壓力式膜與浸沒式膜的比較

1、壓力式膜與浸沒式膜在污水深度處理方面的比較1 膜分離技術簡介膜分離是在20世紀初出現，60年代后迅速崛起的一門分離新技術。膜分離技術由于兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節(jié)能、環(huán)保、分子級過濾及過濾過程簡單、易于控制等特征，因此，目前已廣泛應用于食品、醫(yī)藥、生物、環(huán)保、化工、冶金、能源、石油、水處理、電子、仿生等領域，產生了巨大的經濟效益和社會效益，已成為當今分離科學中最重要的手段之一。膜分離過程按過濾精度劃分，可分為微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）和反滲透（RO），見下圖。圖1.1 過濾圖譜采用膜過濾技術與傳統(tǒng)的方法具有更多的優(yōu)勢：1) 設備占地面積小，土建費用低，僅為傳統(tǒng)

2、方法的1/31/2，特別適合于用地面積有限的工藝擴容；2) 運行費用低，耗能少； 3) 出水水質好，出水水質穩(wěn)定。本工程采用超濾膜組件，故下文著重對超濾膜展開介紹。1.1 超濾膜的發(fā)展歷程超濾膜的發(fā)展歷程見下圖。圖1.2 超濾膜發(fā)展里程碑1.2 超濾膜的分類（1）按材質分類制作超濾膜的材料很多，目前已商品化且較常用的有十幾種材料，處于實驗室階段的則更多，但總體上可將其分為有機高分子材料和無機材料兩大類。圖1.3 制膜材料分類目前市場上的主流超濾膜一般采用高分子材料制成。用于制備超濾膜的有機高分子材料主要來自兩個方面：一方面，由天然高分子材料改性面得，例如纖維素衍生物類、殼聚糖等：另一方面，由有

3、機單體經過高分子聚合反應而制備的合成高分子材料，這種材料品種多、應用廣，主要有聚砜類、乙烯類聚合物、含氟材料類等。1）纖維素衍生物類纖維素是資源最為豐富的天然高分子，但由于其分子量很大，在分解溫度前無熔點，且不溶于通常的溶劑，無法加工成膜，必須進行化學改性。生成纖維素酯或醚才能溶解加工，其中最常用的纖維素衍生物有醋酸纖維素(CA)、三醋酸纖維素(CTA)等。該類物質的親水性好、成孔性好、材料來源廣、成本低，但由此類材料制作的超濾膜耐酸堿性能差，耐酮、酯等有機溶劑的能力差，應用受到一定的影響。醋酸纖維素是白色粒狀、粉狀或棉花狀固體。三醋酸纖維素較二醋酸纖維素強韌，拉伸強度幾乎大1倍，抗壓強度較大

4、，耐熱性能也有所提高。二醋酸纖維素溶于濃鹽酸和丙酮，而三醋酸纖維素則不溶，僅溶于二氯甲烷和氯仿，但三醋酸纖維素不溶于二氯甲烷及氯仿。上述纖維素經過化學改性可溶于丙酮、乙酸甲酯、乙二醇單甲醚等有機溶劑，但其最大缺點是壓密性差，在高壓長時間作用下，易發(fā)生蠕變而導致膜孔變小，使通量不可逆地下降。此外，一些混合纖維素也可用于制作超濾膜，如二醋酸纖維素與硝酸纖維素的混合纖維素等。2）聚砜類聚砜類是分子主鏈上含有聚合物。由于結構中的硫原子處于最高的價態(tài)。加上鄰近苯環(huán)的存在，使這類聚合物有良好的化學穩(wěn)定性，可耐酸、堿的腐蝕。應用于超濾膜中的主要品種有雙酚A型聚砜(PSF)及其磺化產物(SPSF)、聚醚砜(P

5、ES)、聚砜酰胺(PSA)等。a)雙酚A型聚砜(PSF)聚砜耐化學藥品性優(yōu)良，除了強極性溶劑、濃硫強、濃硝酸外，對一般的酸、堿、鹽、醇、脂肪烴等化學試劑穩(wěn)定。它溶于氯代烴如二氯甲烷、二氯乙烷及芳烴等，并在酮類和酯類中發(fā)生溶脹、部分溶解，可溶于二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAC)、N甲基吡咯烷酮(NMF)等極性溶劑。聚砜的缺點是耐候性、耐紫外線較差。耐有機溶劑也不太好；不宜在沸水中長期使用。聚砜機械性能優(yōu)良，尺寸穩(wěn)定，具有突出的抗蠕變性，抗張強度為5883MPa。此外，雙酚A型聚砜經過磁化反應可使其主鏈的苯環(huán)上帶有磺酸基團，從而可得到荷電膜。也可制得小孔徑的耐酸堿的超濾膜。b)聚醚砜

