一种新型超滤膜技术介绍

一种新型超滤膜技术介绍

膜技术是一门崭新的跨学科实用技术。半个世纪以来，膜技术已成功地在饮用水净化、工业用水处理、食品加工、医药制造以及化学工业得到广泛地应用，被公认为是当代最有前途的高新技术之一。膜的过滤是固液分离技术，它通过膜孔把水滤过，并将水中杂质截留，而不发生化学变化。根据膜截留原水颗粒的大小，膜孔从粗到细分为微滤膜(MF)，超滤膜(UF)，纳滤膜(NF)和反渗透膜(RO)。一德国公司生产的超滤膜（UF）是目前世界上最好的超精、超细过滤膜之一，本文着重介绍这种新型超滤膜技术。

1．超滤膜

这种新型超滤膜以其特有专利技术“Multibore TM”，生产出多孔毛细管过滤膜，它具有较高强度，较好的安全性能，能避免对毛细管的损坏或粘附。不同的过滤膜结构允许不同的渗入和渗出情况，而“Multibore TM”多孔过滤膜技术使得该膜在饮用水处理过程中获得了最佳的处理方式，并且依赖该技术,废水处理也得以令人信服的实现和完成。

用这种新型超滤膜加工而成的膜组是一个中空的纤维过滤膜块,它允许的平均分子量为150KD，一个直径为225毫米的膜组包含约1800个多孔毛细管膜, 每个多孔毛细管包含七个甚至更多的（目前最新的一种为九孔）内径为0.8毫米的纤维。这种纤维的组成材料

是含有添加剂（PESM）的聚乙烯和一种亲水的防有机污垢的材料。膜组的结构如图1所示。

图1.膜组的结构

水在膜组中的流动模式是由内向外渗出，也就是说,注入的原水流经膜组时就会通过多孔毛细管壁呈向外辐射状的渗出。膜组中的过滤膜被设计用来清除杂质微粒的。水被加压后渗出隔膜,而微粒被留在了隔膜的表面。由于隔膜孔的尺寸小,所有的悬浮固体颗粒包括微生物都被有效的阻隔了下来，这些微粒汇集增多形成了一个污垢层聚在膜表面,因此必须定期进行反洗以便清除这些微粒物质。

通过提供不同尺寸的膜组产品,可以适合不同的具体需求，并且为了确保经过过滤膜时水流分配均匀,一种特殊的栅格结构分流装置已经开发出来并被很好地整合到每一个膜组中。

此外, 这种膜组技术所拥有的去除细菌病毒能力使得这种模块成为处理地表水和地下水用于饮用水的最理想的选择，而且它在去

除胶状物方面出有独特之处，因而该系统对于反渗透系统的原水也能进行很好的预处理。

2．膜组的去杂质能力

对病毒和细菌去除能力的度量用单位“log”表示(例如:5log 的减少量)。用以下的公式可以把log转换为百分比。

2．1．MS2噬菌体的去除量

膜组对病毒和MS2噬菌体的去除能力是很难测定清楚的。这是由于膜组超强的过滤能力使得被膜阻隔下来的高浓度的噬菌体需要长时间的药物清除。技术上所能达到的指标是每升含有10万个噬菌体的浓度，但是膜组的去除噬菌体浓度却高于这个指标，所以我们已经很难通过技术指标来确定膜组除菌的能力了。经测，MS2噬菌体通过膜组后，它的减少量大于99.999%(5log)。

