气体膜分离技术课件.pptx

1、高等分离工程 气体膜分离1254 简介 原理 膜材料 设备3 应用简介气体膜分离技术是利用原料混合气中不同气体对膜材料具有不同渗透率, 以膜两侧气体的压力差为推动力, 在渗透侧得到渗透率大的气体富集的物料, 在未渗透侧得到不易渗透气体富集的分离气, 从而达到气体分离目的。一般来说, 所有的高分子膜对一切气体都是可渗透的, 只不过不同气体渗透速度各不相同.人们正是借助它们之间在渗透速率上的差异, 来实现对某种气体的浓缩和富集。通常人们把渗透较快的气体叫“快气”, 因为它是优先透过膜并得到富集的渗透气, 而把渗透较慢的气体叫“慢气”, 因为较多地滞留在原料气侧而成为渗余气。“快气” 和“慢气” 不

2、是绝对的, 而是针对不同的气体组成而言的, 如对O2和H2体系来说, H2是“快气”,O2是“慢气”;而对O2和N2体系来说,O2则变为“快气”,因为O2比N2透过得快.因此, 这主要由其所在体系中的相对渗透速率来决定。1831年，英国人J. V. Mitchell系统地研究了天然橡胶的透气性，首先揭示了膜实现气体分离的可能性。1954年，P. Mears进一步研究了玻璃态聚合物的透气性，拓宽了膜材料的选择范围；1965年，S. A. Sterm等人为从天然气中分离出氦进行了含氟高分子膜的试验，但发现膜的通量小，气体分离膜尚无法在工业中大规模应用；1979年，美国Monsanto（孟山都公司）

3、研制出“Prism”气体分离膜装置，Monsanto公司也因此成为世界上第一个大规模的气体分离膜专业公司。发展历史气体膜分离过程的关键是膜材料，目前用于气体分离的膜种类繁多, 根据结构的差异将其分为2类:多孔膜和高分子致密膜(也称非多孔膜)，它们可由无机膜材料和高分子膜材料组成。膜材料的类型与结构对气体渗透有着显著影响。例如,氧在硅橡胶中的渗透要比在玻璃态的聚丙烯腈中的渗透大几百万倍。气体分离用膜材料的选择需要同时兼顾其渗透性与选择性。膜材料要求高透气性、良好的透气选择性高的机械强度优良的热和化学稳定性良好的成膜加工性能按材料的性质区分,气体分离膜材料主要有高分子材料、无机材料和高分子-无机复

4、合材料三大类。目前气体分离用膜材料主要有高分子聚合物膜材料和无机膜材料两大类。高分子膜因具有制造成本低、结构可控性强、成膜性好等优点而被广泛应用于气体分离膜的制备 高分子材料高分子材料分橡胶态膜材料和玻璃态膜材料两大类。 玻璃态聚合物与橡胶态聚合物相比选择性较好,其原因是玻璃态的链迁移性比后者低得多。玻璃态膜材料的主要缺点是它的渗透性较低,橡胶态膜材料的普遍缺点是它在高压差下容易膨胀变形。目前,研究者们一直致力于研制开发具有高透气性和透气选择性、耐高温、耐化学介质的气体分离膜材 料,并取得了一定的进展。高分子有机膜做成的气体膜, 一般是复合膜, 分三层结构, 由不同材料制成的, 如图所示底面是

5、无纺布支撑层; 中间是多孔膜支撑层, 它具有不对称结构, 要求对气体渗透没有阻力; 最上层为致密膜。常规高分子膜大多存在渗透性和选择性相互制约的Trade-off 现象，即obeson 上限。为了保证较高的气体选择性，目前工业上使用的高分子气体分离膜普遍存在渗透性偏低的难题无机材料无机膜属固态膜的一种, 是由无机材料、无机高分子材料制成的半透膜, 根据其组成不同, 它包括Al2O3 、ZrO2 、TiO2 、SiO2 、C 、SiC 及其复合膜;此外, 硅酸盐材料及沸石材料也备受重视。 无机膜的主要优点有：物理、化学和机械稳定性好,耐有机溶剂、氯化物和强酸、强碱溶液,并且不被微生物降解,孔径分

6、布窄;操作简单、迅速、便宜。受目前工艺水平的限制,无机膜的缺点为：制造成本相对较高,大约是相同膜面积高分子膜的10倍;质地脆,需要特殊的形状和支撑系统;制造大面积稳定的且具有良好性能的膜比较困难;膜组件的安装、密封(尤其是在高温下)比较困难;表面活性较高。由于陶瓷膜的这些特点, 目前它主要用于一些高分子膜所无法应用的一些领域, 如高温、高压、强腐蚀性环境中,所以采用无机膜进行高温气体净化更具实用性, 如ceramen公司设计了一种新型膜过滤器, 对气体的除尘率达 99 .99 %以上。高分子-无机复合或杂化材料 采用高分子-陶瓷复合膜,以耐高温高分子材料为分离层,陶瓷膜为支撑层,既发挥了高分子

