膜与膜集成技术在环境中的应用

题目：膜与膜集成技术在水处理中的应用目录1引言 (2)2膜技术 (2)2.1超滤膜技术 (2)2.2纳滤膜技术 (3)2.3膜分离技术 (4)2.3.1膜分离技术分类 (4)2.3.2膜分离的基本工艺原理 (5)2.3.3膜分离的基本工艺流程 (5)3膜集成技术及应用 (6)3.1 MF与RO集成技术的应用 (7)3.2 UF与RO集成技术的应用 (8)3.3 MBR与RO集成技术的应用 (9)4结论与展望 (10)参考文献 (10)1引言随着社会经济的快速发展，水资源的日趋短缺和污染已成为我们面临的重大问题。

因此在节约用水的同时，需开发新的水资源，如污水再资源化等势在必行。

而目前采用膜分离技术进行污水再资源化是最经济而又清洁的方法。

膜分离技术从上个世纪50年代出现，凭借分离效率高，能耗低，操作简单等优点，已在各个行业的水处理领域得到广泛的应用。

特别是在城市污水处理和相关回用技术的发展和应用过程中，无疑已成为一支重要的力量，被称为“二十一世纪的水处理技术”。

水回用的内容十分广泛，工艺方法较为复杂，尤其工业废水，部门行业庞杂，水质千变万化，污水水质与回用指标也不尽相同，任何单元技术都难以达到回用指标,单一的膜处理技术往往达不到理想的效果。

所以目前人们将更多的注意力放在了膜集成技术的研究上, 以期达到更好的水处理效果。

2膜技术膜是具有选择性分离功能的材料[1]。

利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称作膜分离。

它与传统过滤的不同在于膜可以在分子范围内进行分离，并且这过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。

膜的孔径一般为微米级，依据其孔径的不同（或称为截留分子量），可将膜分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜，根据材料的不同可分为无机膜和有机膜，无机膜主要还只有微滤级别的膜，主要是陶瓷膜和金属膜。

有机膜是由高分子材料做成的，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、聚氟聚合物等等。

根据推动力的不同，膜分离有下列几种：浓度差造成的扩散渗析，电位差导致的电渗析，压力差导致的反渗透(RO, reverse osmosis)、纳滤(NF, nanofiltration)、超滤(UF, ultrafiltration)、微滤(MF, microfiltration)。

2.1超滤膜技术采用超滤膜以压力差为推动力的膜过滤方法为超滤膜过滤。

超滤膜大多由醋酯纤维或与其性能类似的高分子材料制得。

最适于处理溶液中溶质的分离和增浓，也常用于其他分离技术难以完成的胶状悬浮液的分离，其应用领域在不断扩大。

超滤膜技术既可除去水中病菌、病毒、热源、胶体、COD等有害物质，又可透析对人体有益的无机盐，已广泛应用于牛奶脱脂、果汁浓缩、黄酒纯化、白酒陈化、啤酒除菌、味精提纯、蔗糠脱色、氨基酸浓缩、酱油除菌等生产中，而且还广泛应用于医疗针剂水、输液水、洗瓶水、外科手术洗洁水的制备。

因其克服了蒸馏水中含有细菌尸体的缺点，且具有生物活性，所以更有利于病人恢复健康而备受医学界推崇。

富氧膜以其分离气体的特殊功能，产生富氧空气，目前广泛应用于医院、养鱼场、工业发酵与氧化等场所，尤其在高山缺氧地区特别需要。

常见的超滤膜组件见下图1。

图1超滤膜组件2.2纳滤膜技术纳滤膜技术是一种浓缩提纯技术，浓缩提纯工艺上主要采用截留分子量在100-1000Da 的纳滤膜。

纳滤膜对二价离子，功能性糖类，小分子色素，多肽，头孢菌素等物质的截留性高于98%，而对一些单价离子，小分子酸碱，醇等有30-50%的透过性能，常用于溶质的分级，溶液中低分子物质的洗脱和离子组分的调整，溶液体系的浓缩等流体物质的分离，精制，浓缩，脱盐等工艺过程中。