6、（聚芳醚砜，PES）在聚醚砜大分子結構中只有SO2、醚鍵和苯環(huán)骨架，沒有CC鏈，也不含有剛性極大的聯苯結構，因此它的耐熱性和加工性能均較好，可在180200環(huán)境下長期使用；耐老化性能也優(yōu)異，在180使用壽命可達20年；高溫下抗蠕變性能極好。制品透明，尺寸穩(wěn)定，耐燃性好，即使燃燒也不發(fā)煙。耐化學藥品性、穩(wěn)定性類似于聚砜，除了濃硫酸、濃硝酸、強極性溶劑外，不受一般化學試劑侵蝕，如對一般酸、油脂、脂肪烴、醚類等穩(wěn)定。耐蒸汽和過熱水(150160)性能好，PES膜可在140下連續(xù)使用，可經多次蒸汽消毒，但耐紫外線性能較差。拉伸強度為85MPa，玻璃化轉變溫度為225。在聚醚礬中引入SO3-基團可制得磺

7、化聚醚砜(SPES)，改善了材料的親水性。3)聚砜酰胺（PSA）具有優(yōu)良的耐熱、耐酸堿和抗氧化性。其結構中的砜基為材料提供了良好的抗氧化性；酰胺基團則增加了分子鏈之間的作用力，使其機械性能得到提高。因而它兼具了聚砜和聚酰胺兩者的特性。PSA可溶于二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)等溶劑。 由于在PSA主鏈結構中含有酰胺基團，因此也可以將其歸為聚酰胺(PA，尼龍)類材料。其他常用的聚酞胺類聚合物還有聚己內酰胺(PA6，尼龍6)、聚己二酰己二胺(PA66，尼龍66)和芳香族聚酷胺等。3）乙烯類聚合物a)聚丙烯腈（PAN） 聚丙烯腈最主要的應用領域是合成纖維

8、工業(yè)，它的產量居合成纖維的第三位，俗稱“腈綸”。作為超濾膜材料其僅次于醋酸纖維素類和聚砜。聚丙烯腈因生產所用共聚物組成不同、溶劑路線等不同其性質有較大的差別。在150熱處理時，機械性質變化不大，具有優(yōu)良的耐光和耐氣候性，拉伸強度為5562MPa，玻璃化轉變溫度為95。聚丙烯腈不溶于醇、醚、酯、酮及油類等常用溶劑，但耐堿性稍差，用稀堿處理會變黃，用濃堿處理會遭破壞，可溶于二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAC)、失水蘋果酸酐等溶劑中，耐非極性有機溶劑。（a）剖面 （b）表面圖1.4 聚丙烯腈膜電鏡圖b) 聚氯乙烯(PVC)聚氯乙烯(PVC)是產量僅次子聚乙烯(PE)的第二大通用合成樹脂，

9、具有價格低廉、難燃、生產工藝成熟、耐微生物侵蝕、耐酸堿、化學穩(wěn)定性好、優(yōu)良的電絕緣性能和較高的機械強度等優(yōu)點。缺點是熱穩(wěn)定性較差、受熱易引起不同程度的降解。c) 聚丙烯（PP）聚丙烯也是一種產量較大的通用型樹脂，應用于超濾膜領域的聚丙烯主要是中空纖維的形式。聚丙烯在空間結構上存在三種不同的異構體即全同立構(等規(guī)立構)、間同立構和無規(guī)立構。等規(guī)度越高的聚丙烯其性能越好，無規(guī)立構的聚丙烯性能最差，一般不單獨使用。等規(guī)聚丙烯是一種高度結晶熱塑性樹脂，白色、無味、無臭、相對密度小。它具有優(yōu)良的耐熱性、化學穩(wěn)定性、加工性、電性能和機械性能。它的熔點是176，連續(xù)使用溫度l07-121，在不承載情況下使用

10、濕度上限可達150。它與大多數介質(強氧化劑除外)均不起作用。聚丙烯的性能與其等規(guī)度密切相關，等規(guī)度越高其結晶度、密度力學強度超高。拉伸強度約為30 MPa，玻璃化轉變濕度為-20。4）含氟材料類含氟材料是指由含氟原子的單體經過均聚或共聚得到的有機高分子材料。用于膜材料的主要是聚偏氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)，由于PTFE的化學惰性極強，沒有良溶劑，因而在超濾膜上的應用不多。PVDF由于第原子分布的不對稱性使其可溶于多種溶劑，為制備不對稱膜創(chuàng)造了條件。聚偏氟乙烯是一種白色粉末狀結晶性聚合物，玻璃化溫度-39，脆化溫度-62以下，結晶熔點180，熱分解溫度350，長期使用溫度-40

