污水处理技术工艺

快速读懂超滤技术

发布日期:2019-08-17 / 发布者:鸿淳环保科技 / 点击:

超滤

超滤是一种基于分子量的压力驱动膜分离工艺。超滤膜的孔径一般为1-100nm,可以截留分子量为300-500000道尔顿的物质,包括多糖、生物分子、聚合物和胶体物质。大多数超滤膜的名义截留分子量一般定义为最小分子量,截留率大于90%。

超滤膜性能

决定膜在分离应用中适用性的一些重要参数是孔隙率、结构形貌、表面性能、机械强度和耐化学性。这些特性取决于薄膜的材料和制造技术。这些属性参数是高度关联的。例如,只有当聚合物材料具有适当的机械强度时,薄膜才能保持高孔隙率的结构。耐压实、耐化学清洗、耐细菌分解、耐温度等性能对薄膜的工业应用具有重要意义。膜的表面性质和孔隙结构影响膜污染、膜通量和溶质分离。

膜的最重要的性能参数是通量(产率)和分离能力(不同进料组分的分离速率)。由于超滤膜的截留分子量大和大多数超滤膜的高通量,超滤膜的浓度极化和污染比反渗透系统的浓度极化和污染更显着。

超滤及微滤工艺的优点

超滤可以去除水中的任何微粒。超滤通常具有0.001-0.01微米的截留范围。微滤的颗粒截留范围比超滤高1-2个数量级,一般为0.1-0.2微米。

对于一般的水处理,包括城市水处理,UF的截留范围为0.0 1≤0.0 2μm,其中包括水源中最小的病毒。然而,超纯水需要较小的孔径和截留范围,以确保颗粒完全去除,滤液应进行消毒。

由于微滤具有深层过滤能力,因此可以在一定程度上除去病毒。然而,微滤确实是细菌和天然寄生虫如隐孢子虫和鞭毛虫的绝对屏障,因此也用于市政水处理。

UF和MF的分离机理不同于传统的颗粒过滤器和纤维介质过滤器等处理方法。介质过滤依靠重力去除原理,它们的标称过滤器孔径比有大颗粒要捕获。过滤介质的粒径可大于100微米。这种滤波器的绝对截获范围是相同的数量级。

然而,由于介质的深度和通过介质的材料液体的弯曲路径,过滤器也可以获得高的去除效率。10、20、m颗粒的去除率可轻易达到90%~150%m砂滤池。深度过滤器的指定水平意味着其去除效率是可变的,这取决于许多环境因素和操作参数。

UF和MF膜是完全表面去除机制,就像非常精细的筛子。膜表面的孔径高度均匀,孔径分布非常窄。大于孔径的颗粒被膜表面排斥并保留在进料或浓缩物的侧面。流体介质本身和小于膜孔径的颗粒将通过膜到达滤液侧。

这种尺寸选择性使膜成为满足绝对过滤质量要求的理想方法。超纯水的应用和市监管部门严格的法定标准没有问题。保持膜的初始完整性,以确保去除率。

与传统处理工艺相比,膜处理工艺不仅具有绝对高去除率的优点。该膜系统简洁紧凑(占地面积减少33%),自动化程度高(在正常情况下不需要人工操作),药剂用量低(药剂成本低,废水少)。

外压膜与内压有什么区别?

在水处理应用中,中空纤维超滤膜可以在外部或内部运行。当采用外压式时,材料和液体首先进入组件外壳,从灯丝外壁施加压力,通过膜壁产生水,然后从灯丝内腔流出。内压的过程是相反的。

目前已有几种采用内径0.8mm外径1.3mm膜丝的工业水处理膜,这种膜的外表面面积至少是内表面积的两倍。这意味着在相同的膜通量下,外部压力型产生的水是内压型的两倍。然而,情况并非如此,其他限制了外部压力膜的优点。

在典型的水处理应用中,典型的过滤通量为100 lmh,通量值在50和150 lmh之间变化,具体取决于进料的质量和工艺条件。该通量对于0.8mm膜丝产生的压降是可接受的。

在内压运行过程中,物料和液体在膜丝的内腔中流动,滤液的渗透方向与反冲洗方向相反。在反洗过程中,高速反洗液从膜丝的整个长度穿过膜壁。主要限制是从膜丝内腔排出反洗和排水。膜组件的单列平行布置设计中,膜组件的两端可以同时排水,保证了去除积聚颗粒物的效率。

