集成膜过程污水深度处理工艺

第23卷第4期膜科学与技术Vol 23 No 42003年8月MEMBRANE SCIENCE AND TECHNOLOG YAug.2003文章编号:007-8924203)4-0255-06集成膜过程污水深度处理工艺翟建文(中蓝膜技术有限公司,北京100029)摘要:介绍了集成膜过程及其在污水深度处理方面的应用.集成膜过程是将超滤/微滤与反渗透或纳滤相结合形成能够满足各种回用目的的污水深度处理集成工艺.PV)F、P、PE、PES等超滤/微滤膜抗污染反渗透复合膜具有化学稳定性髙、耐污染、装填密度高等特点适宜于规模化污水处理污水处理用超滤/微滤膜以中空纤维为主系统技术采用了低压运行、频數气水、透过液冲、气水冲洗等抗污染工艺能够维持稳定的通量、运行维护费用较低、产水质量稳定.二级出水的集成膜系统工艺已成熟并得以广泛推广計针对原废水的集成膜工艺膜生物反应器+反滲透还需要进一步的工程化研究.关键词:污水处理;污水回用;集成膜过程;微滤;超滤;反渗透;中空纤维;膜生物反应器中图分类号:TQ028.8文献标识码:A1污水深度处理与回用工艺类似主要的工艺单元有石灰澄清、重碳酸化、絮凝、沉降、过滤和气浮等.根据具体污水排放物质城市及工业污水经过深度处理后可用于农业灌的成分的不同处理方式有所差异4传统预处理溉、工业生产、城市景观、市政绿化、生活杂用、地下工芝见图1图2存在着工艺复杂、水利用率低、化水回灌和补充地表水等方面的研究与工程应用121非直接饮用回PR是将污水进行再生处进水,NoH↓EN理后再注入地表或地下水体最终进入饮用水源预氧化一反应池][沉淀]→[@氧非计划性的IPR在人类最早将污水排放到与水源地水系相连的区域时便发生了有计划的IPR在美反渗透」[精滤}多介质过滤」国是从20世纪60年代开始出现的2缓蚀阻垢剂传统水处理技术能够消除大部分污染物,将图1采用传统预处理的钢铁工业污水COD. BOD以及重金属等污染物指标降到安全排放回用处理工艺简图3标准或杂用水中水标准但无法完全消除排水中PAC杀菌灭藻剂所含的微量溶解性污染物.采用反渗透膜技术可彻底去除这些污染物实现严格意义下的污水再生.但[混合器}→凝沉淀一[秒滤}→话性炭由于污水所含溶解性有机物及悬浮物会给反渗透膜造成严重的污染必须经过严格的前处理使膜污染反渗透]一[精卜[超滤系统的倾向降低到最低程度3]缓蚀阻垢剂1.1传统预处理工艺反渗透膜技术在20世纪70年代开始用于城市图2采用传统错流超滤飲化学冮业污水深度处理工艺简图3二级排水的深度处理预处理与传统污水三级处理膜科学与技术第23卷学品消耗量大的弊病而且由于无法彻底去除生物2.1膜材料及膜构型絮体及胶体物质致使清洗频繁影响了膜性能的发2.1.1·超滤/微滤挥和使用寿命1)膜材料常用的超滤、微滤膜材料有P(聚1.2集成膜过程砜)PES(聚醚砜)PE(聚乙烯)PP(聚丙烯集成膜过程是将超滤/微滤与反渗透(或纳滤)PwⅧκ聚偏氟乙烯厢和PA聚丙烯腈)筹.由于市结合使用形成能够满足各种回用目的的污水深度政和工业污水处理系统的规模一般都比较大,对膜处理工艺超滤、微滤可以作为独立的高级三级处理材料的机械性能、化学稳定性和通量的稳定性与易方法也是反渗透过程理想的预处理工艺抗污染能恢复性等方面要求较高.因此经过亲水改性的力强、性能优越的超滤、微滤单元代替了复杂旳传统PVD、P、ⅣE、PES是目前规模化水处理应用超滤处理工艺而且出水品质远高于三级岀水指标不但/微滤产品的主要材料,VDF的化学稳定性、特别完全可以去除污水中的细菌和悬浮物,对αOD、是耐氯性能非常突出是一种比较理想的污水处理BO也有一定的去除效果5在超滤、微滤之后使膜材料η各种材料的物理性能、耐氧化性和耐酸用的反渗透膜其清洗周期由采用传统预处理工艺性能对比见图3、图4、图5.的3~4周增加到半年以上6膜集成污水再生工艺具有系统稳定、维护少、占地小、化学品用量少、流程PE简单和运行费用低等优点PS2超澽微滤+反渗透新一代中空纤维超滤(微滤)膜与传统产品相PANPANPDI比具有机械强度高、抗氧化、抗污染、高通量等特PVDE点.在运行工艺上采用了低压操作、反冲清洗、气水冲洗等新技术使得超滤膜装置能够在污染倾向极0501001500拉伸强度/N强的污水介质中保持稳定的性能超滤膜的使用范延展性%围因此扩展到了能适应于多种复杂的介质环境同图3膜材料的物理性能对比7时大大扩展了反渗透技术的应用范围新一代的超2)膜构型超滤膜主要有中空纤维、板(框滤膜及其系统应用技术将膜技术带到了一个全新的式、卷式和管式等主要构型这4种膜可应用在不同时代彻底改变了膜法水处理技术必须依托于复杂、的场合下的污水处理.相比之下中空纤维膜在成膜精细的预处理系统的形象使膜技术应用于二级出工艺制造成本、装填密度、组件工艺、运行装置等方水、三级出水以及多种原废水等许多复杂的水质体面具有明显的优势因此在规模化的膜集成污水再系的深度处理671生过程中得到了广泛的应用那则杀福R形02004006008001000004006008001000浸渍时间h浸渍时间/h■一PVDF;▲-PE:◆-PAN●一CA图4各种膜材料耐氧化性比较图5各种膜材料耐酸性比较翟建文:集成膜过程深度污水处理工艺2.1.2抗污染反渗透复合膜件中形成气水混合流——塞流( slug flow膜表面由于传统的反渗透膜应用领域主要集中于海旳剪切强度比同样体积流量旳纯粹液体高对膜沉水、苦咸水和工艺用水的脱盐过程改进膜性能的工积物的清洗效果好12.