帶襯中空纖維超濾膜用于MBR工藝的優(yōu)勢

一、超濾的范圍與定義

 

污水處理領(lǐng)域常用的MBR膜按膜孔徑區(qū)分，可分為超濾膜（UF）和微濾膜（MF），超濾膜孔徑小于0.1微米，微濾膜孔徑大于等于0.1微米。但隨著業(yè)界對膜過濾認(rèn)識的深入，出于對水中NOMs等小顆粒污染物去除的需要，部分業(yè)界人士把超微濾的界限定義在0.04微米。為了不引起爭議，在這里，我們討論的界限仍以0.1微米作為超濾和微濾膜的界限，增加定義0.04-0.1微米孔徑為大孔徑超濾，0.01-0.04微米為小孔徑超濾。

 二、帶襯中空纖維超濾膜的歷史發(fā)展

過去，受制于膜工業(yè)制造水平，MBR膜的生產(chǎn)廠家中微濾膜比例多于超濾膜，國內(nèi)MBR工藝污水處理廠采用微濾膜的案例也多于超濾膜，但通過多年的運行，微濾膜用于污水處理領(lǐng)域所出現(xiàn)的易污堵、膜通量衰減快等系列問題逐漸暴露出來。近十年來，隨著歐美制膜技術(shù)不斷提升，歐美的MBR污水處理領(lǐng)域大部分已用超濾膜替代原先的微濾膜，已能夠生產(chǎn)出標(biāo)準(zhǔn)高且性價比高的超濾膜（孔徑0.02~0.08微米）。目前在歐洲運行規(guī)模最大的10座MBR項目中，基本都采用了超濾膜。

宮奇環(huán)境超濾項目現(xiàn)場實拍圖

三、帶襯中空纖維超濾膜用于MBR工藝的優(yōu)勢

超濾MBR的大規(guī)模應(yīng)用得益于其具有的高于傳統(tǒng)微濾膜的出水水質(zhì)，更強(qiáng)抗污染性，更集中的膜孔分布，更長的膜壽命和更高的開孔率及膜通量。

1、帶襯超濾膜產(chǎn)水品質(zhì)高

超濾及微濾膜過濾幾乎能夠全部去除水中的黏土、細(xì)菌、浮游生物及其他懸浮物，甚至能夠去除一部分色度，氯代物等。顯而易見，膜孔徑大小對污染物尺寸有不同截留效果，顆粒物或污染物的去除效率與其粒徑大小或可以說切割分子量大小有關(guān)。對污水中較大顆粒污染物，微濾超濾都能取得不錯的分離效果，但對污水中廣泛存在的NOM，其中部分顆粒大小分布在0.04-0.1微米之間，微濾膜難以去除這些顆粒。在合理的操作條件下，采用超濾膜的MBR，其產(chǎn)水濁度<0.1NTU，TSS<0.1ppm，SDI<3.0(80%以上時間)。超濾膜可以去除大部分NOMs,對后處理工藝的選擇有很大優(yōu)勢，如現(xiàn)在經(jīng)常采用的NF/RO的預(yù)處理，采用超濾的超高品質(zhì)產(chǎn)水，能夠減少污染，降低化學(xué)清洗的頻率，延長其壽命。

2、帶襯超濾膜抗污染性強(qiáng)

MBR經(jīng)過長時間的使用后，會出現(xiàn)膜通量下降的問題。這種性能的下降，一方面是由于膜本身不可逆的變質(zhì)引起，另一個很大的影響因素是膜污染（fouling & scaling），當(dāng)然，部分膜材料由于其強(qiáng)度不夠容易斷絲，也會引起產(chǎn)水量的下降。膜材料本身的劣化是不能恢復(fù)的，但由于膜污染造成的性能下降是可以通過清洗而恢復(fù)的。

在通常的理解中，會認(rèn)為膜孔越小越容易產(chǎn)生污堵，實際情況則不然，在膜分離的過程中，需要被截留的物質(zhì)與膜孔徑的外形尺寸相差越大，越不容易產(chǎn)生污堵，原因在于污染物進(jìn)入膜孔內(nèi)部的形成阻塞的概率會大幅降低，在普通活性污泥法中，菌膠團(tuán)的最小直徑約20微米，而在MBR工藝中，由于曝氣的剪切作用較傳統(tǒng)工藝更強(qiáng)烈，因此菌膠團(tuán)的最小直徑可能降至2微米左右，外加游離細(xì)菌的存在，使得MBR工藝中，存在更大量的直徑在10微米以下顆粒。

 

