微滤在水处理的应用

微滤第一节、微滤(MF)概述Microfiltration，MF，又称微孔过滤，它属于精密过滤，过滤精度一般在0.1-30微米，像常见的各种PP滤芯，活性炭滤芯，陶瓷滤芯等都属于微滤范围，用于简单的粗过滤，能去除水中的泥沙、铁锈等大颗粒杂质，但不能去除水中的细菌、病毒、有机物、重金属离子等有害物质、微滤膜通常安装在超滤膜和反渗透膜前面，作为超滤净水机和RO纯水机的前置处理器，他能有效保护好超滤膜和反渗透膜，延长整机寿命。纳滤是净化水技术的首选，但因其不成熟性无法得到推广。微滤(MF)的发展微滤膜分离技术始于十九世纪中叶，是以静压差为推动力，利用筛网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程。它主要用于从气相和液相悬浮液中截留微粒、细菌及其它污染物，以达到净化、分离和浓缩等目的。实施微孔过滤的膜称为微滤膜。微滤膜是均匀的多孔薄膜，厚度在oo一150N.m左右，过滤粒径在0.025一10N,m之间，操作压在0.01--0.2MPa。到目前为止，国内外商品化的微滤膜约有13类，总计400多种。微滤膜的主要优点孔径均匀，过滤精度高。能将液体中所有大于制定孔径的微粒全部截留;孔隙大，流速快。一般微滤膜的孔密度为107孔/cm2，微孔体积占膜总体积的70%-80%。由于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍;无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90一150gm之间，因而吸附量很少，可忽略不计。无介质脱落。微滤膜为均一的高分子材料，过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的滤液。微滤膜的缺点颗粒容纳量小，易堵塞。第二节、微滤（MF）基本过程微滤(Microfiltration)又称为“微孔过滤”，它是以静压差为推动力，利用膜的“筛分”作用进行分离的膜分离过程。MF膜具有比较整齐、均匀的多孔结构，在静压差的作用下，小于膜孔的粒子通过膜，大于膜孔的粒子则被阻拦在膜的表面上，使大小不一的组分得以分离。MF作用相当于过滤，由于微孔滤膜孔径相对较大，孔隙率高，因而阻力小，过滤速度快，实际操作压力也较低（1~2atm或bar[巴]）。MF主要从气相和液相物质中截留微米及亚微米级的细小悬浮物、微生物、微粒、细菌、酵母、红细球、污染物等，以达到净化、分离和浓缩的目的。被分离粒子的直径范围为0.1~10μm。MF膜在过滤时介质不会脱落，没有杂质溶出，无毒，使用方便，使用寿命较长，同时，膜孔分布均匀，可将大于孔径的微粒、细菌、污染物截留在滤膜表面，滤液质量较高，也称为绝对过滤（AbsoluteFiltration）。适合于过滤悬浮的微粒和微生物。MF滤除微粒和微生物的效率

悬浮液中固液分离机理：筛分截留：微滤膜将尺寸大于其孔径的固体颗粒或颗粒聚集体截留。吸附截留：微滤膜将尺寸小于孔径的固体颗粒通过物理或化学吸附而截留。架桥截留：固体颗粒在膜的微孔入口因架桥作用而被截留。网络截留：发生在膜内部，由膜孔的曲折形成。静电截留：采用带相反电荷的微滤膜。MF分离机理气体中悬浮颗粒分离机理：1.直接截留：同筛分机理。2.惯性沉积：当小于膜孔径的颗粒随气体直线运动时，在膜孔处流线将发生改变，对于质量较大的颗粒，由于惯性作用仍力图沿原方向运动，这些颗粒可能因撞击在膜边缘或膜孔入口附近的孔壁上而被截留。3.扩散沉积：由于非常小的颗粒具有强烈的布朗运动倾向，颗粒通过膜孔时在孔道从而被截留。微滤膜孔径越小，微小颗粒与膜壁碰撞的概率越大，颗粒越容易产生扩散沉积；气体流速越小，颗粒在孔道中停留的时间越长，颗粒越容易产生扩散沉积。中容易因布朗运动而与孔壁碰撞，4.拦集作用：颗粒惯性较小时，将随气流进入膜孔，若膜孔壁附近的气体以层流方式运动，因为流速小，颗粒将由于重力作用而沉积下来。微滤分离示意图水分子离子大分子颗粒与胶体（a）膜表面层截留（b）膜内部截留（网络中截留）两种微滤过程的通量与滤饼厚度随时间的变化关系终端过滤错流过滤（B）错流过滤（Cross-flowfiltration）（A）终端过滤或死端过滤（Deal-endfiltrationorIn-linefiltration）第三节、微滤膜的性能测定主要有：厚度、过滤速率、空隙率、孔径及其分布等4个方面。膜厚通常用0.01mm的螺旋千分尺测定，较严格的方法是以专用的薄膜测厚仪测定。过滤速度是以恒压连续过滤装置测定流体在一定温度和压力下，单位时间内透过单位膜面积的液体量。空隙率是通过测定的表面密度、真密度，然后按公式计算。MF膜的孔径对严格控制成膜条件和选择滤膜的最佳应用极为重要。常用测定方法有压汞法、泡压法、气体流量法和已知颗粒通过法等。许多商品膜标示孔径时，通常也都注明所用的测试方法。第四节、MF膜材料疏水聚合物膜：聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)亲水聚合物膜：纤维素酯(CA和CTA)、聚碳酸酯(PC)、聚砜/聚醚砜(PSF/PES)、聚酰亚胺/聚醚酰亚胺(PI/PEI)、聚脂肪酰胺(PA)陶瓷膜：氧化铝、氧化锆、氧化钛、碳化硅实验室小型MF膜设备实验室MF膜中试设备发酵液提取陶瓷膜成套设备第五节、MF膜的应用在工业发达国家，从家庭生活到尖端技术都在不同程度上应用MF技术，其主要用于无菌液体的制备、生物制剂的分离、超纯水的制备以及空气的过滤、生物及微生物的检测等方面。①.在医疗卫生领域中的应用

