微濾在水處理的應用

微濾第一節(jié)、微濾(MF)概述Microfiltration，MF，又稱微孔過濾，它屬于精密過濾，過濾精度一般在0.1-30微米，像常見的各種PP濾芯，活性炭濾芯，陶瓷濾芯等都屬于微濾范圍，用于簡單的粗過濾，能去除水中的泥沙、鐵銹等大顆粒雜質(zhì)，但不能去除水中的細菌、病毒、有機物、重金屬離子等有害物質(zhì)、微濾膜通常安裝在超濾膜和反滲透膜前面，作為超濾凈水機和RO純水機的前置處理器，他能有效保護好超濾膜和反滲透膜，延長整機壽命。納濾是凈化水技術的首選，但因其不成熟性無法得到推廣。微濾(MF)的發(fā)展微濾膜分離技術始于十九世紀中葉，是以靜壓差為推動力，利用篩網(wǎng)狀過濾介質(zhì)膜的“篩分”作用進行分離的膜過程。它主要用于從氣相和液相懸浮液中截留微粒、細菌及其它污染物，以達到凈化、分離和濃縮等目的。實施微孔過濾的膜稱為微濾膜。微濾膜是均勻的多孔薄膜，厚度在oo一150N.m左右，過濾粒徑在0.025一10N,m之間，操作壓在0.01--0.2MPa。到目前為止，國內(nèi)外商品化的微濾膜約有13類，總計400多種。微濾膜的主要優(yōu)點孔徑均勻，過濾精度高。能將液體中所有大于制定孔徑的微粒全部截留;孔隙大，流速快。一般微濾膜的孔密度為107孔/cm2，微孔體積占膜總體積的70%-80%。由于膜很薄，阻力小，其過濾速度較常規(guī)過濾介質(zhì)快幾十倍;無吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90一150gm之間，因而吸附量很少，可忽略不計。無介質(zhì)脫落。微濾膜為均一的高分子材料，過濾時沒有纖維或碎屑脫落，因此能得到高純度的濾液。微濾膜的缺點顆粒容納量小，易堵塞。第二節(jié)、微濾（MF）基本過程微濾(Microfiltration)又稱為“微孔過濾”，它是以靜壓差為推動力，利用膜的“篩分”作用進行分離的膜分離過程。MF膜具有比較整齊、均勻的多孔結(jié)構，在靜壓差的作用下，小于膜孔的粒子通過膜，大于膜孔的粒子則被阻攔在膜的表面上，使大小不一的組分得以分離。MF作用相當于過濾，由于微孔濾膜孔徑相對較大，孔隙率高，因而阻力小，過濾速度快，實際操作壓力也較低（1~2atm或bar[巴]）。MF主要從氣相和液相物質(zhì)中截留微米及亞微米級的細小懸浮物、微生物、微粒、細菌、酵母、紅細球、污染物等，以達到凈化、分離和濃縮的目的。被分離粒子的直徑范圍為0.1~10μm。MF膜在過濾時介質(zhì)不會脫落，沒有雜質(zhì)溶出，無毒，使用方便，使用壽命較長，同時，膜孔分布均勻，可將大于孔徑的微粒、細菌、污染物截留在濾膜表面，濾液質(zhì)量較高，也稱為絕對過濾（AbsoluteFiltration）。適合于過濾懸浮的微粒和微生物。MF濾除微粒和微生物的效率