11、150，可經受138的蒸汽消毒。從熔點到分解溫度的加工溫度范圍寬，容易加工，可采用一般熱塑性塑料的成型方法加工。室溫下的拉伸強度達53.9MPa，沖擊強度好，韌性好，硬度大，耐磨性好，抗蠕變性也是氟樹脂中最優(yōu)者之一。聚偏氟乙烯具有突出的抗紫外線和耐氣候老化特性，其耐輻照性能亦較突出，電性能優(yōu)異，具有壓電性和熱電性。聚偏氟乙烯的化學穩(wěn)定性能良好，在室溫下不被酸、堿、強氧化劑和鹵素所腐蝕，脂肪烴、芳香烴、醇、醛等有機溶劑對它也無影響，只有發(fā)煙硫酸、強堿、酮、醚等少數化學藥品能使其溶脹或部分溶解，可溶于二甲基甲酰胺(DM)、二甲基乙酰胺和二甲基亞砜等強極性有機溶劑。缺點是膜的強度、耐壓性較差。（a）

12、剖面 （b）表面圖1.5 PVDF膜電鏡圖綜合來看，超濾膜的材質分類如下表所示。表1.1 部分主流超濾膜材質一覽表序號材質英文縮寫1聚砜PS2聚氯乙烯PVC3聚丙烯腈PAN4聚丙烯PP5聚醚砜PES6聚偏氟乙烯PVDF7聚四氟乙烯PTFE8陶瓷膜（二氧化鋯）（注：上表按一般市場價格由低到高排名）（2）按系統(tǒng)型式分類目前超濾膜處理飲用水技術使用在國內外已經越來越普遍，按照膜系統(tǒng)型式不同可分為壓力膜與浸沒式膜兩類。壓力膜：將大量的中空纖維膜絲裝入一圓柱形壓力容器中，纖維束的開口端用環(huán)氧樹脂澆筑成管板，配備相應的連接件（包括進水端、透過液端和濃縮水端）即形成標準膜組件，通過不同數量的壓力式膜組件并聯

13、或串聯即組成膜系統(tǒng)。壓力式膜系統(tǒng)根據壓力方向的不同又分為外壓式和內壓式兩大類。浸沒式膜：浸沒式膜組件包括固定在垂直或水平框架上的中空纖維膜、設在框架頂部和底部的透過液集水管。幾個或幾十個膜組件通過兩個硬直角管將其集水管相連接，同時將它們位置固定，形成一個膜箱。與傳統(tǒng)的壓力式膜相反，浸沒式膜是在較低的負壓狀態(tài)下運行使用，利用虹吸或泵抽吸方式將水由外向內進行負壓抽濾，實現低膜壓差。1.3 超濾膜的主要供應商經過多年發(fā)展，超濾膜在國內外的應用已十分廣泛，其中在國內市場，比較知名和占據主要市場份額的膜供應商見下表所示。表1.2 國內市場部分膜供應商一覽表（排名不分先后）序號供應商簡稱主推膜材質所屬國家

14、備注1三菱PE日本2東麗PVDF日本3旭化成PVDF日本4諾芮特（Norit）PES荷蘭5海德能PES荷蘭6得力滿/AquasourceCA法國7瀅格（Inge）PES德國8INTPES荷蘭9歐科PES中國大連10西門子/USFilterPE/PD/PVDF德國11陶氏/歐美環(huán)境OMEXLPVDF美國12立升PVC合金中國深圳/海南13天津膜天PVDF中國天津14科氏（KOCH）PS美國15GE/ZENONPVDF美國16凱發(fā)PES新加坡17招金膜天PS/PVDF中國山東18蘇州膜華熱法PVDF中國蘇州19江蘇久吾陶瓷（二氧化鋯）中國江蘇20美能PVDF新加坡21碧水源PVDF中國北京2 浸沒

15、式膜與外壓式膜方案比較浸沒式膜與壓力式膜在性能方面的比較見下表：表2.1 壓力式膜與浸沒式膜的比較壓力式膜浸沒式膜系統(tǒng)密閉式系統(tǒng)設計開放式系統(tǒng)設計過濾方式內壓或外壓式設計，直流和錯流式過濾外壓式設計，直流式過濾膜通量一般為40-60L/h·m2一般為10-40L/h·m2膜材料PES,PS,PVDF,PVCPVDF,PVC預處理要求單根膜組件裝填密度高，適用于水質較好的來水或與預處理工段結合單根膜組件裝填密度中等，適用于水質波動較大的來水操作壓力采用壓力過濾，可通過壓力調節(jié)應對工藝波動或進水水質、水溫變化等，一般控制跨膜壓差<0.3MPa，能耗較高采用虹吸或低壓真空抽

