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陶瓷膜具有稳定性好、耐高温、耐酸碱特性;容易清洗、并且和其它膜一样,占地面积小等特点。用于过滤的陶瓷膜组件是“三明治”式的组合方式:支持层、中间层和膜层,孔径依次减小,呈非对称性分布。支持层主要用于增加膜的机械强度;中间层又称为过渡层,用于防止制造膜层时颗粒向支撑层的渗透,减小对多孔支撑层的影响。膜层用于最终对污水的分离、净化。无机陶瓷膜组件广泛应用于制药、化工、食品加工、石油行业的处理。在一定程度上,可以替代传统的蒸发、精馏。过滤、离心等技术。减少生产过程的成本支出,并且可以起到环保的作用。但是,正是由于支撑构件是由多种无机成分组成;具有很大的脆性,在生产、组合以及加工这种膜组件时,较为困难。
20世纪40年代,国外学者开始对无机陶瓷膜进行研究,80年代,国外工业行业已经开始盛行;由于国外市场的垄断,我国在20世纪80年代才开始引入这种膜材料,起步较晚。但是经过十多年的发展,中国的无机膜材料技术已经发展到国际水平,曾经在2002年在中国召开第七届国际无机膜大会,这也展示了我国对无机膜的研究和生产水平已经达到世界领先水平。
5.2 板式膜组件
前面提到的管式膜组件比表面积小,支撑材料脆性大。与之对应的是板式膜组件,如图4所示。
从图4中可以看出,和管式膜组件相比,平板式膜组件的比表面积大很多,制造组装也较为简单。平板式膜组件由滤膜、导流板和导流布组成。平板膜组件又被称为板框式膜组件,许多相同的板框式膜组件又可以组成板框式膜器。蒋维钧等人设计了一种梳式膜框的板式膜组件[13]。与传统的JPV组件相比,很大程度上简化了膜结构。膜框的厚度小,可以减小整个板框组件的体积,提高单位体积膜组件中膜的面积。进而可以提升膜组件的处理效率。
平板膜还经常用于好氧反应器中,组成MBR(Membrane Bio-Reactor)又称膜生物反应器。这是一种将膜技术和生物处理技术相结合的一种新型水处理方法,由膜组件和生物反应器构成。通常所说的膜—生物反应器涵盖三种不同类别:①曝气膜—生物反应器②萃取膜—生物反应器③固液分离型膜—生物反应器。曝气膜—生物反应器(AMBR)工作示意图见图5所示。这一工艺提高了氧的传质速率和接触时间,对反应器进行合理控制和运行,既可以避免传统曝气方式受曝气气泡大小的影响,又能减小普通曝气设备所需的能源消耗[14]。萃取膜—生物反应器由英国学者Livingston开发,有些工业废水具有极强的酸碱性和毒性,不宜与生物处理反应器中的微生物直接接触,这时就需要用萃取膜将废水和活性污泥隔开。运行过程中,废水在膜内流动而活性污泥混合液在膜外流动,二者不直接接触。废水中的大分子物质被膜截留,有机污染物可以选择性的透过萃取膜被活性污泥中的微生物降解[15]。反应器中的营养物质和微生物的生存条件没有直接的关系,处理效果稳定。固液分离型膜—生物反应器是一种可以取代传统二沉池的一种工艺方法。二沉池的主要作用是利用重力的作用将活性污泥和水进行分离,污泥的沉降性能很大程度上决定了二沉池的处理效率。活性污泥的沉降性能依赖于曝气池的运行情况,但一方面追求良好的沉降性能的同时,还需要考虑反应器的容积负荷和污泥负荷,二者往往相互制约,形成矛盾的关系。除此之外,传统的二沉池需要定期排出剩余污泥,运行过程中控制不好,容易发生污泥膨胀现象,需要专业人员进行控制。活性污泥的沉降性能较差时,会使出水悬浮物含量急剧上升,甚至可能出现出水悬浮物不达标的情况[16~18]。
5.3 卷式膜组件
卷式膜组件又称螺旋式膜组件。这种膜组件的膜面积大,污水的湍流情况好。组成图如图6所示,图7为滤层示意图。
卷式膜元件一般是用板式膜卷制而成。从图6可以看出,卷式膜组件的构成比较复杂。对生产装配时的要求较高,日常清洗也比较困难[19]。精度同板框式和管式膜组件一样,可以达到微滤、超滤和反渗透。卷式膜的耐高温、耐酸碱性能不仅和板式膜的性能相关,还受平板膜片、格网、胶水等辅助构件的性质相关[20]。
王俊川[21]发明了一种新型的螺旋卷式膜组件。这种新型的螺旋卷式膜组件的主要优势是将导流格网设计成菱形,使得格网的通道变宽,可以有效增加水流的速度。水流阻力减小,降低运行能耗;管和管之间还设计了卡箍相连接,便于安装,节省了膜组件安装的人力和时间。王宗亮[22]等人利用流体力学的计算方法对反渗透螺旋式膜组件的隔板网丝进行优化。利用数学模型系统的研究了隔板网丝的直径d和隔室的高度H 之比的变化对膜组件内部传质速率的影响。结果发现,在一定范围内d/H值增加,可以优化膜组件的处理效果,并能使水的流动性增加。但是当d/H 大于0.4时,再持续加大隔板网丝的直径d,出水的指标去除率无明显提升效果。因此,在实际操作过程中,考虑在能量损失的范围内适当提高隔板网丝的直径对处理污水有利。
5.4 中空纤维式膜组件
中空纤维式膜组件与其他类型的膜组件相比,最突出的特点是单位体积内装填的膜面积最大,可以高达30000m2/m3。由中空纤维和膜外壳两个部分组成,按照进水方式的不同又可以将其分为内压式和外压式(图8)。
由于中空纤维式膜组件的填装密度很大,运行一段时间后,需要对膜组件进行清洗时的难度较大,造成的膜污染也较高。但是,设备价格比平板式和卷式膜组件低。杨大春[23]等人用水力学方法对中空纤维式膜组件进行优化,提出了在实际经济条件允许的情况下,应该尽量减小膜的长度。中空纤维式膜组件在实验室中如图9所示。
中空纤维超滤膜是超滤膜的一种,在一些情况下,常规的过滤设备不能满足所需的要求,经常利用超滤膜处理。超滤膜是最早开发的一种高分子滤膜之一,是一种动态的处理过程。中空纤维超滤膜是超滤膜的一种,在中国被广泛应用于矿泉水的生产、反渗透设备的预处理、海水净化等,还可以有效去除水中的细菌和胶体杂质[24]。其工作原理图如图10所示。
6 结论与展望
膜技术在目前水处理领域起着不可替代的作用,也是一种不同于传统污水处理工艺的新思路。与传统的生物处理方法相比,其具有操作简便、占地面积小、适用于多种工业废水处理、能耗低等优势。将膜技术与其他水处理方法相结合,可以有效地使处理后的水质达到有关行业标准[12]。无论在给水处理还是工业、生活废水处理过程,均可应用。
对于含油废水的处理,往往需要较高的预处理,这也是实际应用过程中的障碍之一。此外,实际工程应用过程中,还存在着滤膜需要定期清洗,膜通量较低等问题,这些问题会影响出水水质,甚至使得出水水质恶化,悬浮物含量增加,对我们的处理极其不利。此外,还应加强生产商、企业和研究所的联系,共同解决一些技术难题,这些都是未来研究和发展的重点。
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