懸浮液中固液分離機理：篩分截留：微濾膜將尺寸大于其孔徑的固體顆?；蝾w粒聚集體截留。吸附截留：微濾膜將尺寸小于孔徑的固體顆粒通過物理或化學吸附而截留。架橋截留：固體顆粒在膜的微孔入口因架橋作用而被截留。網(wǎng)絡截留：發(fā)生在膜內(nèi)部，由膜孔的曲折形成。靜電截留：采用帶相反電荷的微濾膜。MF分離機理氣體中懸浮顆粒分離機理：1.直接截留：同篩分機理。2.慣性沉積：當小于膜孔徑的顆粒隨氣體直線運動時，在膜孔處流線將發(fā)生改變，對于質(zhì)量較大的顆粒，由于慣性作用仍力圖沿原方向運動，這些顆?？赡芤蜃矒粼谀み吘壔蚰た兹肟诟浇目妆谏隙唤亓?。3.擴散沉積：由于非常小的顆粒具有強烈的布朗運動傾向，顆粒通過膜孔時在孔道從而被截留。微濾膜孔徑越小，微小顆粒與膜壁碰撞的概率越大，顆粒越容易產(chǎn)生擴散沉積；氣體流速越小，顆粒在孔道中停留的時間越長，顆粒越容易產(chǎn)生擴散沉積。中容易因布朗運動而與孔壁碰撞，4.攔集作用：顆粒慣性較小時，將隨氣流進入膜孔，若膜孔壁附近的氣體以層流方式運動，因為流速小，顆粒將由于重力作用而沉積下來。微濾分離示意圖水分子離子大分子顆粒與膠體（a）膜表面層截留（b）膜內(nèi)部截留（網(wǎng)絡中截留）兩種微濾過程的通量與濾餅厚度隨時間的變化關系終端過濾錯流過濾（B）錯流過濾（Cross-flowfiltration）（A）終端過濾或死端過濾（Deal-endfiltrationorIn-linefiltration）第三節(jié)、微濾膜的性能測定主要有：厚度、過濾速率、空隙率、孔徑及其分布等4個方面。膜厚通常用0.01mm的螺旋千分尺測定，較嚴格的方法是以專用的薄膜測厚儀測定。過濾速度是以恒壓連續(xù)過濾裝置測定流體在一定溫度和壓力下，單位時間內(nèi)透過單位膜面積的液體量。空隙率是通過測定的表面密度、真密度，然后按公式計算。MF膜的孔徑對嚴格控制成膜條件和選擇濾膜的最佳應用極為重要。常用測定方法有壓汞法、泡壓法、氣體流量法和已知顆粒通過法等。許多商品膜標示孔徑時，通常也都注明所用的測試方法。第四節(jié)、MF膜材料疏水聚合物膜：聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)親水聚合物膜：纖維素酯(CA和CTA)、聚碳酸酯(PC)、聚砜/聚醚砜(PSF/PES)、聚酰亞胺/聚醚酰亞胺(PI/PEI)、聚脂肪酰胺(PA)陶瓷膜：氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、碳化硅實驗室小型MF膜設備實驗室MF膜中試設備發(fā)酵液提取陶瓷膜成套設備第五節(jié)、MF膜的應用在工業(yè)發(fā)達國家，從家庭生活到尖端技術都在不同程度上應用MF技術，其主要用于無菌液體的制備、生物制劑的分離、超純水的制備以及空氣的過濾、生物及微生物的檢測等方面。①.在醫(yī)療衛(wèi)生領域中的應用

主要體現(xiàn)在藥用水（包括純凈水、注射用水）的過濾、小針劑及眼藥液的精濾及終端過濾，血液過濾，中草藥液、后發(fā)酵液的澄清過濾，空氣、蒸汽的過濾等。在制藥工業(yè)中，終端過濾的選擇相當關鍵，其去除效率取決于選擇合適的濾膜材料、膜孔徑及流程。②.在生物化學和微生物研究中的應用

利用不同孔徑的MF膜收集細菌、酶、蛋白、蟲卵等提供分析。利用膜進行生物培養(yǎng)時，可根據(jù)需要在培養(yǎng)過程中變換培養(yǎng)基，以達到多種不同的目的，并可進行快速檢驗。因此，MF技術已被用于水質(zhì)檢驗、臨床微生物標本的分離、溶液的澄清、酶活性的測定等。③.在食品飲料工業(yè)領域中的應用MF技術普遍用于酒類、飲用水、茶飲料、果汁、奶制品、碳酸飲料的澄清和除菌過濾。如用孔徑小于0.5μm的微孔濾膜（濾芯過濾器）對啤酒和酒進行過濾后，可脫除其中的酵母、霉菌和其他微生物。經(jīng)這樣處理的產(chǎn)品清澈、透明、存放期長，且成本低。我國經(jīng)多年努力，已研制出多種材質(zhì)的系列孔徑的MF膜元件，并形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，已廣泛用于國內(nèi)各大著名的飲料生產(chǎn)商，如旭日升、匯源果汁、農(nóng)夫果汁等企業(yè)。④.在電子工業(yè)中的應用電子工業(yè)使用的流體包括氣體和液體，過濾器大致分為氣體過濾器和液體過濾器。氣體過濾器采用疏水性MF膜來從主體氣體（氮、氧、氫）和特殊氣體（如硅烷、胂、磷化氫、氨）中去除粒子。液體過濾器分成化學藥劑過濾、光敏抗蝕劑過濾器及去離子水過濾器。在電子工業(yè)中，對去離子水的要求很高，因此應選擇潔凈度高，濾膜完整性好，孔徑均勻的MF膜，否則會影響去離子水的水質(zhì)，進而導致電子元器件或集成電路板的報廢。MF膜在純水制備中主要用處有兩方面：一是在RO或ED前用作保安過濾器，用以清除細小的懸浮物質(zhì)；二是在陽/陰或混合交換柱后，作為最后一級終端過濾手段，用它濾除樹脂碎片或細菌等雜質(zhì)。⑤.在油田注水的應用

