板式膜MBR及工程实例

授课教师：陈占城市与建筑工程学院第六章板式膜MBR及工程实例第六章板式膜MBR及工程实例6.1板式膜概述6.2板式膜设计6.3商业化板式膜6.4板式膜工程实例6.1板式膜概述板式膜利用在曝气或循环过程中流体流动产生的剪切力冲刷膜面，去除膜面附着物的污染物，从而使板式膜保持相对较高的膜通量。板式膜组件主要应用于内置式MBR。板式MBR具有设备结构简单和清洗方便等优点，得到了越来越广泛的应用。6.1板式膜概述板式膜组件结构示意图固定式板式膜组件一般以多个膜元件嵌镶的方式组装而成，整个单元由壳体、曝气管、产气集水管和膜元件组成。6.1板式膜概述板式膜元件膜元件一般由滤膜、隔网、支撑框、抽吸口等组成。6.1板式膜概述旋转板式膜组件21世纪初，旋转板式膜组件被开发并投入使用。膜组件旋转时，混合液在膜表面会产生相对的旋转切线流和涡旋运动，增加膜片间流体的雷诺数和湍流强度，使沉积在膜表面的滤饼层及时被旋转的流体带走，强化对膜的冲刷效果。这种运行方式可以减少对曝气冲刷的依赖，甚至可取消曝气冲刷，使内置式板式膜可应用于厌氧工艺中。第六章板式膜MBR及工程实例6.1板式膜概述6.2板式膜设计6.3商业化板式膜6.4板式膜工程实例6.2板式膜设计6.2.1膜系统设计6.2.1.1膜间距（板间距）膜间距不仅与膜的装填密度密切相关，而且还与曝气量和气泡大小共同决定了气液两相流的流态。目前，板式膜组件的膜间距一般为5~10mm。6.2板式膜设计6.2.1膜系统设计6.2.1.2膜面积膜面积的计算与中空纤维膜基本相似，主要根据待处理的水量和允许的膜通量确定。式中：SA—膜面积，m2；Qave—平均实时水量，mm3/h；J—膜通量，即单位膜面积单位时间内的膜水通量L/(m2h)。𝑆A=1000×𝑄ave𝐽6.2板式膜设计6.2.1膜系统设计6.2.1.3膜组件布置与中空纤维膜组件一样，在组件内形成良好的自旋回流也是板式膜组件稳定运行的必要条件。在反应器内，膜组件的平面布局应尽可能对称布置，并确保前后、左右有足够的回流空间，有利于形成通畅的上升流和下降流。6.2板式膜设计6.2.1膜系统设计6.2.1.3膜组件布置膜组件尺寸：C1和C2，由厂家确定；膜组件间距：A，取值范围400~1500mm；膜组件与反应器壁间距：B1和B2，取值范围400~1000mm。6.2板式膜设计6.2.1膜系统设计6.2.1.3膜组件布置在实际MBR设计中，由于不同厂家的膜组件在详细的尺寸设计上会有一定的差异，而且每个厂家也会根据自己的品牌提供一系列实验数据，因此，可以根据膜组件具体的外形特点和厂家说明书，在平面布置上做适当的调整。6.2板式膜设计6.2.1膜系统设计6.2.1.4膜池尺寸设计板式膜膜池尺寸设计与中空纤维膜设计基本相同。膜组件高H1：由膜组件决定；保护水层高H2：一般在0.5m以上，不低于0.3m；反应器高H3：一般取0.5~1m。膜组件水位与反应器高度示意图6.2板式膜设计6.2.2工艺运行设计6.2.2.1预处理预处理的主要作用是强化生化处理效果和延缓膜污染速率，预处理与原水水质及膜组件性能密切相关。对于大中型MBR系统，通常需要设置四级以上的物理分离性预处理措施，一般包括：Ⅰ粗格栅（间隙10~30mm）、Ⅱ细格栅（间隙3~10mm）、Ⅲ沉砂隔油、Ⅳ精细格栅（过滤孔径0.5~1.5mm）。对于小型MBR系统，可根据原水情况减少预处理级数。6.2板式膜设计6.2.2工艺运行设计6.2.2.2曝气设计由于板式膜组件的膜间距一般为5~10mm，因此为了更有利于气液两相流在膜通道内形成活塞流，一般采用大气泡曝气，以提供较高的紊流度和剪切力。目前，板式膜曝气常用的是穿孔管曝气，产生的气泡直接多在3~9mm。6.2板式膜设计6.2.2工艺运行设计6.2.2.2曝气设计板式膜组件曝气量一般比中空纤维膜要高，曝气量取值范围：单位膜面积曝气量——0.4~0.8m3/(m2h)；单位体积出水曝气量（气液比）——(20~40)：1。