7、膜高选择性的优势,又解决了支撑层膜材料耐高温、抗腐蚀的问题,为实现高温、腐蚀环境下的气体分离提供了可能性。根据气体通过膜的分离机理不同其原理主要有以下两种：机机理理1、粘性流动机制2、Knudsen （诺森）扩散 3、表面扩散机制4、分子扩散 溶解扩散机理：溶解扩散机理：微孔扩散机理微孔扩散机理吸 着解 吸扩 散致密膜致密膜多孔膜气体在微孔膜中的分离效应决定因素诺森数 气体分子的平均运动自由程； 膜的平均孔径 ；PdKnPdKn气体在多孔膜中的分离机理气体透过多孔膜的过程, 有的可以用一种机理来解释, 有的可能同时存在2种以上的机理, 这取决于膜对气体的分离性能, 与气体性质及膜孔径大小有关粘

8、性流是指孔径大于操作条件气体分子的平均运动自由程，孔内分子流动受分子之间碰撞作用支配 即： 1扩散流模型：Kn表面扩散流 气体分子吸附在膜孔壁上，在浓度差的作用下，分子沿膜孔表面移动，产生表面扩散流 通常沸点低的气体易被孔壁吸附，而且操作温度越低，孔径越小，表面扩散越显著 表面扩散流机理在蒸气分离中一般比努森扩散有效。毛细管凝胶模型 在膜孔比分子筛稍大几或十几10 m中 气体混合物中易冷凝组分在毛细管凝聚作用下在孔内冷凝，阻碍了其他组分分子通过，从而达到分离效果 毛细管凝聚对蒸气混合物的分离效果尤其显著10分子筛筛分 膜孔介于不同气体分子直径之间 直径小的分子就能通过膜孔，而大分子就被挡住，达

9、到分离效果 分子筛筛分模型在高分子致密膜中, 普遍被认可的是“溶解-扩散”机理。整个过程可分为3 步:首先气体分子被吸附在膜表面, 接着在浓度梯度的作用下,气体分子扩散通过膜,然后在膜的另一侧解吸,达到分离的目的。气体通过膜的扩散过程可以用Fick 定律来表示, 即： （1） 式中:J为气体透过膜的渗透速率(cm/(cms);D为扩散系数(cm/s);dc/dx为气体通过膜的浓度。在稳态下,J可看成常数,D亦为常数,积分式(1)可得 （2） 式中:c0 和c1 分别为膜上游及下游气体浓度; l为膜的厚度(cm)。当压力较低时,气体在膜内的浓度可用Henry定律来表示,即 （3）式中: S为He

10、nry溶解常数,即气体溶解度系数(cm/(cm kPa); p为气体压力(kPa)。dxdcDJlccDJ10Spc将式(3)代入式(2)可得 (4) 式中：P 为气体渗透系数(cmcm/(cmskPa), 而 (5)高分子致密膜对气体的选择分离能力通常可以用分离系数来表示, 即 (6)因此, 分离系数A/B 可以看成是混合气体中A和B的2种组分的扩散系数和溶解度系数的函数。lpppJ)(10DSPBBAABABASDSDPP/c气体在高分子致密膜中的分离机理其渗透机理可由溶解-扩散模型来说明。首先是气体与膜接触,如图(a),接着是气体在膜的表面溶解(称为溶解过程),如图(b);其次是因气体溶

11、解产生的浓度梯度使气体在膜中向前扩散(称为扩散过程);随后气体就达到膜的另一侧,此时过程一直处于非稳定状态,如图(c),一直到膜中气体的浓度梯度沿膜厚度方向变成直线时 达到稳定状态,如图(d)。从这个阶段开始,气体由膜的另一侧脱附出去,其速度恒定。所以,气体透过均质膜的过程为溶解、扩散、脱附三个步骤。c气体在高分子致密膜中的分离机理D 扩散系数 为一动力学参数，表示了渗透物通过膜传递的速率的快慢。它主要取决于气体分子的大小及聚合物膜的种类 扩散系数反比于分子大小，扩散系数随温度而增加 聚合物扩散系数N2O2H2(298)(298)(298)天然橡胶1.11.610.2聚丁二烯1.11.59.6

12、丁苯橡胶1.11.49.9聚四氟乙烯0.10.15聚苯乙烯0.060.114.4聚氯乙烯0.0040.0120.50聚醋酸乙酯0.030.052.1部分气体在聚合物中的扩散系数溶解度系数 S溶解度系数表示聚合物膜对气体的溶解能力， 为一热力学参数与液体相比，气体分子与聚合物的亲和作用很低，所以气体在聚合物中溶解度很低（一般90%)气体高聚物膜的选择性太低，如要实现高富氧，需要=6.0的膜酸性气体/烃从生物气中回收CO2是成功的，在消除可凝结的有机物方面可与PSA法相媲美；从井口气回收CO2是成功的，但要除掉可凝结物和提高生产能力，并需要耐老化从天然气中脱除H2S没有现成的设备，不过现行的膜可以