主要体现在药用水（包括纯净水、注射用水）的过滤、小针剂及眼药液的精滤及终端过滤，血液过滤，中草药液、后发酵液的澄清过滤，空气、蒸汽的过滤等。在制药工业中，终端过滤的选择相当关键，其去除效率取决于选择合适的滤膜材料、膜孔径及流程。②.在生物化学和微生物研究中的应用

利用不同孔径的MF膜收集细菌、酶、蛋白、虫卵等提供分析。利用膜进行生物培养时，可根据需要在培养过程中变换培养基，以达到多种不同的目的，并可进行快速检验。因此，MF技术已被用于水质检验、临床微生物标本的分离、溶液的澄清、酶活性的测定等。③.在食品饮料工业领域中的应用MF技术普遍用于酒类、饮用水、茶饮料、果汁、奶制品、碳酸饮料的澄清和除菌过滤。如用孔径小于0.5μm的微孔滤膜（滤芯过滤器）对啤酒和酒进行过滤后，可脱除其中的酵母、霉菌和其他微生物。经这样处理的产品清澈、透明、存放期长，且成本低。我国经多年努力，已研制出多种材质的系列孔径的MF膜元件，并形成产业化规模，已广泛用于国内各大著名的饮料生产商，如旭日升、汇源果汁、农夫果汁等企业。④.在电子工业中的应用电子工业使用的流体包括气体和液体，过滤器大致分为气体过滤器和液体过滤器。气体过滤器采用疏水性MF膜来从主体气体（氮、氧、氢）和特殊气体（如硅烷、胂、磷化氢、氨）中去除粒子。液体过滤器分成化学药剂过滤、光敏抗蚀剂过滤器及去离子水过滤器。在电子工业中，对去离子水的要求很高，因此应选择洁净度高，滤膜完整性好，孔径均匀的MF膜，否则会影响去离子水的水质，进而导致电子元器件或集成电路板的报废。MF膜在纯水制备中主要用处有两方面：一是在RO或ED前用作保安过滤器，用以清除细小的悬浮物质；二是在阳/阴或混合交换柱后，作为最后一级终端过滤手段，用它滤除树脂碎片或细菌等杂质。⑤.在油田注水的应用

在石油开采中，向低渗透油田实行早期注入高质量的水是对低渗透油田补充能量，稳定产量的长期的根本保证。在石油开采注水工艺中一个核心的环节是如何保证注入水的水质，MF技术在其中已发挥了较大的作用，国内主要用PE烧结微孔管、折叠式MF膜过滤芯及中空纤维UF组件等。

⑥.在家庭生活中的应用由于我国城市自来水供给系统在输送过程中的不完善，我们日常饮用的自来水往往存在着二次污染的问题，这对我们的人身健康带灰很大的隐患。采用MF技术制造的家用净水器，通过MF膜的过滤不仅能有效去除水中的铁锈、泥沙等肉眼可见物，还能截留住水中的细菌、大肠杆菌等。⑦、在水净化中的应用

