東麗最新膜技術(shù)在污水再生回用中的應(yīng)用
在全球面臨水資源短缺，經(jīng)濟(jì)發(fā)展將遭受嚴(yán)重威脅的情況下，膜技術(shù)的運(yùn)用使污水的深度處理和再生技術(shù)得到不斷發(fā)展，這種膜法污水處理及再生技術(shù)已經(jīng)成為舉世矚目的新型水資源循環(huán)應(yīng)用技術(shù)之一。
常規(guī)的污水處理廠主要是以活性污泥法和沉淀池進(jìn)行污水處理，它們已在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用（見圖1）。然而，這種常規(guī)污水處理工藝的問(wèn)題在于出水水質(zhì)的SS 偏高，并且易發(fā)生污泥膨脹，不能保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定。由于國(guó)家對(duì)污水處理回用的水質(zhì)有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，所以生物處理過(guò)的污水不能被直接再利用，同時(shí)常規(guī)的污水處理廠還存在著維護(hù)困難和占地面積較大的問(wèn)題。因此為了改善和提高污水處理的功效，利用膜生物反應(yīng)器技術(shù)將污水生物處理技術(shù)與膜分離技術(shù)相結(jié)合，先用生化技術(shù)降解水中的有機(jī)物，然后利用膜技術(shù)過(guò)濾懸浮物和溶解性大分子物質(zhì)，去除細(xì)菌和病毒，降低濁度，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)或回用標(biāo)準(zhǔn)。
東麗公司成功地開發(fā)了低污染反滲透膜和中空纖維超濾膜來(lái)進(jìn)行污水再生處理，同時(shí)開發(fā)了浸沒式平板膜生物反應(yīng)器（MBR）有效地進(jìn)行污水的深度處理。應(yīng)用自行開發(fā)的多種水處理膜產(chǎn)品，組合成二種有效的污水深度處理和再生技術(shù)。
1 超濾/微濾膜（UF/MF）與低污染反滲透膜（RO）組合的污水處理再生技術(shù)
我們將傳統(tǒng)的污水處理廠活性污泥生物處理法處理過(guò)的污水，再利用超濾或微濾膜來(lái)去除懸浮的固體，同時(shí)利用反滲透膜來(lái)去除溶解性有機(jī)物和離子,達(dá)到再生水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。此水處理再生系統(tǒng)如圖2所示。
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1.1 超濾/微濾（UF/MF）的特性
由于原水水質(zhì)的惡化，為了去除水體中病原體和微粒物質(zhì)，超濾/微濾膜必須經(jīng)受高流速的沖擊，以及頻繁的物理和化學(xué)清洗。因此，超濾/微濾膜必須能承受高水流的沖擊，具有較高的物理強(qiáng)度和良好的抗化學(xué)侵蝕能力。為了達(dá)到這些必備的要求，我們一直進(jìn)行新型膜的研究與開發(fā)，并且已經(jīng)成功地發(fā)明了新型聚偏二氟乙烯(PVDF)中空纖維膜。它抗化學(xué)腐蝕性強(qiáng)，尤其對(duì)酸、氟和氧化物都有一定的抵抗能力；并具備高通量，高抗阻塞及非常好的物理強(qiáng)度。
東麗公司開發(fā)的PVDF 中空絲超濾膜具有以下特點(diǎn)：
（1） 膜材質(zhì)具有良好的耐化學(xué)腐蝕性；
（2） 膜結(jié)構(gòu)具有不對(duì)稱型微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)；
（3） 膜表面細(xì)孔徑的平均值為0.05 微米，且孔徑的分布相當(dāng)密集。
為了測(cè)定膜性能，我們?cè)诤銣睾銐簵l件下使用小膜元件來(lái)測(cè)量純水通量；在10 千帕的壓力下用儀器測(cè)量聚苯乙烯乳膠微粒排斥能力；并用紫外色譜儀（HITACHI U-3200）測(cè)量膜的進(jìn)水和透過(guò)水的吸光度彌散狀況。對(duì)中空聚偏二氟乙烯的膜元件測(cè)定結(jié)果如下：
