a污水深度处理二

污水深度处理技术（二）1.1膜1.1.1基本概念膜：在一定流体相中，有一薄层凝聚相物质，把流体相分隔成为两部分，这一薄层物质称为膜。。第一章膜处理1.1.2膜的分类（1）按膜材质分类无机膜、有机膜（2）按膜相态分类气膜、液膜、固膜（3）按膜孔径分类微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜（4）按膜形状分类板式膜、管式膜、螺旋卷式膜、毛细管膜、中空纤维膜1.1.3膜分离的原理膜分离法：是利用选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差)时，使溶剂(通常是水)与溶质或微粒分离的方法。膜分离法的分类：包括电渗析、反渗透、纳滤、超滤、微滤等。其中的反渗透、纳滤、超滤及微滤相当于过滤技术。用选择性透过膜进行分离时，使溶质通过膜的方法称为渗析；而使溶剂通过膜的方法则称为渗透。膜分离法的特点：膜法水处理具有适应性强、效率高、占地面积小、运行经济的特点。此方法具有不发生相变、常温进行、适用范围广(有机物、无机物等)、装置简单、易操作和易控制等优点。第一章膜处理1.2反渗透(ReversOsmosis,RO)反渗透：是借助于半透膜对溶液中溶质的截留作用，在高于溶液渗透压的压差推动力下，使溶剂渗透通过半透膜而实现对液体混合物进行分离的膜过程。渗透压：当稀溶液向浓溶液的渗透停止时的压力。反渗透的定义：在浓液一边加上比自然渗透压更高的压力，扭转自然渗透方向，把浓溶液中的溶剂压到半透膜另一边的稀溶液中，这和自然界正常渗透过程相反。反渗透的条件：（1）高选择性和高渗透性的选择性半透膜（2）高于溶液渗透压的操作压力第一章膜处理反渗透法原理—是以压力为驱动力的膜法分离技术。渗透和反渗透第一章膜处理渗透压的计算任何溶液都具有相应的渗透压，其数值取决于溶液中溶质的分子数，而与溶质的性质无关，其数学表达式为：当完全解离时，i等于阴、阳离子的总数；对非电解质，i＝1。•渗透压是选择操作压力和设计反渗透的重要依据。iRTc1.2.1反渗透膜的性能指标①脱盐率（SaltRejection）指给水中总溶解固体物（TDS）中的未透过膜部分的百分数。脱盐率＝(1－出水总溶解固体物/进水总溶解固体物)×100％②产水率（PermeatFlowRate/Recovery）指渗透水流的比率，也可表示为回收率，即产水流量与给水流量之比。产水率＝(产品水流量/给水流量)×100％③水通量（Flux）又称透水量，指单位面积膜的产品水流量，是设计和运行都要加以控制的重要指标，它取决于膜和原水的性质、工作压力、温度。④通量衰减系数（Fluxdeclinecoefficient）指反渗透装置在运行过程中水通量衰减的程度，即运行一年后水通量与初始运行水通量下降的比值。第一章膜处理1）反渗透膜的性能要求+单位膜面积上透水量大，脱盐率高；+机械强度高，热和化学稳定性好；+寿命长，成本低。2）反渗透膜的分类a.按成膜材料：有机膜和无机膜；（1）天然高分子材料+醋酸纤维—截盐能力强，使用温度和pH有限(50℃/pH=3~8)+硝酸纤维+再生纤维+天然物及其衍生物：兽类的膀胱、禽类的素囊第一章膜处理（2）合成高分子材料+聚砜—耐高温(70~125℃)，pH范围广(pH=1~13)，耐氯能力强可调孔径范围广(1~20nm)；耐压能力低(0.5~1.0MPa)+聚酰胺—耐压能力高，稳定和pH值稳定性好，使用寿命长+聚丙烯晴+聚酰亚胺+聚烯类+含氟聚合物（3）无机材料+陶瓷、微孔玻璃、不锈钢、碳素+无机微滤膜多孔陶瓷膜：氧化铝、硅胶、氧化锆、钛微粒烧结而成,机械强度高,耐高温、耐化学试剂和有机溶剂,不易加工,造价高。动态膜：含水金属氧化物胶体微粒或聚丙烯酸沉积在陶瓷管等多孔介质形成膜，透过通量大、清洗容易，稳定性差。第一章膜处理2.1反渗透(ReversOsmosis,RO)b.