污水回用技術(shù)：第5章 過濾及膜技術(shù)

1、第5章 過濾及膜技術(shù)分類（按過濾介質(zhì)）過濾：常規(guī)水處理中，過濾一般指以石英砂等粒狀濾料層截 留水中懸浮雜質(zhì)，從而使水獲得澄清的工藝過程。格篩過濾：柵條或柵網(wǎng)微孔過濾：成型濾材（濾布、濾管、濾芯等）深層過濾：采用粒狀濾料（石英砂、無煙煤等）膜過濾：半透膜作為過濾介質(zhì)（反滲透、超濾、納濾等）應(yīng)用： （1）吸附、離子交換、膜分離法的預(yù)處理手段； （2）生化處理后的典型深度處理，使濾后水達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)。膜技術(shù)：以高分子功能膜為代表，利用特殊薄膜對(duì)液體中 的某些成分進(jìn)行選擇性透過的方法。以高分功能膜為代表 1953年首次提出反滲透技術(shù)淡化海水構(gòu)想； 1960年加利福尼亞大學(xué)研制出第一張可實(shí)用的反滲透膜，標(biāo)

2、志著膜科學(xué)技術(shù)誕生。滲透和滲析 滲透：溶劑透過膜的過程。 滲析：溶質(zhì)透過膜的過程。常規(guī)膜技術(shù)：反滲透、納濾、超濾、微濾（、電滲析、自然滲析、 液膜技術(shù)）等。應(yīng)用（1）海水和苦咸水脫鹽； （2）廢水回用和循環(huán)； 處理市政污水用于間接飲用與直接工業(yè)回用，工業(yè)用水循環(huán)再利用，甚至飲用水直接回用，以二級(jí)市政污水生產(chǎn)高質(zhì)量飲用水。（3）拓展：前景廣闊 飲用水處理、工業(yè)廢水脫色、垃圾填埋場滲濾液處 理、膜生物反應(yīng)器、水的回收循環(huán)利用等。特點(diǎn)（P126）（1）不發(fā)生相變，能量轉(zhuǎn)化率高； （2）分離與濃縮同時(shí)進(jìn)行，可回收有價(jià)值的物質(zhì)；（3）根據(jù)膜特性將不同物質(zhì)分開；（4）膜分離過程不會(huì)破壞對(duì)熱不穩(wěn)定性的物質(zhì)，

3、常溫下即可 分離；（5）不需投加藥劑、可節(jié)省原材料和化學(xué)藥品；（6）適應(yīng)性強(qiáng)，操作及維護(hù)方便，易于實(shí)現(xiàn)自控。1 過濾 一、機(jī)理（1）截留：大的顆粒難以通過濾料的小孔被直接去除，小的顆粒撞到濾料正面被截留。（2）沉降：顆粒直接沉降到濾料上。（3）撞擊：顆粒偏離水流流線而撞擊到濾料上。（4）攔截：當(dāng)顆粒隨水流流線遷移時(shí)碰到濾料而被去除。（5）吸附：顆粒受到濾料的某種物化作用，被吸附到濾料表面。（6）凝聚：未被截留的顆粒碰到已被截留的顆粒表面，凝聚在上面，同時(shí)被去除。二、濾池的形式及構(gòu)造1、普通快濾池1、濾池的分類按水流方向下向流上向流：P120圖5-6（DYNASAND過濾器）雙向流輻射流：P12

4、1圖5-7按濾料組成單層砂濾雙層濾料(P121)多層濾料從藥劑投量 和加注點(diǎn)沉淀后過濾直接過濾微絮凝過濾(接觸)凝聚過濾微絮凝過濾：濾池前設(shè)一簡易微絮凝池，原水加藥混合 后先經(jīng)微絮凝池，形成粒徑相近的微絮粒 （4060m），即刻進(jìn)入濾池過濾。 微絮凝：要求形成絮體尺寸較小，便于深入濾層深處以提高濾層含 污能力。 絮凝： 要求絮凝體尺寸愈大愈好，以便在沉淀池內(nèi)下沉。接觸過濾：原水經(jīng)加藥后直接進(jìn)入濾池過濾，濾前不設(shè) 任何絮凝設(shè)備，進(jìn)入濾池后濾料也是接觸凝 聚介質(zhì)。接觸過濾工藝流程圖按閥門配置四閥濾池雙閥濾池?zé)o閥濾池按沖洗方式小阻力中阻力大阻力按運(yùn)行方式間歇過濾濾池移動(dòng)沖洗罩濾池連續(xù)過濾濾池按濾速慢