13、使用H2O/烃 天然气脱水 是有效的，不过存在烃的流失H2O/空气必要的空气去湿对中等露点有效，问题是浓差极化烃/空气 控制污染和回收溶剂对氯化烃分离是成功的.烃(CH4)/N2提高BTU气体的等级现有膜的选择性不足以防止甲烷过量损失He/烃从气井回收氦 低浓度的氦原料需多级操作；市场小He/N2从潜水的混合中回收氦可行，市场小气体膜分离的应用领域公司公司CO2H2O2N2其它其它分离器形式分离器形式A/G Technology (AVIR) 中空纤维式中空纤维式Air Products (Separex) 卷卷 式式Cynara (Dow) 中空纤维式中空纤维式Dow (Generon) 中

14、空纤维式中空纤维式Du Pont 中空纤维式中空纤维式GKSS 板板 框框 式式Grace Membrane Systems 卷卷 式式Membrane Tech. & Resch 卷卷 式式Monsanto 中空纤维式中空纤维式Oxygen Enrichment Co 板板 框框 式式Perma Pure 中空纤维式中空纤维式Techmashexport 板板 框框 式式Toyobo 中空纤维式中空纤维式Ube Industries 中空纤维式中空纤维式Union cabide (Linde) 中空纤维式中空纤维式世界上主要气体膜分离装置供应商及应用领域主要工业化的气体分离膜技术氮氢膜 主要

15、应用于炼油厂含氢气的氢回收；化肥厂合成放空气的氢回收；甲醇厂尾气的氢回收；氢气、一氧化碳的气调富氧膜 主要应用于工业锅炉、玻璃窑炉的富氧助燃、医疗保健、健康空调及化肥厂的大型富氧连续气化等方面。氧气的最高浓度可达45%。富氮膜 主要应用于油田的三次采油、化工行业的氮气输送及家产品的气调库等方面。配合纯化技术氮气的最高浓度可达 99.995%。有机蒸气膜 从聚合反应驰放气中回收乙烯、丙烯、丁烯、氯乙烯、氯甲烷等有机蒸汽。 安庆石化柴油加氢尾气安庆石化柴油加氢尾气氢气提浓装置氢气提浓装置镇海炼化裂化干气镇海炼化裂化干气PSAPSA解吸气氢气提解吸气氢气提浓装置浓装置工业化的气体分离膜技术金陵石化脱

16、硫干气氢回收装置金陵石化脱硫干气氢回收装置金陵石化重整还原氢提浓装置金陵石化重整还原氢提浓装置主要工业化的气体分离膜技术吉林石化氯甲烷膜法回收装置吉林石化氯甲烷膜法回收装置膜法天然气脱水工业装置膜法天然气脱水工业装置主要工业化的气体分离膜技术合成氨放空气氢回收装置合成氨放空气氢回收装置采用膜分离技术的丙烯回收装置采用膜分离技术的丙烯回收装置主要工业化的气体分离膜技术目前国外已经开发了新的组合工艺, 例如膜分离法与变压吸附法整合, 用于提高炼厂氢气的回收率或氢气的纯度; 或用于从空气中生产干燥的高纯度氮气; 或用于炼厂干气中回收乙烯、丙烯原料气。膜法与化学催化反应的整合, 可大大提高反应速率。膜

17、法与深冷分离法整合, 可大大降低能耗, 另外目前正在开发推广的一种新型膜分离技术渗透气化技术, 它类似气体膜分离原理, 但该技术用于液体混合物的分离, 以低的能耗实现蒸馏、萃取、吸附等传统的方法难于完成的分离任务, 在石化工业领域中更具有广阔的市场应用前景。几十年后, 炼化企业很多分离工艺很可能将要被膜分离技术及膜和其它分离的集成技术所代替. 总之气体膜分离技术是21 世纪的高新技术, 而且是不断在发展的新技术.气体分离膜技术展望 汇报人汇报人：史冰森：史冰森 汇报时间汇报时间：2015.12 1uMBR (英文名称为Membrane Bioreactor)工艺是膜分离技术与生物技术有机结合的

18、新型废水处理技术，也称膜分离活性污泥法。它利用膜分离设备将生化反应池中的活性污泥和大分子有机物截留住，水力停留时间和污泥停留时间可以分别控制，而难降解的物质在反应器中不断反应、降解。u一方面，膜截留了反应池中的微生物，使池中的活性污泥浓度大大增加，使降解污水的生化反应进行得更迅速更彻底；另一方面，由于膜的高过滤精度，保证了出水清澈透明从而省掉二沉池。因此，MBR工艺通过膜分离技术大大强化了生物反应器的功能。u与传统的生物处理方法相比，具有污泥浓度高、抗负荷冲击能力强、出水水质稳定、占地面积小、剩余污泥量少、便于自动控制等优点，是目前最有前途的废水处理新技术之一。历史历史第一阶段第一阶段(196