按膜结构：多孔性和致密性膜，或对称牲和非对称性膜；（1）孔道结构+对称膜—截面的膜厚方向上孔道结构均匀传质阻力大，透过量低，容易污染+不对称膜第一章膜处理2.1反渗透(ReversOsmosis,RO)表面活性层：膜分离作用惰性层：支撑强化作用2.1反渗透(ReversOsmosis,RO)2.1.1基本概念反渗透膜醋酸纤维素膜芳香族聚酰胺膜制作较容易，价廉，耐游离氯，膜表面光洁，不易结垢和污染脱盐率高，通量大，pH范围宽，耐生物降解，操作压力要求低pH范围窄，易水解，操作压力要求偏高，性能衰减较快不耐氧化，氧化后性能急剧衰减，抗结垢和污染能力差第一章膜处理海水脱盐三醋酸纤维素系的中空纤维直链全芳族聚酰胺系中空纤维交链全芳族聚酰胺型薄层复合膜（卷式）芳基-烷基聚醚脲型薄层复合膜（卷式）交链的聚醚薄层复合膜高压反渗透膜低压反渗透膜超低压反渗透膜苦咸水脱盐1.4~2.0MPa疏松型反渗透膜纳滤膜2.1反渗透(ReversOsmosis,RO)第一章膜处理2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)流涎（制膜液的组成和性质、温度、流涎厚度、溶剂的蒸发速度和蒸发量、凝胶化条件、热处理）纺丝（纺丝液和凝固液的组成和性质，温度、喷丝头的形状和纺丝速度、溶剂蒸发、牵伸率）第一章膜处理膜外形板状中空纤维状把渗透膜贴在多孔透水板单侧或两侧，再紧贴在不锈钢或环氧玻璃钢承压板的两侧，构成一个渗透元件。管状把渗透膜装在耐压微孔承压管的内侧或外侧，制成管状膜的元件。在两层反渗透膜的原料空心纺丝而成中空纤维管。螺旋卷式在两层反渗透膜中间夹一层多孔柔性格网，再在下面铺一层供废水通过的多孔透水格网，然后将它们的一端粘贴在多孔集水管上，绕管卷成螺旋卷筒，并将另一端密封，就成为一个反渗透元件。二醋酸纤维素三醋酸纤维素二醋酸纤维素混合搅拌溶解溶剂致孔剂过滤静置脱泡聚酯物预处理制备工艺浇铸复合溶剂挥发凝胶固化热处理后处理干燥成品膜醋酸纤维素平板膜第一章膜处理反渗透膜对于无机粒子的分离率，随粒子价数的增高而增高。价数相同时，分离率随着离子半径而变化。一般规律为：2CaRbKNaLi2222BaSrCaMg多原子单价阴离子：333ClOBrOIO极性有机物伯胺仲胺酸，叔胺胺醇醛醋酸乳酸苹果酸酒石酸柠檬酸异构体priisotert原仲异叔sec分子量大的分离性能好2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)第一章膜处理同一族系分离难易程度：1)有机物比无机物容易分离。2)电解质比非电解质易分离。3)对电解质来说，电荷高的分离性好。多组分体系的稀溶液，用扩展的范特荷夫渗透压公式计算溶液的渗透压：niicRT1ci:溶质摩尔浓度n:溶液中组分数2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)第一章膜处理MPa69.0MPa5.3MPa9.6MPa8.131000800600400200001.02.03.04.05.06.07.0溶质质量分数溶质相对分子量渗透压与最大溶质质量分数的关系动态平衡(a)平衡过程c1=c2,p1=p2μ1=μ2,π1=π2(b)渗透过程c1c2,p1=p2μ1μ2,π1π2(c)渗透平衡过程(d)反渗透化学位大小渗透压差稀溶液浓溶液外界压力c1c2,p1p2μ1=μ2,π1π2Δp=Δπc1c2,p1p2μ1μ2,π1π2ΔpΔπ稀溶液浓溶液第一章膜处理反渗透膜元件的典型脱盐率2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)第一章膜处理2.2.4反渗透工艺流程（1）工艺流程段：流经膜组件浓缩液（浓水）不经泵自动流到下一组膜组件处理。级：流经膜组件浓缩液（浓水）再经泵被动流到下一组膜组件处理。段数：同一级中并列的膜组件数。级数：进料经过加压的次数。（2）预处理目的：防止反渗透膜污染、结垢预处理方法：混凝沉淀、过滤法，加酸或碱调节pH，活性炭吸附、氧化法、超滤、微滤等。