5、速濾池(V=0.040.4m/h)快速濾池(V=410m/h)高速濾池(V=1060m/h)三、雙層濾料過濾 濾層含污量：單位體積濾料中的平均含污量（濾層含污能力）反沖洗前后實(shí)踐證明：雙層濾料含污能力較單層濾料含污能力高1倍以上。2 反滲透（RO） 一、膜分離法概述1kg/cm2=98.067KPa=0.98bar；1bar=0.1MPa=1.02kg/cm2評(píng)價(jià)膜性能主要考慮的幾個(gè)因素（1）截留分子量和截留率（2）水通量：單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積上的流量（m3/(m2s)）截留率一定時(shí)水通量越大越好。（3）平均孔徑和孔徑分布（4）膜表面的物理化學(xué)性能（5）其他（耐熱性、耐酸性、強(qiáng)度、壽命等）膜

6、分離過程多數(shù)膜有三股液流：進(jìn)水、濃水、滲透液（P127圖5-10） 死端過濾（靜態(tài)死端式、全流過濾）：進(jìn)料液體垂直流過 膜，無截留液； 交叉流過濾：進(jìn)水流向與膜面平行（水力沖刷，沉積微粒返 回流體主體，有效減輕膜面有機(jī)物積累），在高 通量下運(yùn)行更持久。回收率：截留率：二、反滲透機(jī)理1、滲透現(xiàn)象與滲透壓恰能阻止?jié)B透現(xiàn)象繼續(xù)發(fā)生而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的壓力稱為滲透壓力，用符號(hào)表示，單位KPa或Pa 。（1）定義滲透（2）滲透壓力與濃度、溫度的關(guān)系 溶液的滲透壓與溫度、濃度的關(guān)系： 范特荷甫公式：cRT 式中 溶液的滲透壓kPa c溶液濃度mol/L T絕對(duì)溫度K(273.15t0C) R氣體常數(shù) 8.3

7、1kPaLmol-1K-1a.在一定溫度下，溶液的滲透壓與它的濃度 成正比。 Cb.在一定濃度下，溶液的滲透壓與絕對(duì)溫度 成正比。 T由上式可知： 稀溶液的滲透壓與溶液的物質(zhì)的量濃度及絕對(duì)溫度成正比，而與溶質(zhì)及溶劑的種類無關(guān)。cRT的意義在一定溫度下，溶液的滲透壓與溶液的濃度成正比即與溶液中溶質(zhì)的數(shù)目成正比，而與溶質(zhì)的本性無關(guān)不論溶質(zhì)微粒是小分子或大分子，只要溶液中溶質(zhì)粒子的數(shù)目相等，則滲透壓就相同cRT適用范圍 cRT只適用于非電解質(zhì)稀溶液 如：0.3mol/L葡萄糖溶液與0.3mol/L蔗糖 溶液，其相同； 當(dāng)兩種非電解質(zhì)溶液的c不同時(shí)，c大，它的就大 由于電解質(zhì)分子在溶液中發(fā)生電離產(chǎn)生離

8、子，使溶液中粒子的數(shù)目成倍增加，用cRT計(jì)算電解質(zhì)溶液的滲透壓將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。 為了消除誤差，引入一個(gè)校正系數(shù)i 滲透壓公式改寫為 icRT計(jì)算電解質(zhì)溶液的滲透壓 式中i校正因子，指溶質(zhì)的一個(gè)分子在溶液中能產(chǎn)生的粒子數(shù)。 例如：0.3mol/LNaCl 1(i=2) 0.3mol/LC6H12O6 2 (i=1) 則 12 2 例：1L溶液中含5.0g馬的血紅素，在298K時(shí)測(cè)得溶液的 滲透壓為1.8102Pa，求馬血紅素的相對(duì)分子量。解：定義：在咸水一側(cè)施加壓力P大于溶液滲透壓，則滲透反向。2、反滲透單位體積海水理論耗能量（P128）： 海水淡化過程，鹽度不斷提高，滲透壓隨之升高，實(shí)際所

9、耗能量比理論值大得多。反滲透分離物質(zhì)反滲透在純凈水制備中的作用3、反滲透機(jī)理一級(jí)反滲透二級(jí)反滲透三、工藝1、膜及膜組件醋酸纖維素（CA）膜芳香族聚酰胺膜膜 平板膜：板框式、卷式 管式膜：管式、中空纖維膜膜組件（1）板框式：書P129圖5-13（a），由一定數(shù)量的多孔隔板組合，每塊隔板兩面裝有反滲透膜；（2）卷式：板框式卷繞；（3）管式：內(nèi)壓式、外壓式（4）中空纖維膜組件：外徑50-100m，壁厚12-25 m板框式膜組件卷式膜組件管式膜組件中空纖維膜組件2、預(yù)處理（1）pH值調(diào)整（5.5-6.2，弱酸，防沉淀堵塞）；（2）去懸浮固體及膠體（混凝、精密過濾）；（3）去除可溶性有機(jī)物及殘留膠體、懸