而且由于空气的密度和粘度作主要集中在提高膜的脱盐率、水通量、耐氯性能和比水要小得多输送同样体积流速的空气所需功耗完整性等而在污水处理应用中生物污染、有机物也小得多污染成为影响膜性能首要问题.目前在改善膜的耐2)气水反冲气水反冲系统是最早在大规模污染性能方面已经取得了眀显的进展并且实现了市政系统获得成功商业应用的微滤膜系统即所谓商业化即所谓新一代抗污染反渗透复合膜.抗污染连续微滤CMF系统11.在进行反冲操作时压缩空膜所采用的一些技术改进有〗)降低膜表面的吸附气首先驱动透过液高速回流,然后空气直接完全穿性通过对复合膜表面的二次修饰和改性处理增加透膜孔彻底清理膜面沉积物和膜孔内的污染物.这膜表面的平整度8]降低膜面荷电都能够有效防种气水反冲操作对膜的拉伸强度、尺寸稳定性等机止胶体和污染性溶质在膜表面的附着和沉积从而械性能要求较高有效地延缓膜通量的衰减.2)膜元件结构改进使2,.2.3内压柱式中空纤维用更短的卷膜叶片、更多的叶片数和较厚的料液流内压式中空纤维超滤膜系统基本上是一种传统道改善了膜元件的压力分布、压力降和流道阻力等样式采用频繁透过液反冲保持膜通量的稳定水力学性能改善了膜元件的浓差极化状况并且易2.2.4动力促进膜过滤系统于清洗8动力促进膜过瀛( dynamic membrane filtration2.2超滤/微滤膜组件及装置DMF过程是在膜分离操作中加入了料液循环泵之应用于大型市政系统的超滤/微滤膜装置与传外的其他动力系统用来消除浓度极化和膜的污染」统错流系统的主要区别在于前者基本上不考虑较1)振动剪切促进系统VSEP这是一种板框高的料液流速保持膜面高剪切速率以降低浓度极式结构分离膜被固定在不锈钢盘片上通过一个中化和压力而是采用低压和近似于死端过滤的运行心轴向钢片连续传递一种50Hz的高频正弦波带模式因此频繁的透过液反冲洗和气水冲洗成为对动膜片振动这种系统可以处理固体含量极高的复抗膜污染的基本工艺方法杂易污染物料」2.2.1浸没式。2) Wastewizard这是一种商业化的DMF装浸没式膜组件是一种没有外壳的外压式中空纤置由多层平板膜构成在平板膜之间装有外力驱动维组件纤维两端安装集液管通过集液管抽取透过的湍流促进板是一种刻有螺线状凹槽的圆盘可以液多个组件连接在一起组成一体安装在一个框架处理各种复杂的污染性料液体系比如含油污水、发中再放进膜池池子的大小取决于装置的处理量浸没式膜过滤系统的驱动力为真空负压膜组件席酵液等2.3运行状况部装有曝气装置利用气泡上升过程中产生的紊流微滤与反渗透配合使用用于污水的再生处理,清洁膜面.浸没式系统保持稳定通量的另外一个措已经在20世纪90年代初期成功实现了商业化131,施是采用间歇抽吸或透过液频繁反冲浸没式平板成为有代表性的集成膜过程工艺,即所谓MF+RO膜7的结构与中空纤维类似双膜过程.继气水反冲微滤系统之后浸没式、气水2.2.2外压柱式中空纤维双洗超滤/微滤系统也成功地加入了集成膜过程在自来水和二沉池出水处理中使用的外压柱式中空纤维膜组件趋向于大型化,组件直径一般为表1 Memcor cme和 ZeeWeed mF系统的运行参数915.24cm或20.32cm膜面积为30~80m2,运行压力不大于0.3MPa水通量50~100Lm2h)Memcor cmf Zee Weed MF跨膜压力TMP/MPa0.021~0.1380.021~0.0621)气水双洗气水冲洗和反冲洗配合使用简膜通量/L:m2h-1)34-68称为气水双洗.气水冲洗过程与浸没式系统的膜底反冲频率/min15~206~12膜科学与技术第23卷Lozier「0对CMH气水反冲厢Zewe漫没表3CMF实际运行情况9式溦微滤裝置与反渗透结合使用处理市政二级排水累计运行清洗前TMP清洗后TMP化学清洗浸泡的情况进行了长期对比考察.结果证明这2种微滤时间/h/MPa/MPa时间/h装置都能够荻得反渗透装置的水质要求运行稳定0.110l~1.5表2 Zee Weed me实际运行情况9417l~1.5项目过滤通量(上nin1)真空度/kPa温度反冲前反冲后反冲前反冲后/℃1.1清洗前50.76.073213700.1360.0772.2清洗后1250.76.0716640.0790.0452首次 Naocl清洗后101037.14.5030二次NOCl清洗后121233.84.503022150.1183NaOCl过液浸泡后未测15未测25630.1200.0532表4处理水质9参数原水Zee weed产水TF产水均最小最大平均最小最大平均最最大TDS( mg L)1919641407121697514101211977电导率/pScm1)197015202500202715752625200215602410TOC/ mg L)7.66.97.46.77.596.1色度10.172.57.60.015.0017紫外吸收254mm/I:cm-1)0.1170.1060.1470.1200.1060.1420.1170.1010.139H7.066.677.416.076.36136.66度/NTU2.9426.00.130.030.570.130.03污泥密度指数SD2.660.132.460.40HPCA CFU mL I)676161003216130001655总大肠杆菌( CFU ml1)0.170.030.310.0800.1无无无膜生物反应器+反渗透表6MBR运行参数151目标值正常流量高峰流量膜生物反应器用超滤和微滤膜组件取代了澄清曝气池通风量(min-1)>126016521708池与澄清池不同的是膜是一个微生物的屏障能够冲时间/s1515捕获所有的微生物使其在反应器中再循环.