19、6 (1966 年年19801980年年) )19661966年，美国的年，美国的Dorr oliverDorr oliver公司首先将公司首先将MBRMBR用于废水处理研究用于废水处理研究19681968年，年，SmithSmith等人在活性污泥法工艺中用超滤取代二次池。等人在活性污泥法工艺中用超滤取代二次池。2020世纪世纪7070年代，膜生物反应器工艺首次进入日本市场。年代，膜生物反应器工艺首次进入日本市场。第二阶段第二阶段(1980(1980年年 19951995年年) )19891989年日本政府联合许多大公司共同投资研发。年日本政府联合许多大公司共同投资研发。9090年代年代Kub

20、otaKubota公司研制了平板式浸没公司研制了平板式浸没MBRMBR。在在8080年代末到年代末到9090年代初，年代初，ZenonZenon环境公司研制成功了两个注册产品。环境公司研制成功了两个注册产品。ZenonZenon环境公司商环境公司商业化的产品系统业化的产品系统ZenonGemZenonGem在在19821982年进入市场。年进入市场。第三阶段第三阶段(1995(1995年至今年至今) )2020世纪世纪9090年代中后期。越来越多的欧洲国家将年代中后期。越来越多的欧洲国家将MBRMBR用于生活污水和工业废水的处理。用于生活污水和工业废水的处理。目前主要有四家大公司经营目前主要有

21、四家大公司经营 MBR MBR ，它们分别是加拿大，它们分别是加拿大 ZenonZenon 公司，公司， 日本日本Mitsubishi Mitsubishi RayonRayon公司，法国公司，法国 SuezSuezLDE/IDILDE/IDI公司和日本公司和日本KubotaKubota公司。公司。2.1 2.1 原理原理膜生物反应器(Membrane Bioreactor)是把生物处理与膜分离相结合的一种组合工艺，是用膜组件来代替传统生物处理技术，使反应连续进行。MBR将膜分离技术的膜组件与污水生物处理工程中的生物反应器相结合，膜组件作为泥水分离单元取代二次沉淀池，综合了膜处理技术和生物处理

22、技术。下图展示了普通A/O工艺和应用MBR反应器后工艺的差异。 2.1 2.1 原理原理 2.1 2.1 原理原理根据根据运行方式的不同运行方式的不同 外置式（分体式）外置式（分体式） 将膜分离单元置于生化池之外。水透过膜的推动力主要靠水的静压力。为防止膜污染，必须维持较高的膜面循环流速，同时要维持污泥回流，因此动力消耗较高。浸没式（一体式）浸没式（一体式） 将膜分离单元置于生化池之内。水透过膜的推动力主要靠抽吸泵产生的负压来实现。依靠曝气时空气泡的搅动在膜表面形成交错流，来实现膜表面的清洁。浸没式膜生物反应器（MBR）的能耗远较外置式膜生物反应器（MBR）低，具有更大优势，代表了MBR技术的

23、发展方向。2.2 MBR反应器类型反应器类型分体式分体式 一体式一体式2.2 MBR反应器类型反应器类型2.2.2 2.2.2 根据需氧量的不同根据需氧量的不同 2.2.3 2.2.3 根据膜材料的不同根据膜材料的不同 好氧膜生物反好氧膜生物反应器应器厌氧膜生物反厌氧膜生物反应器应器有机膜生物反有机膜生物反应器应器无机膜生物反无机膜生物反应器应器2.2 MBR反应器类型反应器类型2.2.4 2.2.4 根据膜孔径的根据膜孔径的不同不同 可分为微滤、超滤、和纳滤膜生物反应器。可分为微滤、超滤、和纳滤膜生物反应器。 2.2 MBR反应器类型反应器类型2.2.5 2.2.5 根据生物膜机理的不同根据

24、生物膜机理的不同 膜曝气膜曝气- -生物反应器（生物反应器（MABRMABR）萃取膜生物反应器（萃取膜生物反应器（EMBREMBR）膜分离生物反应器（膜分离生物反应器（BSMBRBSMBR） 2.2 MBR反应器类型反应器类型 在在MBR中，降解时间较长的可溶性大分子化合物可以被膜中，降解时间较长的可溶性大分子化合物可以被膜截留下来并与污泥一起返回到生物反应器中，使这些化合物在截留下来并与污泥一起返回到生物反应器中，使这些化合物在生物反应器中的停留时间变长，从而有利于微生物对这些化合生物反应器中的停留时间变长，从而有利于微生物对这些化合物的降解；同时较长的物的降解；同时较长的SRT可以使世代时

25、间较长的硝化细菌能可以使世代时间较长的硝化细菌能够在生物反应器中积累，提高了硝化效果。因此够在生物反应器中积累，提高了硝化效果。因此MBR出水有机出水有机物含量较低，且总氮和总磷的含量也远远低于传统活性污泥法。物含量较低，且总氮和总磷的含量也远远低于传统活性污泥法。同时，由于膜单元采用微滤膜或超滤膜，因而不仅对水中悬浮同时，由于膜单元采用微滤膜或超滤膜，因而不仅对水中悬浮物截留率高，而且可以去除细菌。物截留率高，而且可以去除细菌。2.3 MBR工艺特点工艺特点 在在MBR中，用膜组件代替二沉池，可以同时实现较短的中，用膜组件代替二沉池，可以同时实现较短的HRT(相相对水力停留时间）和很长的对水

