS cm~1)1 9701 520250020271 57526252 0021 560241(TOC(mg L-1 )7.66.96.47.4.6.76.17.5色度10. 172.5230.015.07.017.0紫外吸收254 nm/(I: cm-') 0.117 0.106 0. 1470.1060. 1420.117 0.1010.139.pF7.066. 677.416.076.976.367.136.666.16濁度/NTU2.941.0026.00.130.030.570.53污泥密度指數SDI2. 662.460.407.60HPCK(CFU mL~ 1 )4682.676161003 21640013 0001 6552642 600總大腸桿菌人CFU mL-1 )0.170.03 .0.310.080.010.16.無(wú)表6 MBR運行參數15]膜生物反應器+反滲透目標值正常流量 高峰流量膜生物反應器用超濾和微濾膜組件取代了澄清曝氣池通風(fēng)量/(I: min~1) >1 260 1 6521 708池與澄清池不同的是膜是-個(gè)微生物的屏障能夠反沖時(shí)間/sI5反沖周期/min0捕獲所有的微生物使其在反應器中再循環(huán).與傳統混合液循環(huán)速率懸浮生長(cháng)活性污泥工藝相比,MBR工藝有如下優(yōu)> 136182180(L: min~ 1)點(diǎn)(1安裝空間小(2 )固體分離率高(消除泄漏);通量(I: m-2 h-1)31. 8/46.4 31.845.2(3消毒(4)增加了比體積負載(5)冰力停留時(shí)間膜池通風(fēng)量/(I: min~1 ) 700/840700和生物量停留時(shí)間沒(méi)有關(guān)聯(lián)( 6 )延長(cháng)了泥齡污泥反沖前透過(guò)液流速24. 6/4024.634.8產(chǎn)量小(7)長(cháng)停留時(shí)間有利于生長(cháng)緩慢的微生物的/(L: min-' )反沖后透過(guò)液流速培養,比如硝化菌(8)保留高分子有機物能促進(jìn)降6.7011.10/(L: min -1 )表5 MBR裝置生物處理性能指標15]溫度/C31. 231.9DO/(mg L- 1 )1.53~3. 19TM中國煤化工0.059 0.0190.052MLSS/(mg L 1 )6 700~ 14070反CNMHG58.4 19.351.7MLVSS(mg L 1)4 800~ 10 243反沖口具工度/ Kra17. 353.7日排泥量/L363~ 689污泥產(chǎn)率1.14~2.03解和生物絮凝14.15].HRT/h4.0~6.2MBR(膜生物反應器)的出水可以滿(mǎn)足反滲透泥齡厄方數據14.04~21.29裝置的進(jìn)水水質(zhì)要求與反滲透裝置配合使用組成第4期翟建文:集成膜過(guò)程深度污水處理工藝可以直接處理原廢水的集成膜過(guò)程污水再生系統.2- 1排列.Lozier等15]通過(guò)-個(gè)中試試驗考察了MBR + RO表7反滲透原水( MBR產(chǎn)水)水質(zhì)15](反滲透)直接處理市政廢水的情況實(shí)驗結果表明參數MBR出水達到了RO裝置要求的SDI、濁度、有機濁度/NTU0.11~0.18物含量、微生物等指標但是反滲透膜的污染情況依SDI1.46~1.83.然很?chē)乐?MBR裝置采用了-支ZeeWeedZW-HPC/(CFU mL~1)865~3274500膜組件. RO裝置采用了36支LFC- 12540膜,表8 RO系統運行結果 15]壓力/MPa電導率/( uS cm-1)回收率/%通量/(I: m-2 h-1)進(jìn)料段間濃縮液原水透過(guò)液48.913.10.860.690.431798.2 9583 52063.817.10.620.521 8143 5105 01714868. 117. 90.700.59.0.511 7413 4084 99811872. 618.10.760.670.601 5493 1874 9709579. 320.20. 880.790.74173138417 210105of RO processes for wastewater reclamation[ A ] The 2ed4結論International Conference on Application of Membrane1 )集成膜過(guò)程在污水深度處理中有許多優(yōu)點(diǎn):Technologs[ C] Beijing 2002.系統穩定,維護少占地小,化學(xué)品用量少流程簡(jiǎn)[4]屬富夫磯岡富,徐 平.膜分離技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的應用A]分離膜技術(shù)應用論文匯編[C]美國海德能公單運行費用低.2)PVDF、PP、PE、PES等超濾/微濾膜抗污染司北京2002.反滲透復合膜具有化學(xué)穩定性高、耐污染、裝填密度[5] Lozier J ,Bergman R. Membrane processes in water reuse[A] Proceedings of Water Reuse Symposiun[ C] Den-高等特點(diǎn)適宜與規?；鬯幚?ver ,Colorado :1994.3)污水處理用超濾/微濾膜以中空纖維為主，[6] Leslie G L , Dunivin W R ,Gabilet P et al . Pilot testing of系統技術(shù)采用了低壓運行、頻繁(氣水、透過(guò)液)反microfiltration and ultrafiltration upstream of reverse osmo-沖、氣水沖洗等抗污染工藝,能夠維持穩定的通量,sis during reclamation of municipal wastewater[ A] Pro-運行維護費用較低產(chǎn)水質(zhì)量穩定.ceedings of ADA ,Biennial Conferenc[ C ], Monterey ,Cal-4)針對二級出水的集成膜系統工藝已經(jīng)成熟ifornia :1996.并得到了廣泛推廣,針對原廢水的集成膜工藝[ 7] Henmi M , Matsuka N et al . Newly developed wastewater( MBR+ RO還需要進(jìn)一 步的工程化研究.treatment( 8 )systems using separation membranes[ A ] .Water Reuse & Desalination Conf[ C ] Riyadh :2003. 2355 )對污染物及其與膜的相互作用的理解,有效的污染控制方法經(jīng)濟實(shí)用的膜清洗方法以及工程[9] Cote P ,Busson H , Pound C ,et al. Immersed membrane優(yōu)化設計等問(wèn)題的深入研究將有助于集成膜過(guò)程污activated sludge for the reuse of municipal wastewatef[ J ]水深度技術(shù)的應用和普及.Desalination, 1997 ,113 :189~ 196.參考文獻[10] Lorier J C. Wastewater reclamation pilot study city ofMcaller[ R ] Texas Water Treatment Technology Pro-[1]張悅鄭興燦.城市污水再生利用是緩解缺水危機的中國煤化工of Reclamation , 1998.