10、浮性有機(jī)物（化學(xué)氧化，氯或次氯酸鹽）（4）水的回收率控制：越高則有機(jī)物越濃縮（多級(jí)串聯(lián)）（5）細(xì)菌、藻類、微生物的去除；（6）超濾去除油、膠體、微生物等。SDI：污染指數(shù)（淤泥密度指數(shù),FI）,表征水中顆粒、膠體和其他能阻塞各種水純化設(shè)備的物質(zhì)含量，是測(cè)定反滲透系統(tǒng)進(jìn)水的重要指標(biāo)之一。SDI的測(cè)量是通過47mm直徑，0.45m孔徑的膜的流速的衰減，轉(zhuǎn)換為1-100,反滲透進(jìn)水應(yīng)不高于5。3、工藝 P132圖5-7：單程式、循環(huán)式、多段式4、膜清洗 物理法：水力清洗、水氣混合沖洗、逆流清洗 化學(xué)法：根據(jù)污染物性質(zhì)選擇清洗藥劑（與污染物反應(yīng)；溶解污染物） P133表5-6、5-7，清洗配方的配制及

11、選用。四、計(jì)算：略五、反滲透的應(yīng)用 海水淡化：34300mg/L（3.5%），5-7MPa 苦咸水淡化（1000-5000mg/L），2-3MPa 城市污水深度處理（二級(jí)處理水） 電鍍廢水 反滲透技術(shù)還應(yīng)用于水果和蔬菜汁的濃縮等過程。3 納濾（NF）分離壓力：0.5-2.0MPa(反滲透2-7MPa)；膜孔徑：3-60nm(納米級(jí))；截留分子量：100-1000（200-500），可截留一部分無機(jī)鹽；對(duì)單價(jià)離子和分子量小于300的小分子截留率較低；對(duì)二價(jià)離子和分子量大于300的有機(jī)小分子截留率較高；應(yīng)用廣泛：在飲用水領(lǐng)域用于脫除三鹵甲烷中間體（THMFP）、異味、色度、農(nóng)藥、合成洗滌劑、可溶性

12、有機(jī)物、Ca、Mg、鉈等硬度。一、分離機(jī)理傳統(tǒng)理論：納濾膜傳質(zhì)機(jī)理與反滲透膜相似，通過溶解擴(kuò)散傳遞（納濾有時(shí)亦稱“低壓反滲透”、混合過濾、雜化過濾）；納濾膜：疏松的反滲透膜。后研究發(fā)現(xiàn)不能很好解釋納濾膜特征。立體阻礙-細(xì)孔模型電荷模型空間電荷模型固定電荷模型二、納濾的分離特性材料：醋酸纖維素（CA）、醋酸纖維素-三醋酸纖維素、磺化聚砜等，一 般為復(fù)合型膜(即膜的表面分離層和它的支撐層的化學(xué)組成不同)膜組件：板框式、卷式、管式、中空纖維式1、分離規(guī)律（1）陰離子 截留率從小到大：NO3-F- Cl- HCO3- SO32- SO42- CO32-（2）陽離子 截留率從小到大：H+ Na+ K+

13、Ca 2+ Mg 2+ Cu2+（3）有機(jī)物：疏水性有機(jī)物截留效果好；親水性有機(jī)物截留率較低（4）截留分子量：100-1000。2、工作壓力：0.5-2MPa規(guī)律：操作壓力越高，料液通過膜的通量越大；高壓下導(dǎo)致膜的致密 化會(huì)使通量降低。操作方式：恒定壓力操作法；恒定通量操作法。 （1）恒定壓力：保持操作壓力一定，隨膜污染通量逐漸下降 （2）恒定通量：保持通量一定，隨膜污染不斷升高壓力3、操作溫度溫度上升，溶質(zhì)和溶劑擴(kuò)散系數(shù)變大，粘度下降，膜通量提高；溫度過高，膜致密化，破壞膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)，改變膜性能。4、流速高流速可減少濃差極化或沉積層，提高滲透通量；流速的選擇主要考慮物質(zhì)對(duì)剪切力的敏感、能耗等

14、因素。5、應(yīng)用染料廢水處理及染料回收；中藥提取液回收；處理含鉻廢水4 超濾 （UF）分離壓力：0.1-0.6MPa(納濾1-2MPa反滲透2-7MPa)；膜孔徑：60-1000nm(納濾3-60nm)；截留分子量：1000-30000納濾100-1000（200-500），可截留一部分無機(jī)鹽；去除對(duì)象:高分子化合物、蛋白質(zhì)、大多數(shù)細(xì)菌、病毒等。一、超濾原理超濾膜：醋酸纖維素膜、聚砜膜，等。膜組件：同反滲透、納濾，板式、管式、卷式、中空纖維。 常見的間歇式流程見圖。圖中(a)為間歇操作開式回路流程,將一批料液加入貯槽,用泵加壓后送往膜組件,使之連續(xù)排出透過液,濃縮液則返回槽中與貯槽中原料液混合后