重金属废水主要来自矿山、冶炼、电解、电镀、农药、医药、油漆、颜料等企业排出的废水。重金属离子废水的处理有很多种方法，如离子交换法、活性炭吸附法等等。其中，应用最广泛的是化学沉淀一微滤膜工艺，它是一种将传统的化学沉淀与微滤膜分离相结合的一种新的处理方法。由于微滤膜的孔径通常大于0．1ton，不能直接截留重金属离子，所以该法先将废液进行预处理，使金属离子沉淀，然后再用微滤膜过滤除去。工业废水处理生活污水处理

生活污水是废水排放的主要来源之一，污水中的有机污染物是导致水体被污染的主要原因，同时废水中的氮、磷是引起海洋、湖泊、河流和其它水体富营养化的主要营养物质。污水经过二级生化处理后，仍有一些污染物质如营养型无机盐、氮、磷、胶体、细菌、病毒、微量微生物、重金属以及影响回用的溶解性物质不能完全去除，不同用途的二次水常需要深度处理。在众多的污水深度处理技术中，膜分离技术是最具有竞有竞争力且前景广阔的方法。。

微滤膜可以截留水中大部分悬浮物、胶体和细菌，其优点包括：出水水质好且稳定；处理装置紧凑；可以去除细菌等微生物，出水可以不用再经消毒处理；处理水中可以不添加混凝剂，因此无化学污泥产生；系统中需要处理的污泥量大大降低，在某些情况下，可以省去建造二沉池；处理规模较小的系统其成本比一般处理工艺低。⑧、在海水淡化预处理中的应用

近20年来，海水淡化技术日益成熟，反渗透(RO)海水淡化工艺已逐步成为海水淡化的主导技术之一。而由于反渗透膜材质的特性，进水水质会直接影响到反渗透的工作效果以及反渗透膜的使用寿命，所以对进水水质指标有着严格的要求，因此，预处理研究已成为我国海水淡化的研究重点。而微滤膜，尤其是高抗污染的聚偏氟乙烯(PVDF)微滤膜平均微孔孔径在0．2ttm，能有效去除海水中的藻类、细菌及其它杂质，因此已经越来越多地用于反渗透的前处理。第六节、三种工艺典型应用案例

国内采用双膜工艺实现工业废水再生，由于工业企业受一次水用水指标的限制，为满足生产需要，将混合污水通过集成工艺实现污水再利用。

原水：生活污水+炼钢废水+排污河水

处理规模：CMF72,000吨/天，RO50,000吨/天

系统运行时，微滤装置、反渗透装置均采用并联运行的方式，微滤装置的水的利用率设计不小于94%，微滤装置出水污染指数(SDI)小于3。反渗透装置产水回收率不小于75%，初期总脱盐率不小于97%，三年后脱盐率不小于95%。

传统生化工艺处理后，污水经絮凝沉淀，进入CMF系统处理，出水可直接回用于低端产品生产线，CMF后接RO除盐后产水用于高端产品生产线的工艺用水。该项目由于进水为复杂的混合污水，水质波动较大，需要根据水质变化情况对膜系统及时维护清洗。全部的生产用水供给，总体状况良好，实现了复杂水体的循环再利用。1、工业污水再生水项目2、MBR技术处理高氨氮味精废水

味精废水的特点是COD高，氨氮高。某味精企业，采用传统工艺处理废水难于达标，同时由于水资源短缺制约企业的发展。通过采用MBR技术很好的解决了这一问题。

原水COD在4000-5000mg/L，氨氮在180-400mg/L，经过UASB后，出水COD可以控制在500mg/L以下，氨氮略有上升，主要是在厌氧阶段产生了氨化反应。

由于氨氮浓度高，设置缺氧段，目的实现脱氮，同时通过反硝化补充部分硝化过程的碱度消耗。

MBR系统对COD、NH4-N处理效果可以看出，进水氨氮浓度范围195-420mg/L,出水氨氮可以控制在1mg/L以下。硝化效果非常理想。进水COD在390-700mg/L范围波动，产水COD平均65mg/L。

理论上MBR所用膜过滤精度与CMF一样，实际检测MBR出水SS几乎为零，但是基于以下原因，MBR出水一般并不直接进入RO：

(1)MBR工艺中膜所在溶液环境的污泥浓度通常7000-9000mg/L，生化池和膜池在室外，一旦大的机械杂质进入造成膜破损会导致出水水质下降，进而增加反渗透膜污染的风险。