与传统反冲周期/min混合液循环速率悬浮生长活性污泥工艺相比MB3工艺有如下优AL min I)>136182点(1胺装空间小(2)体分离率高消除泄漏):通量(Lm2h-1)31.8/46.431.845.23消毒(4增加了比体积负载(5冰力停留时间膜池通风量(L:nin-1)700840700和生物量停留时间没有关联〔6)延长了泥龄污泥冲前透过液流速24.6/4024.634.8产量小(7)停留时间有利于生长缓慢的微生物的培养比如硝化菌〔8丶保留高分子有机物能促进降反冲后透过液流速6.7011.10min表5MBR装置生物处理性能指标15温度/℃31.2O mg L)1.53~3.19TMP/MP0.017-0.0590.019052LSS/ mg L-l)6700~14070反冲前真空度/kP17.3~58.419.351.7MLVSS/ mg L)4800-10243反冲后真空度/kP17.353.7日排泥量/L363~689污泥产率1.14-2.03解和生物絮凝1451第4期翟建文:集成膜过程深度污水处理工艺可以直接处理原废水的集成膜过程污水再生系统.2-1排列Lozier等151通过一个中试试验考察了MBR+RO表7反渗透原水MBR产水冰质151反渗透道接处理市政废水的情况实验结果表明,参数数值MBR出水达到了RO装置要求的SDl、浊度、有机浊度/NTU0.11~0.18物含量、微生物等指标但是反渗透膜的污染情况依SDI然很严重.MR装置采用了一支 Zee Weed ZwHPC/ CFU mL-1)865-3274500膜组件.RO装置采用了36支LFC-12540膜表8RO系统运行结果5压力/MPa回收率/%通量/L:m2h1)、电导率(Scm1)进料段浓缩液原水段间浓缩液透过液13.10.860.431798352010463.80.620.520.4318143510501717.90.700.590.5117413404998l180.601549497079.320.20.880.74l731384172101054结论wastewater reclamation[ A ] The 2eInternational Conference on Application of Membrane1)集成膜过程在污水深度处理中有许多优点echnolog[ C l Beijing 2002系统稳定,维护少,占地小化学品用量少流程简[4属富夫乱冈富,徐平膜分离技术在环保领域的应单运行费用低用A]分离膜技术应用论文汇缄C]美国海德能公司北京20022)pwD)F、P、PE、PES等超滤/微滤膜抗污染5] Lozier J, Bergman R. Membrane processes in water reuse反渗透复合膜具有化学稳定性高、耐污染、裝填密度[A] Proceedings of Water Reuse Symposiunt C].Den高等特点适宜与规模化污水处理ver, Colorado: 19943)污水处理用超滤/微滤膜以中空纤维为主[6] Leslie G L, Dunivin WR, Gabilet P et al. Pilot testing of系统技术采用了低压运行、频繁(气水、透过液microfiltration and ultrafiltration upstream of reverse osmo-冲、气水冲洗等抗污染工艺能够维持稳定的通量,sis during reclamation of municipal wastewater A ] Pro运行维护费用较低产水质量稳定ceedings of ADA Biennial Conference C ], Monterey, Cal4)针对二级出水的集成膜系统工艺已经成熟ifornia 1996并得到了广泛推广,针对原废水的集成膜工艺[7] Henmi M, Matsuka n et al, Newly developed wastewaterMBR+RO还需要进一步的工程化研究treatment(8 )systems using separation membranes[ A5)对污染物及其与膜的相互作用的理解有效Water Reuse& Desalination Con[ C ] Riyadh 2003 235的污染控制方法经济实用的膜清洗方法以及工程优化设计等问题的深入研究将有助于集成膜过程污[9]CeP, Buisson h, Pound c,etal. Immersed membraneactivated sludge for the reuse of municipal wastewater J]水深度技术的应用和普及Desalination, 1997, 113: 189--196参考文献10 ] Lozier J C. Wastewater reclamation pilot study city ofMcallen[ R ]. Texas Water Treatment Technology Pro[1]张悦郑兴灿.城市污水再生利用是缓解缺水危机的gram Report No. 26, Bureau of Reclamattion,1998重要途{A21世纪国际城市污水处理及资源化发[1] Glucina K, Laine Jm. Lyonnaise des Eaux- Cirsee ,et展战略研讨会与展览会”会议论文C]北京201Integrated membrane systems for surface water treat[2] Anderson J.