26、力停留时间）和很长的SRT（污泥停留时间）。同时，（污泥停留时间）。同时，MBR中中由于膜对污泥的截留，可以在很大程度上消除污泥膨胀现象。由于膜对污泥的截留，可以在很大程度上消除污泥膨胀现象。 MBR中生物反应器中的微生物浓度比普通生物反应器高得多，中生物反应器中的微生物浓度比普通生物反应器高得多，装置处理容积负荷大，同时当进水中有机物浓度变化较大时，有机装置处理容积负荷大，同时当进水中有机物浓度变化较大时，有机负荷率负荷率(单位质量的微生物在单位时间内承受的有机物质量单位质量的微生物在单位时间内承受的有机物质量)变化不变化不大，系统去除有机物的效果变化不大。大，系统去除有机物的效果变化不大。

27、2.3 MBR工艺特点工艺特点 生物反应器中的污泥浓度很高，泥龄长，因此污泥负荷生物反应器中的污泥浓度很高，泥龄长，因此污泥负荷F/M（污（污泥负荷，即单位质量的污泥微生物）较低，污泥产量很低。泥负荷，即单位质量的污泥微生物）较低，污泥产量很低。 MBR系统结构简单，运行灵活稳定，容易操作和实现自动化。系统结构简单，运行灵活稳定，容易操作和实现自动化。 存在膜污染，需要定期反冲洗和化学清洗；膜需要定期更换；能存在膜污染，需要定期反冲洗和化学清洗；膜需要定期更换；能耗较一般生化处理方法要高。耗较一般生化处理方法要高。2.3 MBR工艺特点工艺特点3.1 膜膜的的定义定义膜从广义上可以定义为两相之

28、间的一个具有选择透过性的薄层屏障。膜分离是指在某种推动力的作用下，利用膜的透过性能，达到分离混合物中离子、分子以及某些微粒的过程。与传统过滤器的最大不同是，膜可以在离子或分子范围内进行分离，并且该过程是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂。3.2 膜的结构与膜的结构与分类分类根据相态的不同： 液相膜、气相膜、固相膜根据孔径的不同： 微滤膜、超滤膜、纳滤膜根据材料的不同： 无机膜、有机膜根据形态的不同： 均质膜、非对称膜3.3 膜的膜的性能性能3.3.1 3.3.1 膜通量和膜的过滤方式膜通量和膜的过滤方式膜通量：单位时间单位膜面积上通过的物质的量,m3/(m2s)。影响膜通量的因素有：膜的

29、阻力单位膜面积上的驱动压力膜表面的水动力学状况膜污染和其他清洗情况3.3 膜的膜的性能性能3.3.2 3.3.2 膜通量和膜的过滤方式膜通量和膜的过滤方式过滤方式：全程过滤：在膜两边压力差的驱动下，溶质和溶剂垂直于分离膜方向运动，溶质被膜截留，溶剂通过膜而被分离。错流过滤：主体料液与膜表面相切而流动，料液中的溶质被截留，透过液垂直于膜面而通过膜流出。3.3 膜的膜的性能性能3.3.3 3.3.3 膜的分离性能参数膜的分离性能参数膜过滤过程中通常希望膜具有良好的机械性能、高的膜通量和高的选择性。表征膜的分离性能参数主要有两个。即：截留率：包括表观截留率和本证截留率。膜通量：由本身性能决定。膜在运

30、行过程中，随着流体阻力越来越大，膜的推动力也越来越大，而膜通量则越来越小，被截留的分子也越来越小。3.3.4 3.3.4 浓差极化与膜污染浓差极化与膜污染浓差极化：在膜分离过程中，料液中的溶剂在压力驱动下透过膜，溶质被截留，由于水的通量不断把溶质带到滤膜表面，使溶质在滤膜表面的浓度高于在水溶液中的浓度，在浓度梯度的作用下，溶质由膜表面向本体溶液扩散，形成一个稳定的边界层，这种现象称为浓差极化。浓差极化的危害：使膜表面溶质浓度增高，引起渗透压增大，从而减小传质驱动力。膜表面沉积层会改变膜的分离特性可能会导致结晶析出，阻塞通道溶质截留率下降膜通量降低3.3 膜的膜的性能性能3.3 膜的膜的性能性能

31、3.3.4 3.3.4 浓差极化与膜污染浓差极化与膜污染 膜污染：由于膜在分离过程中，由于污水中的溶质分子与膜分子发生物理化学的作用，造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过量和分离特性发生变化的现象。膜污染与浓差极化密切相关，常常同时发生，膜污染的具体内容及其防治下面进行详细的介绍。板框式膜组件板框式膜组件3.3.5 膜组件膜组件管式膜组件管式膜组件螺旋卷式膜组件螺旋卷式膜组件中空纤维式膜组件中空纤维式膜组件3.3.5 膜组件膜组件毛细管式膜组件毛细管式膜组件3.3.5 膜组件膜组件有机负荷：有机负荷：每立方米池容积每日负担的有机物量每立方米池容积每日负担的有机物量 污泥负荷：污泥负荷：单位质量的