在石油開采中，向低滲透油田實行早期注入高質(zhì)量的水是對低滲透油田補充能量，穩(wěn)定產(chǎn)量的長期的根本保證。在石油開采注水工藝中一個核心的環(huán)節(jié)是如何保證注入水的水質(zhì)，MF技術在其中已發(fā)揮了較大的作用，國內(nèi)主要用PE燒結(jié)微孔管、折疊式MF膜過濾芯及中空纖維UF組件等。

⑥.在家庭生活中的應用由于我國城市自來水供給系統(tǒng)在輸送過程中的不完善，我們?nèi)粘ｏ嬘玫淖詠硭嬖谥挝廴镜膯栴}，這對我們的人身健康帶灰很大的隱患。采用MF技術制造的家用凈水器，通過MF膜的過濾不僅能有效去除水中的鐵銹、泥沙等肉眼可見物，還能截留住水中的細菌、大腸桿菌等。⑦、在水凈化中的應用

重金屬廢水主要來自礦山、冶煉、電解、電鍍、農(nóng)藥、醫(yī)藥、油漆、顏料等企業(yè)排出的廢水。重金屬離子廢水的處理有很多種方法，如離子交換法、活性炭吸附法等等。其中，應用最廣泛的是化學沉淀一微濾膜工藝，它是一種將傳統(tǒng)的化學沉淀與微濾膜分離相結(jié)合的一種新的處理方法。由于微濾膜的孔徑通常大于0．1ton，不能直接截留重金屬離子，所以該法先將廢液進行預處理，使金屬離子沉淀，然后再用微濾膜過濾除去。工業(yè)廢水處理生活污水處理

生活污水是廢水排放的主要來源之一，污水中的有機污染物是導致水體被污染的主要原因，同時廢水中的氮、磷是引起海洋、湖泊、河流和其它水體富營養(yǎng)化的主要營養(yǎng)物質(zhì)。污水經(jīng)過二級生化處理后，仍有一些污染物質(zhì)如營養(yǎng)型無機鹽、氮、磷、膠體、細菌、病毒、微量微生物、重金屬以及影響回用的溶解性物質(zhì)不能完全去除，不同用途的二次水常需要深度處理。在眾多的污水深度處理技術中，膜分離技術是最具有競有競爭力且前景廣闊的方法。。

微濾膜可以截留水中大部分懸浮物、膠體和細菌，其優(yōu)點包括：出水水質(zhì)好且穩(wěn)定；處理裝置緊湊；可以去除細菌等微生物，出水可以不用再經(jīng)消毒處理；處理水中可以不添加混凝劑，因此無化學污泥產(chǎn)生；系統(tǒng)中需要處理的污泥量大大降低，在某些情況下，可以省去建造二沉池；處理規(guī)模較小的系統(tǒng)其成本比一般處理工藝低。⑧、在海水淡化預處理中的應用

近20年來，海水淡化技術日益成熟，反滲透(RO)海水淡化工藝已逐步成為海水淡化的主導技術之一。而由于反滲透膜材質(zhì)的特性，進水水質(zhì)會直接影響到反滲透的工作效果以及反滲透膜的使用壽命，所以對進水水質(zhì)指標有著嚴格的要求，因此，預處理研究已成為我國海水淡化的研究重點。而微濾膜，尤其是高抗污染的聚偏氟乙烯(PVDF)微濾膜平均微孔孔徑在0．2ttm，能有效去除海水中的藻類、細菌及其它雜質(zhì)，因此已經(jīng)越來越多地用于反滲透的前處理。第六節(jié)、三種工藝典型應用案例

