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Vo1.23 No.42003年8月MEMBRANE SCIENCE AND TECHNOLOGYAug.2003 .文章编号:1007 - 8924( 2003 )04 - 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.PVDF、PP、PE、PES等超滤/微滤膜抗污染反渗透复合膜具有化学稳定性高、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、频繁(气水、透过液)反冲、气水冲洗等抗污染I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，针对原废水的集成膜工艺(膜生物反应器+反渗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:A工艺类似主要的工艺单元有石灰澄清、重碳酸化、1污水深度处理 与回用絮凝、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、地下工艺见图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.FS↓NaOH↓PAM↓0,用12].非直接饮用回用( IPR )是将污水进行再生处进水预氧化[反应池→[沉淀→0氧化理后再注入地表或地下水体,最终进入饮用水源.非计划性的IPR在人类最早将污水排放到与水源反渗透]←精滤]一多介质过速地水系相连的区域时便发生了有计划的IPR在美国是从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F一絮凝沉淀一[砂滤]}一[活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[精滤}[超滤系统的倾向降低到最低程度3].1.1 传统预处理工艺中国煤化工次化学工业污水反渗透膜技术在20世纪70年代开始用于城市二级排水的深度处理预处理与传统污水三级处理MHCNMHG简图3]收稿日期:2003-06- 10作者简分鼗建文( 1964 - ), 男,甘肃西峰市人,副研究员,从事膜分离研究工作.电话010 - 80482882.●256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PS(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)PVDH聚偏氟乙烯)和PAN(聚丙烯腈)等.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的传统PVDF、PP、PE、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出水指标.不但/微滤产品的主要材料,PVDF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COD、是耐氯性能非常突出是一种比较理想的污水处理BOD也有一定的去除效果5].在超滤、微滤之后使膜材料7].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.Ps]Ps2超滤微滤+反渗透] CACA新一代中空纤维超滤(微滤)膜与传统产品相PANPVDF比具有机械强度高、抗氧化、抗污染、高通量等特点.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050100150 051015延展性%拉伸强度/N强的污水介质中保持稳定的性能，超滤膜的使用范图3膜材料的物理 性能对比7]围因此扩展到了能适应于多种复杂的介质环境,同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6711]生过程中得到了广泛的应用.0.5米200 400 600 800 1000中国煤化工600 800 1000浸溃时间/hMYHCNMHG间/h.1 1-PVDF ;▲-PE;◆- -PAN;( -CA图4各种膜材料耐氧化性比较图5各种 膜材料耐酸性比较万方资氰酸1 000 m/L oH为1077盐酸5 000 mg/[7]第4期翟建文: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一塞流(slugflow)对膜表面由于传统的反渗透膜应用领域主要集中于海的剪切强度比同样体积流量的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明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13].在进行反冲操作时,压缩空膜所采用的-些技术改进有:1)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].动力促进膜过滤( dynamic membrane fltration,2.2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-种50 Hz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9]2) Wastewizard这是 -种商业化的DMF装浸没式膜组件是--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-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.酵液等.浸没式膜过滤系统的驱动力为真空负压膜组件底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13]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 压柱式中空纤维在自来水和二沉池出水处理中使用的外压柱式双洗超滤/微滤系统也成功地加入了集成膜过程.表1 Memcor CMF和ZeeWeed MF中空纤维膜组件趋向于大型化,组件直径一般为中国煤化工数9]15.24cm或20.32cm膜面积为30~80m2运行压力不大于0.3 MPa水通量50~ 100L/(m2 h).MHCN MH GrCMF _ ZeeWeed MF跨膜压力1MIP/ MI'a0.021~0.138 0. 021~0.0621 )气水双洗气水冲洗和反冲洗配合使用 简膜通量/(I: m-2 h-1)59.534~68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曝气系统有所区别前者将压缩空气以一定的气水反冲周期/s900比定期(间需勢据60min)加入膜组件进水口在组清洗周期/d3~520~30●258膜科学与技术第23卷Lozief 10对CMF(气水反冲和ZeeWeed(浸没表3 CMF 实际运行情况[9]式)微滤装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装置都能够获得反渗透装置的水质要求运行稳定.0.1100.0821~1.5表2 ZeeWeed MF实际运行情况9]4170.0920.080. 1~1.5项目过滤通量/(Emin-1)真空度/kPa温度7210. 