32、活性污泥在单位时间内所去除的污染物的量单位质量的活性污泥在单位时间内所去除的污染物的量 在好氧在好氧MBR中，污泥浓度随容积负荷的增加迅速升高，有机物中，污泥浓度随容积负荷的增加迅速升高，有机物去除速率加快，污泥负荷基本保持不变，从而抑制出水水质的恶化；去除速率加快，污泥负荷基本保持不变，从而抑制出水水质的恶化；而在厌氧而在厌氧MBR中，污泥浓度升高缓慢，污泥负荷与容积负荷几乎呈中，污泥浓度升高缓慢，污泥负荷与容积负荷几乎呈正相关关系，因此厌氧正相关关系，因此厌氧MBR出水水质易受容积负荷的影响。出水水质易受容积负荷的影响。 4.1 影响影响MBR稳定运行的稳定运行的生物动力学参数生物动力学参

33、数污泥浓度：污泥浓度：污泥浓度是污泥浓度是MBR系统的重要参数，不仅影响有机物的去除能力，还系统的重要参数，不仅影响有机物的去除能力，还对膜通量产生影响。研究成果表明：一定条件下污泥浓度越高，膜对膜通量产生影响。研究成果表明：一定条件下污泥浓度越高，膜通量愈低。但国内学者在一体式通量愈低。但国内学者在一体式MBR处理生活污水的研究却发现：处理生活污水的研究却发现：当曝气强度足够大时（气水比近似当曝气强度足够大时（气水比近似100：1），），MLSS由由10g/L变化到变化到35g/L时，时，MLSS（混合液悬浮固体）与膜通量没有明显的相关性；（混合液悬浮固体）与膜通量没有明显的相关性；但如果降

34、低曝气强度，但如果降低曝气强度，MLSS对膜通量可能产生一定的影响。对膜通量可能产生一定的影响。 4.1 影响影响MBR稳定运行的稳定运行的生物动力学参数生物动力学参数膜的选择：膜的选择：膜材料分为有机膜和无机膜两种。由于较高的投资成本限制了无机膜材料分为有机膜和无机膜两种。由于较高的投资成本限制了无机膜在我国的广泛应用，国内膜在我国的广泛应用，国内MBR普遍采用有机膜，常用的膜材料为普遍采用有机膜，常用的膜材料为聚乙烯、聚丙烯等。分离式聚乙烯、聚丙烯等。分离式MBR通常采用超滤膜组件，截留分子量通常采用超滤膜组件，截留分子量一般在一般在230万。截留分子量越大，初始膜通量越大，但长期运行膜万

35、。截留分子量越大，初始膜通量越大，但长期运行膜通量未必越大。对于一体式通量未必越大。对于一体式MBR，既可用超滤膜，也可使用微滤膜。，既可用超滤膜，也可使用微滤膜。4.2 膜分离膜分离参数参数操作方式的优化操作方式的优化：对于分体式对于分体式MBR，为了减缓膜污染，反冲洗是维持，为了减缓膜污染，反冲洗是维持MBR稳定运行的稳定运行的重要操作。对于一体式重要操作。对于一体式MBR，缩短抽吸时间或延长停吸时间和增加，缩短抽吸时间或延长停吸时间和增加曝气量均有利于减缓膜污染，抽吸时间对膜阻力的上升影响最大，曝气量均有利于减缓膜污染，抽吸时间对膜阻力的上升影响最大，曝气量其次。曝气量其次。 水力学特性

36、的改善：水力学特性的改善：对于分体式对于分体式MBR，可以提高流体的进水流速，减少浓差极化，使被，可以提高流体的进水流速，减少浓差极化，使被截留的溶质及时被带走。对于一体式截留的溶质及时被带走。对于一体式MBR，设计合理的流道结构，设计合理的流道结构，提高曝气强度，较大的曝气量具有冲刷膜表面的错流过滤效果。提高曝气强度，较大的曝气量具有冲刷膜表面的错流过滤效果。4.2 膜分离膜分离参数参数5.1 膜污染的膜污染的来源来源凝胶层，即滤饼 水透过后被截留下来的部分活性污泥和胶体物质，在滤压差和透过水流的作用下堆积在膜表面而形成的可逆性膜面污染溶解性物质 溶解性物质被膜内微孔表面吸附或结晶，堵塞孔道

37、，使膜通量减少，属于可逆污染。微生物污染 在膜表面和膜孔中有微生物所需的营养物质，因而会有大量的微生物滋生，从而造成膜通量的减少。5.2 膜污染的膜污染的影响因素影响因素膜本身的性质 料液和污泥的特点 工艺的操作条件 包括膜材质、膜孔径大小、孔隙率、亲疏水性、电荷性质和粗糙度等包括颗粒分布、COD负荷、污泥浓度，污泥泥龄，污泥絮体结构，微生物群落结构等包括反应器运行方式，操作压力，HRT，滤出速率，温度，膜清洗周期等 5.3 膜污染的膜污染的控制控制5.3.1 5.3.1 膜污染的膜污染的预防预防采用低成本的无机膜，因为无机膜如陶瓷、金属膜等比有机膜具有更强的抗污染能力，尤其重视动态膜的使用；