在反冲洗过程中,外部压力操作不能保证清洗效率。在过滤过程中,料液从膜丝的外壁进入丝的内腔,在反冲洗过程中使用渗透液。流路方向相反。为了确保反冲洗效果,需要大的流速来注入渗透物。然而,膜丝内腔中的流动路径较窄,限制了反冲洗流体的流动,反冲洗的效果将大大降低。最终结果是膜污染和通量降低。

在外部压力操作的反洗过程中使用空气辅助措施。空气可以从膜的内腔直接穿过膜壁,或者可以在反洗过程中将空气干扰膜细丝添加到膜的外部。真正的空气反冲洗可以完全去除膜表面上的沉积物,但是在清洁膜表面的同时还会导致膜丝的拉伸,疲劳和其他损坏,最终导致膜失效。

空气擦洗也是有害的,可能会对树脂粘合表面的薄膜长丝造成张力。为了避免应变,需要更强的膜。此外,空气反洗和空气擦洗都需要大量的空气供应,从而大大增加了运营成本。

薄膜组件应垂直或水平布置。

在UF开发的早期,该系统是以并行的方式设计的。膜组件的安装可以是垂直的也可以是水平的,具体情况视具体情况而定。但垂直安装的一个非常重要的好处是排出空气。这极大地简化了驱动器的调试,使空气更容易进行完整性测试,并且可以使用空气反冲洗或空气增强反冲洗。

90年代初开发的一种新型水平安装形式完全模仿了反渗透/反渗透的标准结构。在该结构中,4个1.5米长的膜元件安装在一个6米长的膜壳中。材料和液体从模块的两端引入。两个元件串联在一起,形成模块中央的一个终端。

多元件设计的优点是大大减少了膜壳的数量(虽然膜线有两层壳,一层是元件壳,另一层是单独的压力容器),同时减少了连接管线和阀门。这种结构自然简化了组件的导入和导出,不需要在平台之间连接(尽管组件的维护更困难且耗时)。但对于大型设备,可通过模块化多层组件进行安装,垂直布置的安装密度基本类似于水平布置。

多元件水平设计有许多缺点。其中最重要的是液压不能在过滤循环中进行优化,反冲洗效果低。在过滤循环中,膜壳的中心部分的末端将形成高浓度的水垢。如果要进行反冲洗,则中心部分的流速最低,因此清洗效率最低,打开端子部分的几率几乎等于零。在商业设计中,为了避免这种缺点,水平结构的设计流程比垂直结构的设计流程低15%。

垂直结构将布置单个构件,因为材料的引入和反冲洗和排水的排放可以从构件两端同时或交替进行,因此无需承受水平设计的许多限制。内压结构可用于液体反洗,水力效率相对较好。

更深层次的多元素水平结构的缺点是不可能进行空气友好型完整性测试。该试验是城市水处理应用的工业标准。多组分的水平设计比单元件的水平结构更困难,因为在试验后很难完全排除空气而不会对薄膜导线造成损伤。

内部压力垂直结构的另一个特征是可以使用空气辅助的反洗。这里,空气不通过膜,不擦洗,没有不利的机械效应,并且避免额外的拉伸。使用空气的目的是在过滤结束前从底部吹出空气,使膜内腔中的液体排出,反洗液进入空流通道,提高去除污垢的效率从膜的表面。

加压式和浸没式

加压总成将灯丝封闭在外壳中。膜壳具有一定的压力水平。必要时,可操作总成的背压。

浸没系统的膜是没有包装的,所以它通常是简单地浸泡在一个开放的储罐中,并被真空泵吸走。

浸没系统的膜通常是微滤或超厚超滤,并且膜的渗透性非常高。加压系统具有稍小的膜孔,更高的废品率和更小的通量。浸没系统的通量通常略低于加压型的通量,并且跨膜压差也很小。由于低的跨膜压差降低了固体阻塞膜孔的趋势并且污染率最小化,因此适合于处理高固含量的液体。

在比较加压系统和潜水系统的经济性时,应考虑几个因素。水下系统节省了膜包装的成本,但由于操作通量低,需要更大的膜面积。由于膜的价格高于包装材料,水下系统的成本通常较高。在改造设计中,储罐和集装箱的成本很低,水下系统可以获得一些成本优势。

由于浸没系统的工作压力和流量较低,将节省材料和液体输送系统的成本和运行成本。如果是在山坡上建造的,浸没系统也可以利用自然落差来避免泵送泵系统。当然,如果在平坦地面上建造,两个系统都需要泵,尽管潜水系统的运行成本可能较低。

