污水回用技術：第5章 過濾及膜技術

1、第5章 過濾及膜技術分類（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）應用： （1）吸附、離子交換、膜分離法的預處理手段； （2）生化處理后的典型深度處理，使濾后水達到回用標準。膜技術：以高分子功能膜為代表，利用特殊薄膜對液體中 的某些成分進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淡化海水構想； 1960年加利福尼亞大學研制出第一張可實用的反滲透膜，標

2、志著膜科學技術誕生。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：反滲透、納濾、超濾、微濾（、電滲析、自然滲析、 液膜技術）等。應用（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、膜生物反應器、水的回收循環(huán)利用等。特點（P126）（1）不發(fā)生相變，能量轉(zhuǎn)化率高； （2）分離與濃縮同時進行，可回收有價值的物質(zhì)；（3）根據(jù)膜特性將不同物質(zhì)分開；（4）膜分離過程不會破壞對熱不穩(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)省原材料和化學藥品；（6）適應性強，操作及維護方便，易于實現(xiàn)自控。1 過濾 一、機理（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：當顆粒隨水流流線遷移時碰到濾料而被去除。（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，同時被去除。二、濾池的形式及構造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)加藥后直接進入濾池過濾，濾前不設 任何絮凝設備，進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無閥濾池按沖洗方式小阻力中阻力大阻力按運行方式間歇過濾濾池移動沖洗罩濾池連續(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評價膜性能主要考慮的幾個因素（1）截留分子量和截留率（2）水通量：單位時間內(nèi)通過單位面積上的流量（m3/(m2s)）截留率一定時水通量越大越好。（3）平均孔徑和孔徑分布（4）膜表面的物理化學性能（5）其他（耐熱性、耐酸性、強度、壽命等）膜

6、分離過程多數(shù)膜有三股液流：進水、濃水、滲透液（P127圖5-10） 死端過濾（靜態(tài)死端式、全流過濾）：進料液體垂直流過 膜，無截留液； 交叉流過濾：進水流向與膜面平行（水力沖刷，沉積微粒返 回流體主體，有效減輕膜面有機物積累），在高 通量下運行更持久。回收率：截留率：二、反滲透機理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)生而達到動態(tài)平衡時的壓力稱為滲透壓力，用符號表示，單位KPa或Pa 。（1）定義滲透（2）滲透壓力與濃度、溫度的關系 溶液的滲透壓與溫度、濃度的關系： 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)的量濃度及絕對溫度成正比，而與溶質(zhì)及溶劑的種類無關。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； 當兩種非電解質(zhì)溶液的c不同時，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計算電解質(zhì)溶液的滲透壓將會產(chǎn)生較大的誤差。 為了消除誤差，引入一個校正系數(shù)i 滲透壓公式改寫為 icRT計算電解質(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時測得溶液的 滲透壓為1.8102Pa，求馬血紅素的相對分子量。解：定義：在咸水一側施加壓力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、反滲透機理一級反滲透二級反滲透三、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）去除可溶性有機物及殘留膠體、懸

10、浮性有機物（化學氧化，氯或次氯酸鹽）（4）水的回收率控制：越高則有機物越濃縮（多級串聯(lián)）（5）細菌、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備的物質(zhì)含量，是測定反滲透系統(tǒng)進水的重要指標之一。SDI的測量是通過47mm直徑，0.45m孔徑的膜的流速的衰減，轉(zhuǎn)換為1-100,反滲透進水應不高于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 化學法：根據(jù)污染物性質(zhì)選擇清洗藥劑（與污染物反應；溶解污染物） P133表5-6、5-7，清洗配方的配制及

11、選用。四、計算：略五、反滲透的應用 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（二級處理水） 電鍍廢水 反滲透技術還應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)；截留分子量：100-1000（200-500），可截留一部分無機鹽；對單價離子和分子量小于300的小分子截留率較低；對二價離子和分子量大于300的有機小分子截留率較高；應用廣泛：在飲用水領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、有機物、Ca、Mg、鉈等硬度。一、分離機理傳統(tǒng)理論：納濾膜傳質(zhì)機理與反滲透膜相似，通過溶解擴散傳遞（納濾有時亦稱“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 般為復合型膜(即膜的表面分離層和它的支撐層的化學組成不同)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）有機物：疏水性有機物截留效果好；親水性有機物截留率較低（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；高壓下導致膜的致密 化會使通量降低。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，破壞膜的化學結構，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)對剪切力的敏感、能耗等

14、因素。5、應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），可截留一部分無機鹽；去除對象:高分子化合物、蛋白質(zhì)、大多數(shù)細菌、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,直到濃縮液濃度達到預定值為止。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。間歇操作通常在實驗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?？煞譃閱渭壓投嗉?。單級連續(xù)式操作過程的效率較低,一般采用多級連續(xù)式操作。 特點：每一級都在一個固定的濃度下操作, 最后一級的濃度是最大的,即為濃縮產(chǎn)品；只有最后一級在高濃度下操作,滲透通量低,其他級操作濃度均較低,滲透通量相應也較大,因此級效率高。 應用：大規(guī)模生產(chǎn)

16、,特別適用于食品工業(yè)領域。3、重過濾操作 應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充濾出液體積，低分子組分被逐漸清洗出去，實現(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;當壓差較大時,隨壓差的增加滲透通量增長逐漸減慢,且當膜表面形成凝膠層時,滲透量趨于定值不再隨壓差而變化,此時的滲透通量稱為臨界滲透通量。 實際超濾操作壓力應接近臨界滲透通量時的壓差,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、運行周期 周期性操作：超濾凝膠層通量下降清洗5、 進料濃度 最高允許濃度：P144表5-12 。6、料液的預處理 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,在此濃度差為推動力的作用下,溶質(zhì)便從膜表面向料液主體擴散,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、會導致溶質(zhì)截留率的下降和滲透通量的下降。當膜表面處溶質(zhì)濃度達到飽和時,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。計算：略。五、應用 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時會溶入某些無機鹽。采用超濾和微濾組合工藝可制造合乎飲用水標準的礦泉水。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），可截留一部分無機鹽；去除對象:固體懸浮物、濁度、原生動物、細菌、病毒等（超濾：高分子化合物、蛋白質(zhì)、大多數(shù)細菌、病毒等）。工藝：與