近几年，通过组件的优化设计，可在不影响膜通量的前提下尽量降低比曝气量。例如在相同曝气面积条件下，采用双层膜或延长板式膜气流路径等方式，增加单位曝气量有效的冲刷膜面积。6.2板式膜设计6.2.2工艺运行设计6.2.2.3出水与排泥——比膜通量和跨膜压差在活性污泥混合液特性、膜面冲刷等条件不变的情况下，膜通量主要由跨膜压差决定；比膜通量（即单位跨膜压差的膜通量）=膜通量/跨膜压差；常见的取值范围：比膜通量：1.0~2.5L/(m2hkPa)跨膜压差：20kPa膜通量：15~30L/(m2h)6.2板式膜设计6.2.2工艺运行设计6.2.2.3出水与排泥——比膜通量和跨膜压差与中空纤维膜相同的是，在板式膜组件的运行过程中，比膜通量也将随着膜污染的加重而逐渐降低，比膜通量的降低幅度表示膜污染的严重程度；比膜通量与曝气强度存在较为密切的关系，在膜允许的范围内，曝气强度的增加会促进比膜通量的提高。与中空纤维膜不同的是，板式膜组件通常在相对较高的比膜通量下运行，跨膜压差一般需控制在20kPa以内，一般厂家会提供适合自己品牌膜组件的参数数值。6.2板式膜设计6.2.2工艺运行设计6.2.2.3出水与排泥——出水抽停比与中空纤维膜基本相同与中空纤维膜基本相同一般通过抽吸泵的周期性启停来实现交替的出水和停水，即间歇出水方式，间歇周期常用抽停比（ta/tb）来表示。抽停比过大，滤饼层不能被曝气充分冲刷，加速膜污染；过小意味着膜闲置时间增加，浪费曝气能耗，增加运行费用。常用的出水/停水时间比为（6~15min）/（1~2min）。在抗膜污染允许的条件下，应尽量提高抽停比，提高时间利用率和处理量，降低膜的投资。6.2板式膜设计6.2.2工艺运行设计6.2.2.3出水与排泥——排泥周期与中空纤维膜基本相同。𝑇=𝑄n𝑄w=𝛽𝑉膜𝑄w式中：T——排泥周期，即连续两次排泥的时间间隔，d；Qn——每次排泥体积，m3/次；Qw——排泥量，m3/d；β——每次排泥占膜池池容的比例；V膜——膜池容积，m3。6.2板式膜设计6.2.2工艺运行设计6.2.2.3出水与排泥——排泥周期对于稳定运行的MBR系统，排泥量为：式中：Qw——排泥量，m3/d；∑Vi×MLSSi——反应器总污泥量，包括厌氧区、缺氧区和好氧区，kg；SRT——污泥停留时间，d；MLSSo——膜池污泥浓度，kg/m3。𝑄w=𝑉i×𝑀𝐿𝑆𝑆i𝑆𝑅𝑇×𝑀𝐿𝑆𝑆O6.2板式膜设计6.2.2工艺运行设计6.2.2.4清洗与维护——物理清洗物理清洗方法可参考中空纤维膜相关内容，与中空纤维膜不同的是，板式膜基本不需要反冲洗。曝气管道清洗，是为了防止由于曝气孔周边逐渐形成阻垢而造成曝气的不均匀，一般采用定期在线自动清洗。6.2板式膜设计6.2.2工艺运行设计6.2.2.4清洗与维护——物理清洗曝气管道清洗时，打开控制阀使曝气管内的压力发生波动，形成混合液由管外向管内的反向射流，达到曝气管道和曝气孔被混合液来回冲刷的效果。清洗完后关闭控制阀，即可进行正常曝气，一般清洗几分钟即可满足要求。曝气管清洗示意图6.2板式膜设计6.2.2工艺运行设计6.2.2.4清洗与维护——化学清洗当出现跨膜压差明显增大、通量显著降低，而且曝气清洗效果不明显等现象时，表明膜组件需要进行化学清洗。化学清洗可分为在线清洗和系统外离线清洗。相比中空纤维膜而言，板式膜组件在线化学清洗的间隔周期要长得多，一般情况下，3~6个月进行一次化学清洗即可；同时，板式膜组件一般很少需要进行系统外离线清洗。6.2板式膜设计6.2.2工艺运行设计6.2.2.4清洗与维护——化学清洗在线清洗是在停止出水且不移动膜组件的条件下，通过人工注入或加药泵输送，将药剂经出水管注入膜组件，药剂逆过滤方向渗透过膜，在此过程中，化学药剂与吸附在膜表面和模孔通道内的污染物反生氧化、络合、溶解和脱附等反应，恢复膜通量。