2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)第一章膜处理一级一段连续式反渗透流程一级一段循环式反渗透流程水回收率不高，较少采用pppp产水量较大，但水质下降2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)第一章膜处理一级三段连续式反渗透流程二级一段循环式反渗透流程料液浓缩，产水量增大低压低浓度，提高膜寿命2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)第一章膜处理多级多段循环式反渗透流程第1段第m段第n段水回收率提高，透过水水质提高2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)第一章膜处理（2）回收率与溶质损失率回收率ηfPVV透过液体积原料液体积截留液浓度cRRfRcc1透过液浓度cPRccRfP11溶质损失率δR0RR10112.2反渗透(ReversOsmosis,RO)第一章膜处理典型制水设备工艺流程图2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)第一章膜处理2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)第一章膜处理1.反渗透膜的污染2.膜的防垢技术措施3.反渗透膜的清洗导致膜性能降低的膜污染因素：（1）膜本身发生化学变化，包括芳香聚酰胺膜的胺基受氯和其他氧化性因素的作用而破坏；醋酸纤维素膜的酯基受温度和pH值影响而水解；膜受强酸、强碱的溶解等。（2）颗粒物的沉积（胶体污染）：由于进水中常含有大量的硅酸胶体，前端的过滤处理无法脱除，增加了溶质的传质阻力，且有形成硅酸盐垢的不利因素。（3）无机物的沉积（结垢）：膜表面盐浓度升高（浓差极化现象），当成垢盐的浓度超过其饱和浓度时就会发生结垢，使得消耗的能量增大。（4）微生物的粘附及生长（生物污染）：进水中含有微生物和膜的较大的表面积。（5）有机分子的吸附（有机污染）：水中有机大分子如油和烃类对膜的污堵或小分子有机物对膜的吸附污染。2.2反渗透(ReversOsmosis,RO)膜类型不对称或复合膜膜厚度亚层≈150μm，皮层≈1μm膜孔尺寸＜2nm推动力压力：半咸水，1.5~2.5MPa海水，4.0~8.0MPa分离原理溶解-扩散膜材料三醋酸纤维素、聚芳香酰胺、聚酰胺和聚醚脲（界面聚合）主要应用—海水、半咸水脱盐—生产超纯水（电子工业）—果汁和糖浓缩、牛奶浓缩小结第一章膜处理1.3纳滤CA-RO膜的开发RO复合膜的开发(1972,NS-100)NF膜(疏松型RO膜)低压高截留RO膜1995NaCl截留率≤90%NTR-729HFNTR-7250NTR-7400系NF-45NF-70NF-90SU200SSU-600NaCl截留率≥90%NTR-759HBW-30(FT-30)SU-700超低压RO膜1996△P=0.5MPaNTR.ES系列1.3.1发展第一章膜处理1.3.2纳滤分离机理与规律纳滤膜为无孔膜，其传质机理为溶解-扩散方式。但NF膜大多为荷电膜，其对无机盐的分离行为不仅由化学势梯度控制，同时也受电势梯度的影响。反离子：所带电荷与膜内固定基团所带电荷相反同名离子：所带电荷与膜内固定基团所带电荷相同NF膜的行为与其荷电性能，以及溶质荷电状态和相互作用都有关系。第一章膜处理23-243COSOOHClNO阴离子：222CuMgCaKNaH阳离子：1价离子渗透，多价阴离子滞留(高截留率)，截留分子量100～1000，分离1nm的溶解组分2.3纳滤2.3.5纳滤的操作模式（a）有渗透背压（b）有增压泵（c）循环第一章膜处理2.3纳滤纳滤膜法软化流程图第一章膜处理2.3纳滤膜复合膜厚度亚层≈150μm，皮层≈1μm孔尺寸＜2nm推动力压力：10~25bar分离原理溶解-扩散膜材料聚酰胺（界面聚合）主要应用—半咸水脱盐—微污染物脱盐—水软化—废水治理—染料截留（纺织工业）小结第一章膜处理2.4超滤Ultrafiltration(UF)2.4.1超滤膜（1）制膜材料有机材料无机材料a.有机高分子材料纤维素酯类CA、CTA、CA-CN亲水性好，成孔性好pH=4-6聚砜类PS、SPS、PES机械强度、耐化学性能好聚烯烃类PP、PAN机械强度、耐化学性能好pH=2