东丽最新膜技术在污水再生回用中的应用

在全球面临水资源短缺，经济发展将遭受严重威胁的情况下，膜技术的运用使污水的深度处理和再生技术得到不断发展，这种膜法污水处理及再生技术已经成为举世瞩目的新型水资源循环应用技术之一。
　　
        常规的污水处理厂主要是以活性污泥法和沉淀池进行污水处理，它们已在世界范围内被广泛应用（见图1）。然而，这种常规污水处理工艺的问题在于出水水质的SS 偏高，并且易发生污泥膨胀，不能保证出水水质的稳定。由于国家对污水处理回用的水质有严格的标准，所以生物处理过的污水不能被直接再利用，同时常规的污水处理厂还存在着维护困难和占地面积较大的问题。因此为了改善和提高污水处理的功效，利用膜生物反应器技术将污水生物处理技术与膜分离技术相结合，先用生化技术降解水中的有机物，然后利用膜技术过滤悬浮物和溶解性大分子物质，去除细菌和病毒，降低浊度，达到排放标准或回用标准。
　　
        东丽公司成功地开发了低污染反渗透膜和中空纤维超滤膜来进行污水再生处理，同时开发了浸没式平板膜生物反应器（MBR）有效地进行污水的深度处理。应用自行开发的多种水处理膜产品，组合成二种有效的污水深度处理和再生技术。

1 超滤/微滤膜（UF/MF）与低污染反渗透膜（RO）组合的污水处理再生技术
　　
        我们将传统的污水处理厂活性污泥生物处理法处理过的污水，再利用超滤或微滤膜来去除悬浮的固体，同时利用反渗透膜来去除溶解性有机物和离子,达到再生水的水质标准。此水处理再生系统如图2所示。
 

        1.1 超滤/微滤（UF/MF）的特性
　　
        由于原水水质的恶化，为了去除水体中病原体和微粒物质，超滤/微滤膜必须经受高流速的冲击，以及频繁的物理和化学清洗。因此，超滤/微滤膜必须能承受高水流的冲击，具有较高的物理强度和良好的抗化学侵蚀能力。为了达到这些必备的要求，我们一直进行新型膜的研究与开发，并且已经成功地发明了新型聚偏二氟乙烯(PVDF)中空纤维膜。它抗化学腐蚀性强，尤其对酸、氟和氧化物都有一定的抵抗能力；并具备高通量，高抗阻塞及非常好的物理强度。
　　
        东丽公司开发的PVDF 中空丝超滤膜具有以下特点：
　
        （1） 膜材质具有良好的耐化学腐蚀性；
　   
        （2） 膜结构具有不对称型微观结构形态；
　
        （3） 膜表面细孔径的平均值为0.05 微米，且孔径的分布相当密集。
　　
        为了测定膜性能，我们在恒温恒压条件下使用小膜元件来测量纯水通量；在10 千帕的压力下用仪器测量聚苯乙烯乳胶微粒排斥能力；并用紫外色谱仪（HITACHI U-3200）测量膜的进水和透过水的吸光度弥散状况。对中空聚偏二氟乙烯的膜元件测定结果如下：
　
        （1） 外部直径与内部直径比值（mm）：1.4/0.9；
　
        （2） 纯水通量（m3/m2/h，在50kPa，25℃）：1.5
　
        （3） 0.05 微米聚苯乙烯乳胶微粒排斥率（％）：＞90％；
　
        （4） 抗破损的延展性（％）：100；
　
        （5） 抗破损的强度性（MPa）：12。
　　
        同时，这种中空聚偏二氟乙烯具有很强的耐腐蚀性，例如采用1000mg/L 的次氯酸钠和5000mg/L 的过氧化氢溶液+二价铁溶液(催化氧化)进行强化试验，其结果表明即使在长时间的强氧化剂中浸泡后，在延展性和强度方面膜材质依然没有改变。

        1.2 低污染反渗透膜的特性
　　
        通过设计和研究，东丽公司开发的低污染反渗透膜已用于污水回用。这种低污染反渗透膜在使用过程中既能保持水渗透性，又能防止化学污染和生物污染。我们用一种非离子表面活性剂水溶性来测定膜的污染性。测试结果表明，低污染反渗透膜具有较小的透水率降低幅度，与最初的纯水透过水通量相比，其比率为27%。而且操作稳定，化学清洗后，低污染反渗透膜表现出很强的透水率的恢复性能。
　　
        为了测定膜的抗菌性能，进行了膜对疏水细菌和其它的亲水细菌的吸附性测试。一般的反渗透膜因疏水细菌被大量吸附到膜表面而导致反渗透膜的生物污染。在东丽公司的低污染反渗透膜的测试中，疏水细菌的吸附率非常低，低于普通反渗透膜的十分之一。