图2.膜组除菌能力

图2给出了膜组的除菌能力指数：反洗一小段时间后含菌量指数和反洗前含菌量指数(反洗前有少量附着物,反洗后无附着物)，第三个指数是在两次反洗之间记录下来的。

2．2．隐孢子（Cryptosporidia）的减少量

在广泛的试验中,隐孢子(尺寸为4—6微米)通过膜组过滤系统时，其减少量如下图3所示。

图3．隐孢子的减少量

2．3．浊度的降低

过滤后的水的质量并不随原水的质量变化而变化。特别是当原水浊度很高时，膜组也能保证持续高效的过滤质量。而且，此过程可以轻易的全自动操作，

在实际测试某市政污水排放处，膜组被证明具有如下图所示降低混浊程度的能力。

图4．浊度的降低

2．4．降低淤泥浓度(SDI)指数

SDI指数作为水的过滤能力指标,它的降低主要由注入过滤器的原水的粘度决定。除了某些特殊的物质，胶状污物和溶解有机物也影响SDI指数。我们可以通过使用该新型超滤膜，能彻底清除胶状污物和溶解有机物，然而对溶解有机物的清除，还要由其分子大小决定。此外，通过添加凝聚剂的方法，可以显著提高过滤效果和SDI指数。有时根据原水质量的不同，甚至可以不加凝聚剂，也可以得到范围从1到4波动的SDI指数.

2．5．总有机物含量(TOC)的降低

TOC指特殊的胶状物，而且包含部分溶解有机物。由于超滤膜(UF)根据分子重量的不同过滤各种不同杂质，但整个过滤效果只体

现在单个数据上。在UF系统之前，加入凝聚剂，可以帮助提高对低分子有机物的过滤效果。

通过提高凝聚剂的凝聚程度和改善原水ph值的方法，优化凝聚剂的投入量，以便最大程度去除溶解有机物。比起传统的处理方法，不必顾忌沉淀物或者装置的过滤能力，因为UF的过滤性能和过滤装置的大小及重量是没有直接关系的。从下表中可以看到，TOC的过滤指标可以达到60%。

3．广阔的应用前景

我国的人均水资源占有量仅为世界的人均的1/4，排名这世界第109位。如何缓解缺水矛盾，已成为我国社会和国民经济可持续发展的一重大战略问题。

在城市供水中生产用水占90％，居民生活用水占9％，而饮用水仅占1％。分质供水就是把这1％的水使用膜技术进行深度处理，使之达到饮用水标准。城市污水是一个重要的潜在水资源，使用膜生

物反应器进行城市污水处理，可以生产出不同用途的再生水，是解决水资源匮乏的重要方法。

上面介绍这种新型超滤膜以其优秀的过滤性能，让我们看到了其广阔的应用前景。该膜除了在饮用水和中水处理方面的应用，在医药制造、化学工业等方面也有着具大的市场潜力。

一种新型异径筒填料在生物膜水处理装置中的应用

1 背景

生物膜水处理工艺是近20年来发展的一种运行稳定、能抗冲击负荷、经济节能、剩余污泥量少并具有一定硝化与反硝化功能的先进方法。生物膜反应器中的填料是决定生物膜反应器污泥处理效率与质量的主要因素之一。本文从填料在生物膜污水处理工艺中的作用及水动力学机理出发，分析了生物膜污水处理技术中的填料对水流流动特性、污水处理效率的影响，并选用了一种新型异径筒填料作为生物膜处理器填料，通过试验取得了良好的污水净化效果。

2 填料与实验

2.1异径筒填料

填料的材料和类型对生物膜形成的质量与数量、池中水流及气流(气泡流)的运动、生化反应的效率以及对SS的捕获能力都有重要影

响。本文经分析研究，选用了厚度为0.015mm的聚苯乙烯制成的异径筒状填料。

聚苯乙烯制成的异径筒填料经前期试验表明它挂膜时间短、效果好。

填料的比表面积大有利于增加生物膜的总量，空隙率高有利于截留和保留大量的悬浮生长的微生物，并能防止生物反应器阻塞和生物载体结团。经过测算，本文所用异径筒塑料填料比表面积为157m2表面积/m3(每立方米装8300个填料)，空隙率达到97.8%。此种填料对布气和布水要求不高，有畅通的流道，不容易阻塞，而且可内外挂膜。

试验中这些填料筒是随机地放入生物处理器中的，所以不存在直上直下的通道，水流在异径筒内、外流动中都处在与垂直方向有一定角度的绕流流动中。在不断地绕流中，水流速度时快时慢，水中悬浮颗粒SS很容易在流速较慢时被捕集，因为颗粒的再起动流速要远大于沉降速度。本试验中水流平均流速u为0.01～0.02mm/s，6小时停留时间u为0.05～0.06 mm/s。对于粒径在0.01～0.1mm的颗粒，Stokes沉速v=0.1～1.0mm/s。当SS的沉降速度v大于水流上升速度u时，就会产生沉降，可见异径筒填料有良好的捕集SS功能。