重要途徑A]'21世紀國際城市污水處理及資源化發(fā)1HCNMHGnaise des Eaux - Cirsee ,et展戰略研討會(huì )與展覽會(huì )"會(huì )議論文C]北京2001.al .Integratea membrane systems for surface water treat-[2 ] Anderson J.國際回用水的應用實(shí)例研究A]' 21世紀ment: Comparison of UF vs conventional pretreatment國際城市污水處理及資源化發(fā)展戰略研討會(huì )與展覽會(huì )"[ A] Membrane Technology Conference : The Future of會(huì )議論文C]北京2001.Purer Water[ C] San Antonio: TX US ,2001. 867 ~[3] Zhai J自點(diǎn)取據ang Yan. A conparion of pretreatments882.●260科學(xué)與技術(shù)第23卷[ 12] VerberkaJ QJ C , WormaG 1 M , Futselarb H ,et al.[ 14] Adham S ,Gagliardo P. Membrane bioreactors for waterCombined air - water flush in dead - end ultrafiltration :repurification - phase I Desalination Research and Devel-water science and technology[ J ] Water Supply ,2001 ,1opment Program Report No. 34[ R ] Bureau of Reclama-( 5/6 )393~ 402.tion ,San Diego :1998.[ 13] Bruce D ,Andy W ,Memcor USF ,et al. Wirksworth ,[15] James C, Lorier P E, Angela M ,et al . DemonstationDerbyshire DE4 4BG , UK ;Membrane pretreatment oftesting of zenogem and reverse osmosis for indirectreverse osmosis : Long - term experience on difficult wa-potable reuse final technical repor[ R ] City of McAllen :ter{[J ] Desalination , 1999 ,122( 2- 3):157~ 170.TX Bureau of Reclamation ,May 2002.Integrated membrane systems for wastewater reclamationZHAI Jianwven( China Blue - Star Membrane Technology Company , Bejing 100029 , China )Abstract : Integrated membrane systems( IMS ) and their applications in depth treatment of wastewater were re-viewed. IMS integrated ultrafiltration/ microfiltration or MBR with reverse osmosis processes , which could bedesigned for different fields of wastewater reclamation. The membrane polymers for UF/ MF should be chemi-cally stable , antifouling , and strong in physics ,PVDF ,PP ,PE and PES were chosen. The new generation ofantifouling TFC RO membranes also have above advantage. The common configuration of UF/MF membranesfor wastewater is hollow fiber , and the systems also related antifouling design , such as low pressure operationair - flush , permeate back - flush , and compressed air back - flush , then the performance of the systems couldkeep high and stable flux , low cost for maintenance and operation , and high quality of products. Different IMSfor secondary effluent has already commercialized. The IMS for raw wastewater , MBR + RO , needs more re-search on engineering for practical application.Key words : integrated membrane systems ; wastewater reclamation ; ultrafiltration/ microfiltration ; antifoulingmembrane ; membrane bioreactor ( MBR ); reverse osmosis( RO)(上接第185頁(yè))Application of membrane separation technology in pharmaceutical industryXIE Quanling' , HE Xumin' , XIA Haiping' , LAN Weiguang12( 1. College of Chemistry and Chemical Engineering .Xiamen University .Xiamen 361005 China ;2. Suntar Membrane Scitechnology( Xiamen XCo. Ltd. .Xiamen 361009 China )Abstract : The application of membrane separation technology in pharmaceutical industry includes biofermenta-tion pharmaceutical industry ,the production of Chinese trad中國煤化工em biotechnology etc.Membrane separation technology is especially common in the p:DYHCN M H Gmisynthetic antibiotics ，vitamin and amino acid. With the improvement of membrane materal ,membrane module and membrane plant ,membrane separation technology will play a more and more important role in the pharmaceutical industry.Key words : membrane separation ; antibiotics ; vitamin ; amino acid ; Chinese traditional medicine ; biotechnolo-By