國內(nèi)采用雙膜工藝實現(xiàn)工業(yè)廢水再生，由于工業(yè)企業(yè)受一次水用水指標的限制，為滿足生產(chǎn)需要，將混合污水通過集成工藝實現(xiàn)污水再利用。

原水：生活污水+煉鋼廢水+排污河水

處理規(guī)模：CMF72,000噸/天，RO50,000噸/天

系統(tǒng)運行時，微濾裝置、反滲透裝置均采用并聯(lián)運行的方式，微濾裝置的水的利用率設計不小于94%，微濾裝置出水污染指數(shù)(SDI)小于3。反滲透裝置產(chǎn)水回收率不小于75%，初期總脫鹽率不小于97%，三年后脫鹽率不小于95%。

傳統(tǒng)生化工藝處理后，污水經(jīng)絮凝沉淀，進入CMF系統(tǒng)處理，出水可直接回用于低端產(chǎn)品生產(chǎn)線，CMF后接RO除鹽后產(chǎn)水用于高端產(chǎn)品生產(chǎn)線的工藝用水。該項目由于進水為復雜的混合污水，水質(zhì)波動較大，需要根據(jù)水質(zhì)變化情況對膜系統(tǒng)及時維護清洗。全部的生產(chǎn)用水供給，總體狀況良好，實現(xiàn)了復雜水體的循環(huán)再利用。1、工業(yè)污水再生水項目2、MBR技術處理高氨氮味精廢水

味精廢水的特點是COD高，氨氮高。某味精企業(yè)，采用傳統(tǒng)工藝處理廢水難于達標，同時由于水資源短缺制約企業(yè)的發(fā)展。通過采用MBR技術很好的解決了這一問題。

原水COD在4000-5000mg/L，氨氮在180-400mg/L，經(jīng)過UASB后，出水COD可以控制在500mg/L以下，氨氮略有上升，主要是在厭氧階段產(chǎn)生了氨化反應。

由于氨氮濃度高，設置缺氧段，目的實現(xiàn)脫氮，同時通過反硝化補充部分硝化過程的堿度消耗。

MBR系統(tǒng)對COD、NH4-N處理效果可以看出，進水氨氮濃度范圍195-420mg/L,出水氨氮可以控制在1mg/L以下。硝化效果非常理想。進水COD在390-700mg/L范圍波動，產(chǎn)水COD平均65mg/L。

理論上MBR所用膜過濾精度與CMF一樣，實際檢測MBR出水SS幾乎為零，但是基于以下原因，MBR出水一般并不直接進入RO：

(1)MBR工藝中膜所在溶液環(huán)境的污泥濃度通常7000-9000mg/L，生化池和膜池在室外，一旦大的機械雜質(zhì)進入造成膜破損會導致出水水質(zhì)下降，進而增加反滲透膜污染的風險。

(2)由于產(chǎn)水總氮含量較高，產(chǎn)水管路中易滋生藻類，造成出水SDI保持在3以下有一定困難。因此在該項目中，在MBR之后采用CMF工藝作為RO預處理，脫鹽水回用于生產(chǎn)過程的循環(huán)冷卻用水。根據(jù)物料恒算，RO回收率控制在60%以內(nèi)，可以使各項排放水指標(包括RO濃水)達到《味精工業(yè)污染物排放標準》(GB1319431-2004)。這樣處理后，既達到了排放標準，又實現(xiàn)污水循環(huán)利用，節(jié)約了寶貴的水資源。3、SMF工藝用于深度處理升級

采用絮凝沉淀加砂濾工藝處理污水二沉池出水，產(chǎn)水供工業(yè)和居住區(qū)作為中水使用，砂濾站的原有處理能力為3萬噸/天(6個砂濾池)。為提高中水水質(zhì)和供給量，擬采用SMF技術和設備對原有的砂濾工藝進行改造。為此進行了兩年多的SMF中式運行試驗，期間的試驗規(guī)模從2m3/h、12m3/h到70m3/h的24小時連續(xù)運行。試驗結(jié)果表明該工藝出水水質(zhì)好，運行穩(wěn)定可靠，測得的產(chǎn)水濁度﹤0.1NTU，SDI﹤3，細菌去除率>99.99%，全年噸水平均能耗不超過0.04度。