（1） 外部直徑與內(nèi)部直徑比值（mm）：1.4/0.9；
（2） 純水通量（m3/m2/h，在50kPa，25℃）：1.5
（3） 0.05 微米聚苯乙烯乳膠微粒排斥率（％）：＞90％；
（4） 抗破損的延展性（％）：100；
（5） 抗破損的強(qiáng)度性（MPa）：12。
同時(shí)，這種中空聚偏二氟乙烯具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，例如采用1000mg/L 的次氯酸鈉和5000mg/L 的過(guò)氧化氫溶液+二價(jià)鐵溶液(催化氧化)進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)，其結(jié)果表明即使在長(zhǎng)時(shí)間的強(qiáng)氧化劑中浸泡后，在延展性和強(qiáng)度方面膜材質(zhì)依然沒有改變。
1.2 低污染反滲透膜的特性
通過(guò)設(shè)計(jì)和研究，東麗公司開發(fā)的低污染反滲透膜已用于污水回用。這種低污染反滲透膜在使用過(guò)程中既能保持水滲透性，又能防止化學(xué)污染和生物污染。我們用一種非離子表面活性劑水溶性來(lái)測(cè)定膜的污染性。測(cè)試結(jié)果表明，低污染反滲透膜具有較小的透水率降低幅度，與最初的純水透過(guò)水通量相比，其比率為27%。而且操作穩(wěn)定，化學(xué)清洗后，低污染反滲透膜表現(xiàn)出很強(qiáng)的透水率的恢復(fù)性能。
為了測(cè)定膜的抗菌性能，進(jìn)行了膜對(duì)疏水細(xì)菌和其它的親水細(xì)菌的吸附性測(cè)試。一般的反滲透膜因疏水細(xì)菌被大量吸附到膜表面而導(dǎo)致反滲透膜的生物污染。在東麗公司的低污染反滲透膜的測(cè)試中，疏水細(xì)菌的吸附率非常低，低于普通反滲透膜的十分之一。
1.3 超濾（UF）＋低污染反滲透膜（RO）的處理工藝
由于新型的超濾（UF）和低污染反滲透膜組件的優(yōu)越性能，在微污染水源水的凈化和市政污水回用處理項(xiàng)目上得到應(yīng)用。在某污水廠的試驗(yàn)運(yùn)行期間，采用絮凝+膜過(guò)濾工藝，原水的濁度為1.61~10.93NTU，投加的絮凝劑聚鋁為5mg/L，超濾出水的濁度為0~0.45NTU，平均濁度僅為0.05NTU。在裝置運(yùn)行的大部分時(shí)間里，出水濁度接近0。這是由于超濾膜的孔徑較小，僅為0.05μm，在投加少量絮凝劑情況下，超濾膜即可截留了水體中幾乎全部的膠體和懸浮顆粒物等。
有機(jī)物在原水中的種類繁多，其成分也非常復(fù)雜，TOC 是反映水體中有機(jī)物濃度的綜合指標(biāo)，代表了水中有機(jī)物的總量。在超濾過(guò)程中，懸浮態(tài)有機(jī)物的去除主要依靠膜孔的篩濾作用，而溶解性有機(jī)物質(zhì)的去除則主要通過(guò)在膜表面的沉積和吸附作用完成。在反滲透中，由于膜的孔徑很小，有機(jī)物基本上依靠膜的截留作用去除。試驗(yàn)運(yùn)行期間，原水中TOC 的含量為13.31-24.96mg/L，波動(dòng)較大，結(jié)果超濾出水中TOC 的濃度也出現(xiàn)較大波動(dòng)；反滲透出水中TOC 基本穩(wěn)定，其去除率在90%以上。
在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了去除細(xì)菌等微粒物質(zhì)，超濾膜必須經(jīng)受高流速的沖擊，以及頻繁的物理和化學(xué)清洗。我們用聚偏二氟乙烯制成的超大型中空絲膜組件進(jìn)行預(yù)處理試驗(yàn)，以進(jìn)水通量1.5m/d，每20 分鐘反沖洗氣洗一次的方式運(yùn)行。膜壓差非常穩(wěn)定，而且過(guò)濾水質(zhì)非常好。
為了驗(yàn)證超濾膜（UF）處理水對(duì)反滲透膜的影響，直接用超濾膜來(lái)過(guò)濾二沉池出水，然后分別利用低污染反滲透膜和普通反滲透膜進(jìn)行污水再生試驗(yàn)。試驗(yàn)的結(jié)果（見圖3），超濾膜過(guò)濾水通過(guò)普通反滲透膜時(shí)，由于受溶解性有機(jī)物及生物污染影響，運(yùn)行一天后水滲透性下降到最初滲透性的60%。而低污染反滲透膜的滲透性下降要比普通反滲透膜小得多并且操作穩(wěn)定。