38、优化系统运行的操作条件，针对不同的MBR的运行状况，测定出最佳的运行条件；调控混合液性状，可添加吸附剂或混凝剂，除去混合液中溶解性微生物产物、胞外聚合物、微粒子等，防止它们对膜污染的影响。5.3.2 膜的膜的清洗清洗曝气、反洗 是利用上升气流带来的错流减少微粒子在膜面的沉积，从而减轻膜污染，反洗指使用滤液进行反洗可成功去除大部分可逆污染物。空气反吹 通过对几种不同的过滤空气反吹操作的研究发现，空气反吹可以获得稳定的通透量和总透过量，与连续运行的工艺相比透过量提高，说明空气反吹可以缓解膜污染，但对膜组件的强度要求更高。水力清洗 一种较为简单的清洗方法。在前期的清洗中有明显的效果物理清洗主要是采用

39、各种化学药剂进行清洗，例如碱类清洗剂、酸类清洗剂和氧化类清洗剂，如加入化学试剂如NaOH、HNO3、NaClO 等来进行清洗超声波清洗作为一种新的洗膜方式，是利用超声波在液体中空化作用而达到清洗的目的，同时超声波在液体中又能加速溶解作用和乳化作用等，具有高效快速的优点5.3.2 膜的膜的清洗清洗化学清洗：超声波清洗：。 结合有机物污染通过碱洗效果明显、盐结垢通过酸洗效果明显的原理，将化学加强反洗程序引入到MBR膜的运行过程中。通过类似于低强度的化学清洗的操作，将MBR膜的污染消除在刚形成的阶段，阻止膜污染得不到及时恢复形成协同恶化的效应。5.3.2 膜的膜的清洗清洗加药种类化学药剂加药浓度酸盐

40、酸、柠檬酸、草酸控制PH在2.53.5之间碱氢氧化钠0.02%0.05%氧化剂次氯酸钠0.05%0.1%5.3.2 膜的膜的清洗清洗污染物化学药剂浓度清洗时间有机物10%次氯酸钠10005000mg/L12h有机物氢氧化钠PH121h无机物盐酸0.1mol/L12h 化学清洗的频率和操作的条件与进水的水质有关。通常情况下运行13个月或在相同的运行条件下透过膜的压差比初期上升的0.5bar以上时就应该进行化学清洗。5.3.2 膜的膜的清洗清洗城市污水与生活污水的处理与回用城市污水与生活污水的处理与回用高浓度有机废水的处理高浓度有机废水的处理含难降解有机物废水的处理含难降解有机物废水的处理受污染水

41、源水净化受污染水源水净化6.1 MBR工艺的工艺的应用应用 1998年，大连大器公司设计的200m3/d的中水回用装置就己在大连投入运行； 天津德人公司首先开发了重力淹没式MBR，该技术在2000年己应用于天津普辰大厦的中水回用系统，处理规模为25m3d，该装置占地仅2.8m2，处理成本为1.05元m3； 上海荏原公司研究开发的PW系统己成功地应用于数十个行业的高浓度有机废水处理，规模从5m3d至700m3d不等； 杭州华滤、哈尔滨鹭滨、上海斯纳普等公司在MBR开发应用方面都具有一定的竞争力。在南方地区，MBR目前主要应用于高浓度有机废水处理；而在天津、大连严重缺水的北方地区，MBR主要做为中

42、水回用技术。 应用曝气池膜处理车间1、北小河再生水厂（6万吨/日）原水出水晶莹剔透，杂质比自来水还少 1、北小河再生水厂（6万吨/日）MBR反应器出水水质 2、密云再生水厂（4.5万吨/日）3、中关村科技园区软件园培训中心污水处理工程4、沈阳统一集团食品废水处理5、金威啤酒有限公司污水处理厂 中石化洛阳分公司PTA污水处理与回用工程，5000吨/日中石化巴陵分公司己内酰胺污水处理项，7200吨/日6、石化污水处理 7、河南华兰生物工程有限公司制药废水MBR处理工程 日处理渗滤液300吨采用MBR碟管式反渗透的工艺 8、御桥垃圾焚烧厂渗滤液处理厂9、其它 我国人均水资源拥有量仅为2250m3/人

43、.年，不足世界平均水平的14。在我国600多个城市中，有300余座城市缺水。华北地区人均水资源低于全国人均水平的15，这一地区的所有城市几乎都面临缺水问题。膜生物反应器技术以其优质的出水水质被认为是具有较好经济、社会和环境效益的节水技术而倍受关注。尽管还存在较高的运行费用问题，但随着膜制造技术的进步，膜质量的提高和膜制造成本的降低，MBR的投资也会随之降低。另一方面，各种新型膜生物反应器的开发也使其运行费用大大降低，如在低压下运行的重力淹没式MBR、厌氧MBR等与传统的好氧加压膜生物反应器相比，其运行费用大幅度下降。因此，从长远的观点来看，膜生物反应器在水处理中应用范围必将越来越广。在水环境标