超濾膜和微濾膜電鏡照片對比從上圖可看出，細(xì)菌的尺寸大于0.1微米，如果采用微濾膜，大部分細(xì)菌可以穿透膜孔，這樣部分細(xì)菌會在膜背面繁殖生長，最后將膜孔堵住，這也是很多微濾膜使用2~3年后膜通量會大幅下降的原因之一，發(fā)生這種情況，即使采用化學(xué)反洗也不能完全清除，這屬于不可逆的膜污堵情況。雖然細(xì)菌的尺寸大于0.1微米，但在膜抽吸時，細(xì)菌的尺寸會變形收縮至0.07~0.08微米，因此采用孔徑0.03微米的小孔徑超濾膜，可有效防止細(xì)菌（包括變形收縮后的細(xì)菌）的穿透，細(xì)菌被截留在膜表面，可通過曝氣擦洗和化學(xué)反洗去除膜表面的污染，過程是可逆的，這也是小孔徑超濾膜抗污堵性和使用壽命均優(yōu)于微濾膜和大孔徑超濾膜（孔徑0.04~0.1微米）的主要原因。同時，從膜分離的過程機(jī)理上，超濾與微濾也有一定區(qū)別。從電鏡照片的對比可以看出，微濾膜大多是海綿狀孔結(jié)構(gòu)，且孔徑較大，因此在過濾的過程中，除了正常的機(jī)械篩分作用以外，還包括吸附，橋架等作用。以吸附作用來說，由于微濾膜本身對于顆粒就具有一定的吸附容量，又不可能通過灼燒之類的方式進(jìn)行再生，因此當(dāng)吸附容量飽和時，膜的通量會大幅下降；而橋架作用，則是指在過濾的過程中，由于污染物在膜表面不斷堆積，形成一定厚度的濾餅層，因此微濾膜通常情況下都是濾餅層過濾。而超濾膜，由于孔徑更小，因此其過濾方式主要以機(jī)械篩分為主，因此過濾的過程更穩(wěn)定。

由篩分機(jī)理可知，微?；蛉苜|(zhì)尺寸與膜孔徑相近時易堵塞膜孔。微?；蛉苜|(zhì)尺寸大于膜孔時，由于水流的切向力作用，污染物能夠被沖刷掉，不會堵塞膜孔。污水中廣泛存在的NOMs，其中部分顆粒大小分布在0.04-0.1微米之間。微濾膜和大孔徑超濾膜經(jīng)過一段時間運行后，污染物容易貼合在孔壁上，造成過水面積減小，通量快速下降；進(jìn)入膜孔內(nèi)的污染物很難通過反洗去除，降低了膜的使用壽命。帶襯超濾膜孔徑大小均勻，不易污堵，出水通量恒定，使用壽命更長。目前歐美主流市場，MBR膜技術(shù)大多也采用超濾級技術(shù)路線。隨著使用方對膜技術(shù)了解的深入，許多業(yè)主在采購招標(biāo)時也專門要求用超濾膜，未來，超濾膜將逐步替代現(xiàn)有微濾膜的應(yīng)用。綜上所述，超濾膜總體品質(zhì)和性能優(yōu)于微濾膜，小孔徑的超濾膜（孔徑小于等于0.04微米）優(yōu)于大孔徑的超濾膜（孔徑0.04~0.1微米）及微濾膜（孔徑大于等于0.1微米）。

3、 帶襯超濾膜使用壽命更長

所有的膜在運行的時候存在某一個特定的通量，我們通常稱之為臨界通量，其具體定義是指在實際運行通量低于某一個通量時，通量的增幅與TMP的增幅成正比，然而當(dāng)運行通量高于這個通量時，TMP增幅將不再與通量的增幅呈正比，呈現(xiàn)快速上升的趨勢，如下圖所示。

 

而當(dāng)膜孔出現(xiàn)大小不均勻的情況時，由于水優(yōu)先通過阻力小的地方，孔徑不均均的膜會出現(xiàn)大孔早期承擔(dān)大部分通量負(fù)荷，可能遠(yuǎn)高于臨界通量，而最先發(fā)生嚴(yán)重的污堵，接著中孔又承擔(dān)大負(fù)荷，接著污堵，最后小孔也污堵；而孔徑均勻的膜所有孔一直共同承擔(dān)通量負(fù)荷，不易污堵。因此MBR膜推薦采用孔徑均勻性好的膜。

 

4、帶襯超濾膜物理強(qiáng)度高

膜及膜元件會由于機(jī)械變形、熱變形、加水分解、化學(xué)變化等導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。水處理中使用膜過濾時，由于進(jìn)水水力沖擊、曝氣擾動、纖維纏繞等影響，膜的強(qiáng)度不夠，極易發(fā)生斷絲現(xiàn)象，繼而造成產(chǎn)水量降低，產(chǎn)水水質(zhì)變差的后果。斷絲最容易上升的部分在端部，此處在膜絲曝氣抖動時剪切力最強(qiáng)。PVDF由于材質(zhì)本身強(qiáng)度的問題，最大斷裂強(qiáng)度<10N，在這種情況下，長時間使用容易斷絲。目前，較好的解決斷絲問題的方案是采用帶內(nèi)襯膜，這樣，膜絲斷裂強(qiáng)度就取決于內(nèi)襯強(qiáng)度。通常，帶內(nèi)襯膜絲斷裂強(qiáng)度至少在100N以上，部分品牌膜絲強(qiáng)度甚至最高能夠達(dá)到800N。對于MBR工況，強(qiáng)度滿足100N就可以認(rèn)為不會有斷絲現(xiàn)象的發(fā)生。

綜上，隨著膜工藝的進(jìn)步，帶襯超濾膜將以其更好的性能逐步擴(kuò)大市場占有率，成為未來市場主流工藝形式。