15、送往膜組件。如此循環(huán)操作,直到濃縮液濃度達(dá)到預(yù)定值為止。這種流程操作簡單, 濃縮速度快,所需膜面積小,但全循環(huán)時(shí)泵的能耗高。為了降低能耗,可采用部分循環(huán)操作,如圖(b)所示為間歇操作閉式回路流程。間歇操作通常在實(shí)驗(yàn)室中和小型中試廠使用。 1、間歇式二、超濾的操作方式2、連續(xù)式 連續(xù)式超濾過程是指料液連續(xù)不斷加人貯槽和產(chǎn)品的不斷產(chǎn)出?？煞譃閱渭?jí)和多級(jí)。單級(jí)連續(xù)式操作過程的效率較低,一般采用多級(jí)連續(xù)式操作。 特點(diǎn)：每一級(jí)都在一個(gè)固定的濃度下操作, 最后一級(jí)的濃度是最大的,即為濃縮產(chǎn)品；只有最后一級(jí)在高濃度下操作,滲透通量低,其他級(jí)操作濃度均較低,滲透通量相應(yīng)也較大,因此級(jí)效率高。 應(yīng)用：大規(guī)模生產(chǎn)

16、,特別適用于食品工業(yè)領(lǐng)域。3、重過濾操作 應(yīng)用于大分子和小分子的分離，流程見P143圖5-26。 原理：料液中含有各種大小分子溶質(zhì)，若不斷加入純?nèi)軇ㄋ┮匝a(bǔ)充濾出液體積，低分子組分被逐漸清洗出去，實(shí)現(xiàn)大小分子的分離。1、 料液流速 V，減少濃差極化；能耗 。2、操作壓力 在壓差較小的范圍內(nèi),滲透通量隨壓差增長較快;當(dāng)壓差較大時(shí),隨壓差的增加滲透通量增長逐漸減慢,且當(dāng)膜表面形成凝膠層時(shí),滲透量趨于定值不再隨壓差而變化,此時(shí)的滲透通量稱為臨界滲透通量。 實(shí)際超濾操作壓力應(yīng)接近臨界滲透通量時(shí)的壓差,若壓差過高不僅無益而且有害。 三、影響因素3、 溫度 溫度，提高通透量； 溫度，某些組分溶解度，膜污

17、染（乳清中的鈣鹽）； 大多數(shù)超濾應(yīng)用的溫度范圍為3060； 牛奶、大豆體系的料液,最高超濾溫度不超過5560。4、運(yùn)行周期 周期性操作：超濾凝膠層通量下降清洗5、 進(jìn)料濃度 最高允許濃度：P144表5-12 。6、料液的預(yù)處理 沉淀、混凝、過濾、吸附等。7、膜清洗 先水力清洗，再采用化學(xué)洗滌劑清洗。（P144表5-13：各種清洗方法） 定義：在超濾分離過程中,膜截留下來的溶質(zhì)粒子在膜前積累,使膜表面溶質(zhì)濃度逐漸高于原料液主體溶質(zhì)濃度,在此濃度差為推動(dòng)力的作用下,溶質(zhì)便從膜表面向料液主體擴(kuò)散,形成具有濃度梯度的邊界層,這就是超濾過程的濃差極化。四、濃差極化問題：由于濃差極化,膜表面處溶質(zhì)濃度高,

18、會(huì)導(dǎo)致溶質(zhì)截留率的下降和滲透通量的下降。當(dāng)膜表面處溶質(zhì)濃度達(dá)到飽和時(shí),在膜表面形成凝膠層,使溶質(zhì)截留率增大,但滲透率顯著減小。計(jì)算：略。五、應(yīng)用 飲用水處理、純水制備、生活污水處理、電泳涂漆廢水處理、乳化油廢水處理，等。礦泉水的制造礦泉水的水源必須是地下水,而這種水在地下流動(dòng)時(shí)會(huì)溶入某些無機(jī)鹽。采用超濾和微濾組合工藝可制造合乎飲用水標(biāo)準(zhǔn)的礦泉水。5 微濾 （MF） 分離壓力：0.1-0.2MPa（超濾：0.1-0.6MPa、納濾1-2MPa、反滲透2-7MPa）；膜孔徑：250-90000nm(超濾60-1000nm、納濾3-60nm)；截留分子量：0.025-10m(粒徑)納濾100-1000（200-500），可截留一部分無機(jī)鹽；去除對(duì)象:固體懸浮物、濁度、原生動(dòng)物、細(xì)菌、病毒等（超濾：高分子化合物、蛋白質(zhì)、大多數(shù)細(xì)菌、病毒等）。工藝：與