在充分試驗的基礎上，對原有砂濾站實施了膜法改造，將原有的4個砂濾池改造成膜過濾池，利用砂濾站三分之二的構筑物(處理能力2萬噸/天)擴容到5.3萬噸/天的規(guī)模，單池處理能力就達到1.3萬噸/天，產(chǎn)水水質(zhì)較砂濾工藝大幅度提升，部分產(chǎn)水進入RO，得到1.2萬噸/天的脫鹽水，經(jīng)勾兌后做冷卻循環(huán)水使用，可充分滿足對生產(chǎn)用水的需求，同時也停止過去使用海河水作為生產(chǎn)工藝用水源，最大限度地減少對地表水資源的占用。

隨著社會的發(fā)展和技術進步，膜技術的應用已日益普及，膜及其集成技術的應用規(guī)模也不斷擴大，應用技術水平也迅速提高。不同的膜應用技術和膜產(chǎn)品各有其特點，適用的條件和環(huán)境，要根據(jù)具體情況加以選擇。以科學的態(tài)度來認識不同的膜應用工藝在水處理中的作用，不能僅從各自所長和狹隘商業(yè)利益的角度片面夸大或貶低某種膜技術的作用和價值，這樣做既不利于膜技術的發(fā)展，同時對用戶來說也會因為被誤導而導致錯誤的選擇，造成社會資源的浪費。4、MF+RO雙膜法工藝在再生水工程中的應用

北京是世界上嚴重缺水的大城市之一,近年來隨著北京經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)的飛速發(fā)展,區(qū)內(nèi)工業(yè)企業(yè)數(shù)量迅猛增長,工業(yè)企業(yè)用水量逐年上升。盡管開發(fā)區(qū)已有建成的污水處理廠,但水污染環(huán)境形勢依然嚴峻,當前開發(fā)區(qū)用水量增長與水資源短缺、水環(huán)境污染的矛盾日益突出,這也必將成為制約開發(fā)區(qū)水資源可持續(xù)利用和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要障礙,因此利用再生水防治水體環(huán)境污染、緩解水的供需矛盾能夠起到積極的作用。

再生水廠主體生產(chǎn)工藝采用/微濾+反滲透0,即/MF(Microfiltration)+RO(ReverseOsmosis)0組合工藝,并根據(jù)實際需要設置合理的配套單元,如預處理、殺菌、化學清洗系統(tǒng)等(圖1)。經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)污水處理廠二級出水通過進水管線引入格柵間,經(jīng)提升水泵提升并添加抑菌劑后進入自清洗過濾器進行過濾,自清洗過濾器出水進入MF系統(tǒng),MF系統(tǒng)出水進入中間水池,并添加非氧化性抑菌劑、阻垢劑、還原劑后,經(jīng)RO供水泵加壓進入保安過濾器,過濾器出水再經(jīng)RO高壓泵加壓后進入RO系統(tǒng),處理出水進入清水池,在進入清水池前采用加氯消毒,以保證管網(wǎng)內(nèi)余氯要求,最后通過回用水泵房加壓送入廠區(qū)外配套再生水管網(wǎng)向用戶供水。再生水生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的濃水、反沖洗排水及化學清洗廢液排至濃水處理區(qū)域進行處理。工藝流程的說明第七節(jié)、MF膜污染及控制

膜污染通常是膜表面的附著層和膜孔堵塞。當溶質(zhì)是水溶性大分子時，由于其擴散系數(shù)很小，從膜表面向原料液主體的擴散通量也很小，因此膜表面的溶質(zhì)濃度顯著增高，形成不可流動的凝膠層。膜表面的附著層可能是水溶性高分子的吸附層和料液中懸浮物在膜表面上堆積起來的濾餅層。

產(chǎn)生膜堵塞的原因包括懸浮物或水溶性大分子在膜孔中受到空間位阻，蛋白質(zhì)等水溶性大分子在膜孔中的表面吸附，以及難溶性物質(zhì)在膜孔中的析出。機械堵塞是固體顆粒把膜孔完全堵住；吸附是顆粒吸附在孔壁上而使孔徑變?。患軜蚪亓舨煌耆氯椎溃纬蔀V餅過濾。大多數(shù)情況下，過濾初