6.2板式膜设计6.2.2工艺运行设计6.2.2.4清洗与维护——化学清洗需要注意的是，板式膜清洗的加药过程中，膜的内压，即药剂液位与反应器混合液液位高程差或加药泵注入压力应该控制在一定范围内（大多为1m，即10kPa），过大的内压容易对膜造成伤害。常用的化学清洗剂有次氯酸钠、草酸和柠檬酸等。6.2板式膜设计板式膜组件常用清洗剂6.2板式膜设计6.2.2工艺运行设计6.2.2.4清洗与维护——化学清洗清洗剂种类、使用条件与膜材质关系密切，对具体的膜产品进行化学清洗前最好咨询相关厂家；根据实际污染程度，一般污染严重的，清洗剂浓度、用量和浸泡时间等参数可相应提高，强化清洗去污能力；对于污染比较复杂的情况，一种清洗剂不能满足要求时，可考虑采用几种化学清洗剂联合清洗，提升清洗效果；pH值可用氨水调节。6.2板式膜设计6.2.2工艺运行设计6.2.2.4清洗与维护——保存与维护新膜制成后需要经过一定的处理后才能进行较长时间的配货和运输，常用的处理方法有干式法和湿式法。干式法：将溶液态的添加剂均匀附着在膜元件表面，烘干后可形成一层致密、均匀的保护膜；湿式法：采用甘油作为保护层，并可在整个组件外部密封一层塑料薄膜，隔绝外部条件的影响。6.2板式膜设计6.2.2监测与控制与中空纤维膜的在线监测基本相似，常用的监测指标有进水水质、膜面流速、膜通量、温度、操作压力、pH值、污泥浓度、COD、总氮、总磷、浊度等。这些指标可以通过现场仪表显示外，还将送入中心控制系统，进过在线监测指标的分析和比较，控制MBR系统的自动操作和报警提示。6.2板式膜设计6.2.2监测与控制其中，膜通量、操作压力和出水浊度为三个最主要的实时在线监控指标。膜通量需要控制在临界流量以下，膜通量的显著降低或跨膜压差的显著升高，往往意味着膜污染，需要及时清洗；操作压力，常通过自动控制（如变频控制），将跨膜压差控制在合适的范围内，否则易加快膜污染，甚至破损；出水浊度的监测，一是可以控制出水水质，使出水浊度满足外排或回用水要求，二是用来评价膜的完整性，通过出水浊度实时判断膜的破损情况。6.2板式膜设计6.2.2监测与控制如果出水中污泥颗粒和微生物含量异常升高，则说明膜的正常截留能力受到破坏。因此，MBR系统需要配备完整性测试装置，及时发现膜的破损情况，确保出水水质和稳定运行。板式膜的完整性测试方法与中空纤维膜相差不大，完整性在线监测中应用较多的指标也是出水颗粒物和浊度。第六章板式膜MBR及工程实例6.1板式膜概述6.2板式膜设计6.3商业化板式膜6.4板式膜工程实例6.3商业化板式膜6.3.1斯纳普板式膜上海斯纳普膜科技有限公司生产的板式膜元件由超微滤膜、导流布及导流板组成，在导流板的顶端有一个抽吸口，混合液经过膜分离过程，处理后的水从出水口被抽出。6.3商业化板式膜6.3.2瑞洁特板式膜南京瑞洁特膜分离科技有限公司，在国内外板式膜技术的基础上，设计了双叠板式膜元件，膜的厚度为5mm，装填密度得到了一定的提高。膜元件导流板的顶端有两个抽吸口。6.3商业化板式膜6.3.3沛尔板式膜江苏蓝天沛尔膜业有限公司研发的板式膜元件厚度为15mm，材质为聚偏氟乙烯（PVDF）。6.3商业化板式膜6.3.4久保田板式膜日本久保田公司是国际上著名的板式膜厂家之一，占据着大部分板式膜组件市场。一个单层膜组件一般由50~200块嵌镶垂直放置的膜元件组成，后续发展的内置式板式膜组件大多沿用此类型式。膜板之间距离在7~8mm，单元边沿设置导流挡板，底部安装曝气器，顶部连接集水管。曝气管最初采用8mm或10mm小孔的环形曝气管，后逐渐被专利曝气装置所取代，由一个总管和管上规则排列的末端开口小支管组成。6.3商业化板式膜6.3.4久保田板式膜根据气泡扩散室高度和膜层数的不同，膜组件有多种系列，如标准型ES和双层形EK系列。6.3商业化板式膜6.3.5东丽板式膜东丽工业公司也是日本著名的板式膜制造商，板式膜组件由膜元件箱