(2)由于产水总氮含量较高，产水管路中易滋生藻类，造成出水SDI保持在3以下有一定困难。因此在该项目中，在MBR之后采用CMF工艺作为RO预处理，脱盐水回用于生产过程的循环冷却用水。根据物料恒算，RO回收率控制在60%以内，可以使各项排放水指标(包括RO浓水)达到《味精工业污染物排放标准》(GB1319431-2004)。这样处理后，既达到了排放标准，又实现污水循环利用，节约了宝贵的水资源。3、SMF工艺用于深度处理升级

采用絮凝沉淀加砂滤工艺处理污水二沉池出水，产水供工业和居住区作为中水使用，砂滤站的原有处理能力为3万吨/天(6个砂滤池)。为提高中水水质和供给量，拟采用SMF技术和设备对原有的砂滤工艺进行改造。为此进行了两年多的SMF中式运行试验，期间的试验规模从2m3/h、12m3/h到70m3/h的24小时连续运行。试验结果表明该工艺出水水质好，运行稳定可靠，测得的产水浊度﹤0.1NTU，SDI﹤3，细菌去除率>99.99%，全年吨水平均能耗不超过0.04度。

在充分试验的基础上，对原有砂滤站实施了膜法改造，将原有的4个砂滤池改造成膜过滤池，利用砂滤站三分之二的构筑物(处理能力2万吨/天)扩容到5.3万吨/天的规模，单池处理能力就达到1.3万吨/天，产水水质较砂滤工艺大幅度提升，部分产水进入RO，得到1.2万吨/天的脱盐水，经勾兑后做冷却循环水使用，可充分满足对生产用水的需求，同时也停止过去使用海河水作为生产工艺用水源，最大限度地减少对地表水资源的占用。

随着社会的发展和技术进步，膜技术的应用已日益普及，膜及其集成技术的应用规模也不断扩大，应用技术水平也迅速提高。不同的膜应用技术和膜产品各有其特点，适用的条件和环境，要根据具体情况加以选择。以科学的态度来认识不同的膜应用工艺在水处理中的作用，不能仅从各自所长和狭隘商业利益的角度片面夸大或贬低某种膜技术的作用和价值，这样做既不利于膜技术的发展，同时对用户来说也会因为被误导而导致错误的选择，造成社会资源的浪费。4、MF+RO双膜法工艺在再生水工程中的应用

北京是世界上严重缺水的大城市之一,近年来随着北京经济技术开发区的飞速发展,区内工业企业数量迅猛增长,工业企业用水量逐年上升。尽管开发区已有建成的污水处理厂,但水污染环境形势依然严峻,当前开发区用水量增长与水资源短缺、水环境污染的矛盾日益突出,这也必将成为制约开发区水资源可持续利用和经济可持续发展的重要障碍,因此利用再生水防治水体环境污染、缓解水的供需矛盾能够起到积极的作用。

再生水厂主体生产工艺采用/微滤+反渗透0,即/MF(Microfiltration)+RO(ReverseOsmosis)0组合工艺,并根据实际需要设置合理的配套单元,如预处理、杀菌、化学清洗系统等(图1)。经济技术开发区污水处理厂二级出水通过进水管线引入格栅间,经提升水泵提升并添加抑菌剂后进入自清洗过滤器进行过滤,自清洗过滤器出水进入MF系统,MF系统出水进入中间水池,并添加非氧化性抑菌剂、阻垢剂、还原剂后,经RO供水泵加压进入保安过滤器,过滤器出水再经RO高压泵加压后进入RO系统,处理出水进入清水池,在进入清水池前采用加氯消毒,以保证管网内余氯要求,最后通过回用水泵房加压送入厂区外配套再生水管网向用户供水。再生水生产过程中产生的浓水、反冲洗排水及化学清洗废液排至浓水处理区域进行处理。工艺流程的说明第七节、MF膜污染及控制

膜污染通常是膜表面的附着层和膜孔堵塞。当溶质是水溶性大分子时，由于其扩散系数很小，从膜表面向原料液主体的扩散通量也很小，因此膜表面的溶质浓度显著增高，形成不可流动的凝胶层。膜表面的附着层可能是水溶性高分子的吸附层和料液中悬浮物在膜表面上堆积起来的滤饼层。

产生膜堵塞的原因包括悬浮物或水溶性大分子在膜孔中受到空间位阻，蛋白质等水溶性大分子在膜孔中的表面吸附，以及难溶性物质在膜孔中的析出。机械堵塞是固体颗粒把膜孔完全堵住；吸附是颗粒吸附在孔壁上而使孔径变小；架桥截留不完全堵塞孔道，形成滤饼过滤。大多数情况下，过滤初