        1.3 超滤（UF）＋低污染反渗透膜（RO）的处理工艺
　　
        由于新型的超滤（UF）和低污染反渗透膜组件的优越性能，在微污染水源水的净化和市政污水回用处理项目上得到应用。在某污水厂的试验运行期间，采用絮凝+膜过滤工艺，原水的浊度为1.61~10.93NTU，投加的絮凝剂聚铝为5mg/L，超滤出水的浊度为0~0.45NTU，平均浊度仅为0.05NTU。在装置运行的大部分时间里，出水浊度接近0。这是由于超滤膜的孔径较小，仅为0.05μm，在投加少量絮凝剂情况下，超滤膜即可截留了水体中几乎全部的胶体和悬浮颗粒物等。
　　
        有机物在原水中的种类繁多，其成分也非常复杂，TOC 是反映水体中有机物浓度的综合指标，代表了水中有机物的总量。在超滤过程中，悬浮态有机物的去除主要依靠膜孔的筛滤作用，而溶解性有机物质的去除则主要通过在膜表面的沉积和吸附作用完成。在反渗透中，由于膜的孔径很小，有机物基本上依靠膜的截留作用去除。试验运行期间，原水中TOC 的含量为13.31-24.96mg/L，波动较大，结果超滤出水中TOC 的浓度也出现较大波动；反渗透出水中TOC 基本稳定，其去除率在90%以上。
　　
        在工艺设计过程中，为了去除细菌等微粒物质，超滤膜必须经受高流速的冲击，以及频繁的物理和化学清洗。我们用聚偏二氟乙烯制成的超大型中空丝膜组件进行预处理试验，以进水通量1.5m/d，每20 分钟反冲洗气洗一次的方式运行。膜压差非常稳定，而且过滤水质非常好。
　　
        为了验证超滤膜（UF）处理水对反渗透膜的影响，直接用超滤膜来过滤二沉池出水，然后分别利用低污染反渗透膜和普通反渗透膜进行污水再生试验。试验的结果（见图3），超滤膜过滤水通过普通反渗透膜时，由于受溶解性有机物及生物污染影响，运行一天后水渗透性下降到最初渗透性的60%。而低污染反渗透膜的渗透性下降要比普通反渗透膜小得多并且操作稳定。
 

2 浸没式平板膜生物反应器（MBR）和低污染反渗透膜相结合的污水再生回用技术
　　
        东丽公司开发的将浸没式平板膜生物反应器（MBR）和低污染反渗透膜相结合建立的污水再生回用系统如图4所示。首先是利用生物反应和新型的平板微滤膜分离技术，去除水中微小有机颗粒，并利用反渗透膜来进一步去除溶解的有机物和离子，达到污水再生回用标准。
 

        2.1 MBR膜组件的特性
　　
        在膜生物反应器系统的工艺设计过程中，平板膜的设计和制造是最重要的一步，因此要挑选合适的膜材料，并设计平板膜的微观结构。为了具有较高的物理强度和良好的抗化学物质侵蚀的能力，选聚偏二氟乙烯作膜材质。
　　
        通过膜的孔径大小分布特性测试，膜表面上孔的直径小而均匀（见照片），这使得膜不仅可生产高质量的再生水，而且可以防止细孔的污堵。膜表面孔径约为0.1 微米（见图5）。纯水通量是1.44m/h。另外，用聚苯乙烯乳胶测试微滤膜排斥性能，结果对于0.088 微米的微滤粒子排斥率大于90%。这表明几乎所有的微粒物质都不能通过膜渗透出来。因此，东丽公司的平板膜不但孔径小，而且孔径分布集中，具有小孔和高水通量的特点。
 

        2.2 MBR+低污染反渗透膜（RO）的处理工艺
　　
        平板膜生物反应器（MBR）处理工艺的性能测试是在一家城市污水厂进行的。MBR系统在实际运行期间，反应器中的污泥浓度为10,000mg/L 左右，废水中COD 浓度为236-812mg/L，MBR 处理出水的COD 浓度为24-40 mg/L ，COD 去除率达到90%以上。MBR 系统对COD 具有较好的处理效果。
　　
        另外，反渗透出水的水质也非常稳定，COD 去除率稳定在92%以上。由此可见，反渗透对于水体中的有机物具有良好的去除作用。反渗透膜的高效截留作用，去除了水体中绝大多数的有机物质，确保了出水水质的稳定。
　　
        膜生物反应器(MBR) 由于用膜分离来取代常规污水处理厂的沉淀池，避免因沉淀池的沉降分离效果不好而造成出水浊度上升的现象发生，并且微滤膜可去除大肠杆菌，隐孢子虫等，使出水的消毒过程相当简单。这样，出水不需要经过特别操作就可以作为中水再利用。

3 结论
　　
        采用这种新型的污水处理膜法再生系统，MBR 出水可直接用来绿化或农田灌溉，并通过低污染反渗透膜（RO）进一步处理后制造再生水回用。面对水资源不足，水污染严重的状况，这种社会急需的利用膜法进行污水深度处理或再生技术已经受到人们的广泛重视。东丽公司利用自行开发的中空丝超滤膜和平板微滤膜去除水中微小颗粒，并利用低污染反渗透膜来进一步去除溶解的有机物和离子，将中空丝超滤膜或平板微滤膜与低污染反渗透膜相结合，达到高质量的处理水质。这种膜法污水再生回用技术是水资源再生领域的一项有效新型的水处理技术。