国际回用水的应用实例研究Ar21世纪ment: Comparison of UF vS conventional pretreatment国际城市污水处理及资源化发展战略研讨会与展览会[A] Membrane Technology Conference: The Future of膜科学与技术第23卷[12 Verberka J JC, Worma G I M, Futselaarb h et al. [14 Adham S, Gagliardo P. Membrane bioreactors for waterCombined air- water flush in dead- end ultrafiltrationrepurification-phase I Desalination Research and Develwater science and technology J ] Water Supply, 2001,1opment Program Report No. 34[ R ]. Bureau of Reclama(5/6)393-40tion San Diego 199813 J Bruce D, Andy W, Memcor USF, et al. Wirksworth, [15 James C, Lozier P E, Angela M, et al. DemonstationDerbyshire DE4 4BG, UK Membrane pretreatment ofesting of zenogem and reverse osmosis for indirectreverse osmosis: Long-term experience on difficult wapotable reuse final technical report R l City of McAllenter[J] Desalination, 1999, 1222-3): 157-170TX Bureau of Reclamation May 2002ntegrated membrane systems for wastewater reclamationZHAlJianwenChina blue- Star Membrane Technology Company Beijing 100029, ChinaAbstract: 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 chemically 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 research on engineering for practical applicationKey words: integrated membrane systems wastewater reclamation ultrafiltration/ microfiltration antifoulingmembranemembrane bioreactor( MBR ) reverse osmosis(Ro)000600000600000000200000000000o上接第185页)pplication of membrane separation technology in pharmaceutical industryXIE Quanling, HE Xumin, XIA Haiping, LAN Weiguang 2(1. College of Chemistry and Chemical Engineering .Xiamen University ,Xiamen 361005 China2. Suntar Membrane Scitechnology( Xiamen Co Ltd. Xiamen 361009 ChinaAbstract: The application of membrane separation technology in pharmaceutical industry includes biofermentation pharmaceutical industry the production of Chinese traditional medicine the modern biotechnology etcMembrane separation technology is especially common in the production of antibiotics semisynthetic antibioticsmembrane separation technology will play a more and more important role in the pharmaceutical industry antvitamin and amino acid. With the improvement of membrane material membrane module and membraneKey words: membrane separation antibiotics vitamin i amino acid Chinese traditional medicine biotechnolo