0860.0431.1反冲前反冲后 反冲前反冲后/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过液浸泡后未测15.未测2.02 282 5630.1200.053表4处理水质9]原水ZeeWeed产水Memocor MF产水参数平均最小最大TDS/(mg L 1 )1 1919641 4071 2169751410.1 2119771 411电导率/(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浊度/NTU2.941.0026.00.130.030.570.53污泥密度指数SDI2. 662.460.407.60HPCK(CFU mL~ 1 )4682.676161003 21640013 0001 6552642 600总大肠杆菌人CFU mL-1 )0.170.03 .0.310.080.010.16.无表6 MBR运行参数15]膜生物反应器+反渗透目标值正常流量 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/(I: min~1) >1 260 1 6521 708池与澄清池不同的是膜是-个微生物的屏障能够反冲时间/sI5反冲周期/min0捕获所有的微生物使其在反应器中再循环.与传统混合液循环速率悬浮生长活性污泥工艺相比,MBR工艺有如下优> 136182180(L: min~ 1)点(1安装空间小(2 )固体分离率高(消除泄漏);通量(I: m-2 h-1)31. 8/46.4 31.845.2(3消毒(4)增加了比体积负载(5)冰力停留时间膜池通风量/(I: min~1 ) 700/840700和生物量停留时间没有关联( 6 )延长了泥龄污泥反冲前透过液流速24. 6/4024.634.8产量小(7)长停留时间有利于生长缓慢的微生物的/(L: min-' )反冲后透过液流速培养,比如硝化菌(8)保留高分子有机物能促进降6.7011.10/(L: min -1 )表5 MBR装置生物处理性能指标15]温度/C31. 231.9DO/(mg L- 1 )1.53~3. 19TM中国煤化工0.059 0.0190.052MLSS/(mg L 1 )6 700~ 14070反CNMHG58.4 19.351.7MLVSS(mg L 1)4 800~ 10 243反冲口具工度/ Kra17. 353.7日排泥量/L363~ 689污泥产率1.14~2.03解和生物絮凝14.15].HRT/h4.0~6.2MBR(膜生物反应器)的出水可以满足反渗透泥龄厄方数据14.04~21.29装置的进水水质要求与反渗透装置配合使用组成第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15]通过-个中试试验考察了MBR + RO表7反渗透原水( MBR产水)水质15](反渗透)直接处理市政废水的情况实验结果表明参数MBR出水达到了RO装置要求的SDI、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SDI1.46~1.83.然很严重.MBR装置采用了-支ZeeWeedZW-HPC/(CFU mL~1)865~3274500膜组件. RO装置采用了36支LFC- 12540膜,表8 RO系统运行结果 15]压力/MPa电导率/( uS cm-1)回收率/%通量/(I: m-2 h-1)进料段间浓缩液原水透过液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结论International Conference on Application of Membrane1 )集成膜过程在污水深度处理中有许多优点:Technologs[ C] Beijing 2002.系统稳定,维护少占地小,化学品用量少流程简[4]属富夫矶冈富,徐 平.膜分离技术在环保领域的应用A]分离膜技术应用论文汇编[C]美国海德能公单运行费用低.2)PVDF、PP、PE、PES等超滤/微滤膜抗污染司北京2002.反渗透复合膜具有化学稳定性高、耐污染、装填密度[5] Lozier J ,Bergman R. Membrane processes in water reuse[A] Proceedings of Water Reuse Symposiun[ C] Den-高等特点适宜与规模化污水处理.ver ,Colorado :1994.3)污水处理用超滤/微滤膜以中空纤维为主，[6] Leslie G L , Dunivin W R ,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)反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 Conferenc[ C ], Monterey ,Cal-4)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 wastewater( MBR+ RO还需要进一 步的工程化研究.treatment( 8 )systems using separation membranes[ A ] .Water Reuse & Desalination Conf[ C ] Riyadh :2003. 2355 )对污染物及其与膜的相互作用的理解,有效的污染控制方法经济实用的膜清洗方法以及工程[9] Cote P ,Busson H , Pound C ,et al. Immersed membrane优化设计等问题的深入研究将有助于集成膜过程污activated sludge for the reuse of municipal wastewatef[ J ]水深度技术的应用和普及.Desalination, 1997 ,113 :189~ 196.参考文献[10] Lorier J C. Wastewater reclamation pilot study city ofMcaller[ 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中国煤化工of Reclamation , 1998.重要途径A]'21世纪国际城市污水处理及资源化发1HCNMHGnaise des Eaux - Cirsee ,et展战略研讨会与展览会"会议论文C]北京2001.al .Integratea membrane systems for surface water treat-[2 ] Anderson J.国际回用水的应用实例研究A]' 21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会议论文C]北京2001.Purer Water[ C] San Antonio: TX US ,2001. 867 ~[3] Zhai J自点取据ang Yan. A conparion of pretreatments882.●260科学与技术第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页)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中国煤化工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