比如结晶母液的回收，树脂解析液的浓缩，热敏性物质的浓缩纯化等。

纳滤膜分离技术常被用于取代传统的冷冻干燥，薄膜蒸发，离子交换除盐，树脂工艺浓缩，中和等工艺过程。

浓缩提出技术可采用的膜组件主要有：卷式膜，管式膜，中空纤维膜。

纳滤膜组件见下图2.图2. 纳滤膜组件采用纳滤膜分离技术浓缩提纯的优点[2]：（1）浓缩纯化过程在常温下进行，无相变，无化学反应，不带入其他杂质及造成产品的分解变性，特别适合于热敏性物质。

（2）可脱除产品的盐分，减少产品灰分，提高产品纯度，相对于溶剂脱盐，不仅产品品质更好，且收率还能有所提高。

（3）工艺过程收率高，损失少。

（4）可回收溶液中的酸，碱，醇等有效物质，实现资源的循环利用（5）设备结构简介紧凑，占地面积小，能耗低（6）操作简便，可实现自动化作业，稳定性好，维护方便。

2.3膜分离技术2.3.1膜分离技术分类膜分离是借助于膜在某种推动力的作用下利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的过程。

目前常见的膜分离过程可分为以下几种：微滤、超滤、纳滤、反渗透和电渗析等膜技术具有分离效率高、能耗低、无相变、操作简便、无二次污染、分离产物易于回收、自动化程度高等优点。

在水处理领域具有相当的技术优势，是现代分离技术中一种效率较高的分离手段在环境过程中膜分离技术以其独特的作用而被广泛用于水的净化与纯化过程中[3]。

（1）微滤微滤（MF）又称微孔过滤，它属于精密过滤，其基本原理是筛孔分离过程。

微滤膜的材质分为有机和无机两大类，有机聚合物有醋酸纤维素、聚丙稀、聚碳酸酯、聚砜、聚酰胺等。

无机膜材料有陶瓷和金属等。

鉴于微孔滤膜的分离特征，微孔滤膜的应用范围主要是从气相和液相中截留微粒、细菌以及其他污染物，以达到净化、分离、浓缩的目的。

对于微滤而言，膜的截留特性是以膜的孔径来表征，通常孔径范围在0.1～1微米，故微滤膜能对大直径的菌体、悬浮固体等进行分离。

可作为一般料液的澄清、保安过滤、空气除菌。

（2）超滤超滤（UF）是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜孔径在0.05um至1000um分子量之间。

超滤是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术，超滤过程通常可以理解成与膜孔径大小相关的筛分过程。

以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当水流过膜表面时，只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过，达到溶液的净化、分离、浓缩的目的。

对于超滤而言，膜的截留特性是以对标准有机物的截留分子量来表征，通常截留分子量范围在1000～300000Da，故超滤膜能对大分子有机物（如蛋白质、细菌）、胶体、悬浮固体等进行分离，广泛应用于料液的澄清、大分子有机物的分离纯化、除热源。

（3）纳滤纳滤（NF）是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术，孔径为几纳米，因此称纳滤。

基于纳滤分离技术的优越特性，其在制药、生物化工、食品工业等诸多领域显示出广阔的应用前景。

根据纳滤膜的分离特性和纳滤处理前后水样的电导率分析，纳滤膜对二价金属离子如钙镁等离子的去除率很高，处理后水中重金属离子含量完全达到健康饮用水标准[3]。

对于纳滤而言，膜的截留特性是以对标准NaCl、MgSO4、CaCl2溶液的截留率来表征，通常截留率范围在60～90%，相应截留分子量范围在100～1000Da，故纳滤膜能对小分子有机物等与水、无机盐进行分离，实现脱盐与浓缩的同时进行。

（4）反渗透反渗透（RO）是利用反渗透膜只能透过溶剂（通常是水）而截留离子物质或小分子物质的选择透过性，以膜两侧静压为推动力，而实现的对液体混合物分离的膜过程。

反渗透是膜分离技术的一个重要组成部分，因具有产水水质高、运行成本低、无污染、操作方便运行可靠等诸多优点，而成为海水和苦咸水淡化，以及纯水制备的最节能、最简便的技术.目前已广泛应用于医药、电子、化工、食品、海水淡化[5]等诸多行业。