44、准日益严格的今天，MBR已显示出其巨大的发展潜力，将是新世纪替代传统废水处理技术的有力竞争者。 膜生物反应器膜生物反应器的最新研究进展的最新研究进展新型MBR包括高截留MBR(High retention MBR)、斜板MBR(Inclined plate MBR，ipMBR)、真空旋转MBR(Vacuumrotation MBR)等，这些新工艺具有能耗低、出水质量高等特点，在水处理领域受到了广泛的关注。一、高截留MBR目前是膜法水处理的一个研究热点，包括正渗透MBR(FOMBR)、纳滤MBR(NFMBR)、膜蒸馏MBR(MDBR)等。高截留MBR的特点是用截留分子质量小的膜(如FO膜、NF膜

45、等)代替传统MBR中的微滤(Microfihration，MF)或超滤(Uhrafihration，UF)膜，因此出水水质优良，在提升再生水水质中具有良好的应用前景。膜蒸馏MBR(MDBR)也是一类近年来比较新的高截留MBR，该反应器需要较高的温度环境(约50，可利用废热)，以促使水通过膜蒸馏透过膜，出水纯度高，污染程度轻，比传统的MBRRO工艺运行费用低。Fane等利用MDBR处理污水，污泥浓度能稳定在5 gL，通量稳定在5 L(m2h)，污染轻。MDBR不仅出水水质极好，基本不含有机物，而且对于RO膜等难以去除的N一亚硝基二甲胺(NDMA)都能有效去除。目前，MDBR还处于研究阶段，如何使

46、废水生物系统适应较高温度、高盐度及提高通量等是MDBR今后必须解决的问题。膜生物反应器膜生物反应器的最新研究进展的最新研究进展二、斜板膜生物反应器该工艺缺氧池中污泥浓度较高，可以吸附进水中大部分有机物，通过在缺氧段设置斜板分离污泥，吸附大量有机物的污泥可以进行消化，回收生物质能。缺氧和好氧池的污泥浓度由缺氧池的上升流速和回流比确定，好氧池的污泥浓度控制在较低水平，可以有效缓解膜污染。Chiemchaisri等利用该反应器处理垃圾填埋场的渗滤液，对BOD和COD的去除率分别达到99和60以上，对总氮的去除率达80以上。Fontanos等利用该反应器处理市政污水，通过调控回流比可以有效改变缺氧池和

47、好氧池的污泥浓度，对于波动较大的进水具有很好的适应能力。膜生物反应器膜生物反应器的最新研究进展的最新研究进展三、真空旋转膜生物反应器真空旋转MBR与传统浸没式MBR(sMBR)的不同之处在于其膜组件是可以活动的，该组件以12 rrain的转速旋转。旋转产生的剪切力与中央大气泡曝气产生的气体对膜表面的冲刷作用可使组件任何部分都不聚集污泥，因此无需清洗。Keucken等对真空旋转MBR进行了中试研究，膜组件由一中空的旋转轴组成，周围有68块膜组件，膜材料是孔径为004um的聚醚砜膜。结果表明，长期运行过程中(尤其在低温条件下)能保持TMP的稳定。膜生物反应器膜生物反应器的最新研究进展的最新研究进展

48、四、厌氧型膜生物反应器厌氧型MBR(AnMBR)由于能处理高浓度废水，并且通过产沼气回收其中的生物质能，一直是研究的热点。由于厌氧反应器中的污泥浓度很高，AnMBR的泥饼层膜污染一直比较严重。Xu等利用AnMBR处理剩余污泥，在较短的HRT(6d)条件下，获得了较高的污泥消化率(约52)。对于AnMBR严重的膜污染，利用超声装置间歇性进行在线清洗，有效缓解了泥饼层的污染。膜生物反应器膜生物反应器的最新研究进展的最新研究进展以下领域被认为是以下领域被认为是MBRMBR应用最有前途的领域：应用最有前途的领域： 现有污水处理厂的升级改造现有污水处理厂的升级改造 无排水管网系统且生态脆弱的地区无排水管

49、网系统且生态脆弱的地区 有污水回用需求的地区或场所，如宾馆、洗车业等有污水回用需求的地区或场所，如宾馆、洗车业等 高浓度、难降解工业废水的处理高浓度、难降解工业废水的处理 垃圾渗滤液的处理垃圾渗滤液的处理虽然目前MBR 运行费用要高于普通的生物处理方法，但MBR出水水质稳定，处理效果良好，且随着膜制造技术的进步、膜材质成本的降低以及膜通量的提高，膜生物反应器在工业废水处理中的应用将越来越广泛。MBR 应用于实际废水处理还需从以下几方面进行研究探索：一是开发低成本、高性能的耐污染膜。膜污染是造成膜生物反应器能耗高的主要原因，因此研究耐污型的膜，探求合适的操作条件和工艺参数将是目前研究的热点；二是对各种不同类型的污水具有专一性能的膜材质的开发；三是膜清洗机理的研究。如果这些关键技术能得到很好的解决。膜生物反应器将在废水领域中发挥更大的作用。