对于那些必须将滤液提升到更高储存器的人来说,加压系统具有优势,因为不需要添加提升泵。

直流和错流

UF/MF分离工艺采用错流法,防止污染物在膜表面过度积累,控制污染率。交叉流速通常在进液通道中形成湍流或过渡流型,为去除膜上的颗粒物聚集提供了一种有效的方法,即使在高固进液含量的情况下也是如此。在大型系统中采用横流方式的缺点是,形成足够速度所需的横流泵的尺寸和运行成本高,输送能量时物料和液体流道的压力损失高。

直流操作是水处理应用中的一个上升过程选择。大多数水源的进料固体负荷通常低于废水和分离中传统的交叉流动应用的进料固体负荷,因此膜公司可以开发交叉流动的替代方案。首先,将横流减少到一次性排水,然后全部停止,依靠简单的脉冲反冲洗。此操作称为直接流或半死端过滤。由于消除了交叉流动,过滤循环的压降不再是限制因素,因此可以使用更精细的流动通道。这也大大提高了膜组件的填充密度、低成本和低操作成本,并开启了大型水处理市场的门。

DC膜灯丝的最佳尺寸由反洗流速决定。大多数制造商计算出膜丝的内径应为0.7-0.9mm,膜丝长度应为1.0-1.5μm。

亲水和疏水

商用UF / MF膜系统的范围从完全亲水的醋酸纤维素(CA)到完全疏水的聚丙烯(PP),介于两个极端之间,聚砜(PS)/聚醚砜(PES)系列,以及聚丙烯腈(PAN)和聚偏二氟乙烯( PVDF)。

湿法纺丝和干法纺丝均能制备中空纤维和毛细膜。为了能够进行湿法纺丝,聚合物或聚合物溶液需要溶解在溶剂中。CA和PS/PES是能够湿法纺丝的聚合物家族的例子。PS/PES的溶解性使其成为聚合物共混膜的理想材料,可与其他聚合物共溶,从而使其亲水性得到改善。湿法纺丝的优点之一是可以根据不同的纺丝条件,使其孔径和其它膜性能发生较大的变化。PS/PES与其它合适的聚合物共混后可成为亲水性聚合物,具有CA的优点,避免了CA耐化学清洗性能差的主要缺点。

干纺用于生产疏水性膜,例如PP。它通常倾向于生产出良好的MF膜,但它不能用于生产各种产品,如湿法纺丝。干法往往产生长孔而不是像湿的那样的常规圆孔。长孔增加了去除率的不确定性。

在水处理中,亲水膜具有许多明显的优点。首先,该膜易滋润,透气性好。第二,地表水中的污染成分一般为有机物,较易附着在疏水表面。亲水表面倾向于抵抗有机吸附引起的附着,这被称为低污染表面。

PS/PES等膜可以产生覆盖超滤和微滤的各种孔径的膜制品。水处理的优点是它可以制备合适的膜来去除污染物。在超纯水的应用中,采用超滤膜制备无菌滤液.在市政应用中,粗超滤对病毒的去除率可达5对数.根据应用对象的需要,可以在流量和去除率之间形成最优选择。

疏水性膜不具有如此大的拉伸性。孔径也是可变的,但是没有达到与PS / PES一样大的变化范围而不损失长丝强度和水渗透性。 0.2μmMF的孔径是PP膜的标准形式。该膜非常适合细菌的保留,但市政消毒所需的病毒去除不够高,需要进行后续的氯化或超氯消毒处理。疏水性PP确实允许空气反冲,但这种反冲也需要强力化学清洁(PP的耐氯性非常低)。

互换性

超滤/微滤技术有一些独特的途径。从技术上讲,它似乎提供了广泛的商业产品选项,但它们之间缺乏互换性是一个真正的缺点,不像RO/NF产品中使用的标准化设计那样方便。

原则上,它分为压缩型和浸没型,这是最适合大规模和翻新设计,以及条件的高固内容。这种压缩设计最适合于中小型和低固体含量的场合.由于地理环境的原因,特别是由于交通的需要,这两种技术之间存在着一些中间地带,这两种技术都是可以使用的。

对于沉浸式技术来说,公共社区和翻新项目的机会无疑是一个更大的机会,因为这些辅助设施对其他设备制造商来说毫无意义。

另外,压力系统不易互换,多数厂家采用立式安装,但不需要大量改造就不能替代其他膜。

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