水力条件对生物膜反应器的运行及净化功能有很大的影响。异径筒填料在池中形成了良好的适合于生物膜反应器运行的环境条件。

水力停留时间是指待处理污水在反应器内的平均停留时间，也就是污水与生物反应器内微生物作用的平均反应时间。本文采用的是推流式反应器，污染物浓度衰减方程有：S e=S0·e-kt。从表面上看，延

长水力停留时间，则出流污染物浓度S e将降低，但过分延长水力停留时间会影响反应器的水力负荷或有机负荷，另外随着停留时间t的增加，衰减速率会逐渐减小，所以t超过某一值后继续增加水力停留时间是不经济和不可取的。试验证明异径筒填料在这方面有较好的性能。水流在筒内、外交替流动并经多次绕流，不存在垂直方向的通道，经测定在同一断面上浓度离差系数 C v<0.05。所以容易获得最佳水力停留时间。

反应器中水流剪切力会对生物膜产生冲刷并使其脱落，所以作用于生物膜上的水流剪切力直接决定生物膜厚度和生物膜量，对生物膜反应器的运行效果有重要影响。本文采用的异径筒填料的水流基本上属于管流层流。

运行工况下，R e≤100，此时水流对生物膜的剪切力完全决定于粘滞性，而与生物膜表面状态无关，即水流剪切力只取决于水温和流道内的流速分布，对于圆管层流流速分布符合抛物面分布。本文按异径筒填料最大可能的平均流速u=0.5cm/s考虑，水流剪切力τ

<0.01dyn/cm2，这比大多数填料要小一个数量级。

所以从水力停留时间和水流剪切力等水动力条件看，异径筒填料有很好的生物膜反应器运行水力条件。

2.2 实验研究

本文采用异径筒填料在一套微污染河水处理装置上进行了验证

性实验。试验设备为有机玻璃制成的圆筒形装置，总容积为235L，其中初沉-缺氧池为98L，曝气池为79L，二沉池为33L，消毒池为25L。

各指标均用标准方法测定，在每一工艺条件下稳定运行3天，取其平均值作为分析数据。由于异径筒填料尺度比一般填料大，且属于各向异性填料，对气流有导流和绕流影响，结果使得气体在填料层中存在不同的溶解氧浓度，这样会出现不同的微生物种群共存。

3 结果与讨论

3.1 停留时间试验

结果表明COD Cr去除率随停留时间的增加而升高。当停留时间为24h时，出水清澈，COD Cr去除率接近60%，但生化作用利用率低。当停留时间为16h时，出水水质略差，COD Cr去除率为54.7%，仍低于15mg/L(地表水环境质量标准GHZB 1-1999 I类标准)。当停留时间缩短为6h时，COD Cr去除率只有38.2%，出水水质明显下降。因此，综合考虑各因素，最佳停留时间为16h。

3.2 生物膜状态及其脱落

在运行试验中，系统的污泥产率很低且稳定在0.16左右。运行中生物膜几乎保持动态平衡。在初沉-缺氧池中生物膜外观呈灰黑色，结构密实。在曝气池内的生物膜成黄褐色，有较明显的泥腥味，进水处生物膜极厚，出水处生物膜较薄。填料层中还发现硝化和亚硝化细菌，以及不同种群的微生物，说明曝气池也运行良好。

4 结论

(1) 采用聚苯乙烯制成的异径筒填料，在生物处理器池中具有良好的挂膜性能。

(2) 异径筒填料能在生物处理器池中形成良好的水流条件，有利于固体悬浮颗粒SS的捕集，提高污水与生物膜的反应效率以及减小水流剪切力维持生物膜的稳定、保持动态平衡。

(3) 异径筒填料尺寸较大，且有导流作用，气体在填料体中传输会形成不同的溶解氧浓度，有利于同一主体设备中共存不同微生物种群，提高净化效果。

(4) 整个系统处理效果良好，在停留时间为16h时，微污染河水的COD Cr、BOD5、NH3-N 、SS去除率可接近55%，70%，75%，80%，整个系统出水水质稳定，污泥产率低。