反渗透技术已成为现代工业中首选的水处理技术。

反渗透的截留对象是所有的离子,仅让水透过膜,对NaCl的截留率在98%以上，出水为无离子水。

反渗透法能够去除可溶性的金属盐、有机物、细菌、胶体粒子、发热物质，也即能截留所有的离子，在生产纯净水、软化水、无离子水、产品浓缩、废水处理如垃圾渗滤液方面[4]反渗透膜已经应用广泛。

2.3.2膜分离的基本工艺原理膜分离的基本原理：在一个容器中,用膜把它隔成两部分,膜的两侧是浓度不同的溶液,通常小分子的溶剂透过膜向稀溶液侧移动。

水分、小分子溶质移动为渗析，仅水分为渗透。

见下图3。

在过滤过程中料液通过泵的加压，料液以一定流速沿着滤膜的表面流过，大于膜截留分子量的物质分子不透过膜流回料罐，小于膜截留分子量的物质或分子透过膜，形成透析液。

故膜系统都有两个出口，一是回流液（浓缩液）出口，另一是透析液出口。

在单位时间（Hr）单位膜面积（m2）透析液流出的量（L）称为膜通量（LMH），即过滤速度。

影响膜通量的因素有：温度、压力、固含量（TDS）、离子浓度、黏度等。

图3 膜分离的基本原理2.3.3膜分离的基本工艺流程随着膜技术的不断发展，膜技术在很多发面得到广泛的应用，如电力、电子、化工医药、轻工、生物、食品饮料、市政、环保等行业。

由于膜分离过程是一种纯物理过程，具有无相变化，节能、体积小、可拆分等特点，使膜广泛应用在发酵、制药、植物提取、化工、水处理工艺过程及环保行业中。

对不同组成的有机物，根据有机物的分子量，选择不同的膜，选择合适的膜工艺，从而达到最好的膜通量和截留率，进而提高生产收率、减少投资规模和运行成本。

膜分离技术流程见下图4。

图4 膜分离技术流程3膜集成技术及应用作为一种新型的分离技术, 膜分离技术既能对废水进行有效的净化, 又能回收一些有用物质, 同时具有节能、无相变、设备简单、操作方便等特点, 因此在水处理中得到了广泛的应用并显示了广阔的发展前景。

据估计, 2000年膜技术的世界市场规模已达近20亿美元的销售额[6]。

但由于工业废水往往含有酸、碱、油等物质, 成分复杂, 处理条件比较苛刻，单一的膜处理技术往往达不到理想的效果。

所以目前人们将更多的注意力放在了膜集成技术的研究上, 以期达到更好的水处理效果。

无论工业废水还是生活污水回用，主要去除对象是悬浮颗粒物（SS）、有机物（COD/BOD）、氮磷化合物（N/P）、阴/阳离子、盐类和细菌病毒等五大类污染物质，目前普遍采用的单元处理技术方法主要有物化和生化两类三种方法组合集成：即混凝（气浮）沉淀单元技术、生物滤池（氧化）法和过滤消毒单元技术，其它一些方法和技术则根据待处理水质状况与回用水质标准而加以应用。

传统的污水处理厂主要是以活性污泥法和沉淀池进行污水处理，它们已在世界范围内被广泛应用。

然而，这种污水处理工艺的问题在于出水水质的SS偏高，并且易发生污泥膨胀，不能保证出水水质的稳定。

因为国家对污水处理回用的水质有严格的标准，所以生物处理过的污水不能被直接再利用，同时还存在维护困难和占地面积较大的问题。

因此为了改善和提高污水处理的功效，利用膜生物反应器技术将污水生物处理技术与膜分离技术相结合，先用生化技术降解水中的有机物，然后利用膜技术过滤悬浮物和溶解性大分子物质，去除细菌和病毒，降低浊度，达到排放或回用标准。