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2 浸沒式平板膜生物反應(yīng)器（MBR）和低污染反滲透膜相結(jié)合的污水再生回用技術(shù)
東麗公司開發(fā)的將浸沒式平板膜生物反應(yīng)器（MBR）和低污染反滲透膜相結(jié)合建立的污水再生回用系統(tǒng)如圖4所示。首先是利用生物反應(yīng)和新型的平板微濾膜分離技術(shù)，去除水中微小有機(jī)顆粒，并利用反滲透膜來(lái)進(jìn)一步去除溶解的有機(jī)物和離子，達(dá)到污水再生回用標(biāo)準(zhǔn)。
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2.1 MBR膜組件的特性
在膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，平板膜的設(shè)計(jì)和制造是最重要的一步，因此要挑選合適的膜材料，并設(shè)計(jì)平板膜的微觀結(jié)構(gòu)。為了具有較高的物理強(qiáng)度和良好的抗化學(xué)物質(zhì)侵蝕的能力，選聚偏二氟乙烯作膜材質(zhì)。
通過(guò)膜的孔徑大小分布特性測(cè)試，膜表面上孔的直徑小而均勻（見照片），這使得膜不僅可生產(chǎn)高質(zhì)量的再生水，而且可以防止細(xì)孔的污堵。膜表面孔徑約為0.1 微米（見圖5）。純水通量是1.44m/h。另外，用聚苯乙烯乳膠測(cè)試微濾膜排斥性能，結(jié)果對(duì)于0.088 微米的微濾粒子排斥率大于90%。這表明幾乎所有的微粒物質(zhì)都不能通過(guò)膜滲透出來(lái)。因此，東麗公司的平板膜不但孔徑小，而且孔徑分布集中，具有小孔和高水通量的特點(diǎn)。
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2.2 MBR+低污染反滲透膜（RO）的處理工藝
平板膜生物反應(yīng)器（MBR）處理工藝的性能測(cè)試是在一家城市污水廠進(jìn)行的。MBR系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行期間，反應(yīng)器中的污泥濃度為10,000mg/L 左右，廢水中COD 濃度為236-812mg/L，MBR 處理出水的COD 濃度為24-40 mg/L ，COD 去除率達(dá)到90%以上。MBR 系統(tǒng)對(duì)COD 具有較好的處理效果。
另外，反滲透出水的水質(zhì)也非常穩(wěn)定，COD 去除率穩(wěn)定在92%以上。由此可見，反滲透對(duì)于水體中的有機(jī)物具有良好的去除作用。反滲透膜的高效截留作用，去除了水體中絕大多數(shù)的有機(jī)物質(zhì)，確保了出水水質(zhì)的穩(wěn)定。
膜生物反應(yīng)器(MBR) 由于用膜分離來(lái)取代常規(guī)污水處理廠的沉淀池，避免因沉淀池的沉降分離效果不好而造成出水濁度上升的現(xiàn)象發(fā)生，并且微濾膜可去除大腸桿菌，隱孢子蟲等，使出水的消毒過(guò)程相當(dāng)簡(jiǎn)單。這樣，出水不需要經(jīng)過(guò)特別操作就可以作為中水再利用。
3 結(jié)論
采用這種新型的污水處理膜法再生系統(tǒng)，MBR 出水可直接用來(lái)綠化或農(nóng)田灌溉，并通過(guò)低污染反滲透膜（RO）進(jìn)一步處理后制造再生水回用。面對(duì)水資源不足，水污染嚴(yán)重的狀況，這種社會(huì)急需的利用膜法進(jìn)行污水深度處理或再生技術(shù)已經(jīng)受到人們的廣泛重視。東麗公司利用自行開發(fā)的中空絲超濾膜和平板微濾膜去除水中微小顆粒，并利用低污染反滲透膜來(lái)進(jìn)一步去除溶解的有機(jī)物和離子，將中空絲超濾膜或平板微濾膜與低污染反滲透膜相結(jié)合，達(dá)到高質(zhì)量的處理水質(zhì)。這種膜法污水再生回用技術(shù)是水資源再生領(lǐng)域的一項(xiàng)有效新型的水處理技術(shù)。
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