16、吸，一般為0.02-0.03MPa，能耗較低污堵情況污染物易堆積在膜元件封裝端，不采用氣擦沖洗時，較易發(fā)生膜堵塞敞開式開發(fā)系統(tǒng)，鼓風氣體擦洗，膜堵塞相對較輕膜壽命與斷絲率視不同膜材料和制造方法確定，相對機械疲勞較少，斷絲率較低，膜壽命一般視不同膜材料和制造方法確定，由于采用強度較高的空氣擦洗，斷絲率相對較高，膜壽命一般安裝方式安裝在密封的壓力容器內，由連接件及閥門連接安裝在開放的土建池或金屬池內，由連接件及閥門連接設備構成過濾器、膜架、膜殼等膜組件，進水泵，反沖洗泵，清洗系統(tǒng)等相對設備較少，系統(tǒng)更簡潔膜堆等膜組件，產水抽洗泵，反沖洗泵，擦洗風機，真空系統(tǒng)，排水系統(tǒng)，清洗系統(tǒng)等相對設備較多操作環(huán)

17、境衛(wèi)生條件感官狀況好，密閉系統(tǒng)，操作環(huán)境無化學品氣味，操作條件好敞開式系統(tǒng)，懸浮物和泡沫等易聚集在膜池表面，感官狀況不佳，操作人員有暴露在酸、堿等有害物質的可能性，操作環(huán)境相對較差根據上述分析與比較，壓力式膜與浸沒式膜在國內外都有廣泛的使用，均有各自優(yōu)缺點。國內類似工程主要采用的膜為外壓式和浸沒式超濾膜兩種。本工程對這兩種膜系統(tǒng)進行了方案設計如下：2.1 浸沒式膜方案新建超濾車間1座，土建規(guī)模10×104 m3/d。設備規(guī)模按照一階段2.5×104 m3/d設計。1、總體布置超濾車間尺寸57.2×33.5m，層高5m（附屬設備間局部10m）。膜池12座，單格膜池尺

18、寸8.4×4.2m，有效水深3.6m。一階段啟用3座。2、主要設備1）膜組件數量：15套，每個膜池5套參數：單套產水量Q=70m3/h膜通量33.1L/h·m2平均孔徑：0.02m跨膜壓差（TMP）：0-50KPaPH運行范圍：110工作溫度：545膜使用壽命：58年2）產水泵數量：4套，3用1備參數：Q=416m3/h，H=10m，N=18.5kW3）抽真空系統(tǒng)（1套）液環(huán)真空泵，數量：2臺（1用1備）規(guī)格：Q=165m3/h，最大真空度84%功率：4kW 真空罐數量：1臺規(guī)格：V=1m3，800×2400mm 工作壓力：1.0MPa 氣水分離罐數量：1臺規(guī)格：

19、V=0.12m3，500×780mm4）反洗水泵數量：2臺，1用1備參數：Q=416m3/h，H=10m，N=18.5kW5）膜擦洗風機數量：3套，2用1備參數：Q=32m3/min，H=44.1kPa，N=37kW6）清洗裝置主要設計參數：維護性清洗頻率：17天進行一次（根據水質）恢復性清洗頻率：12月進行一次主要設備參數：化學清洗泵類型：臥式離心泵數量：2臺（1用1備，變頻）參數：Q=254m3/h，H=10m，N=11kW次氯酸鈉反洗加藥泵類型：機械隔膜泵數量：3臺（2用1備）參數：Q=1800L/h，H=50m，N=1.5kW次氯酸鈉膜池加藥泵類型：化工磁力泵數量：2臺（1用

20、1備）參數：Q=16m3/h，H=20m，N=4kW次氯酸鈉儲罐數量：2個容積：15m3材質：PE檸檬酸加藥泵類型：機械隔膜泵數量：3臺（2用1備）參數：Q=17m3/h，H=20m，N=4kW檸檬酸儲罐數量：1個容積：10m3材質：PE檸檬酸化料器數量：1套規(guī)格：200kg/次，V=400L功率：0.55kW7）中和單元主要設計參數：中和藥劑：30%氫氧化鈉溶液或30%硫代硫酸鈉溶液主要設備參數：反洗排水泵類型：自吸泵數量：2臺（1用1備）參數：Q=300m3/h，H=7m，N=11kW中和池排水泵類型：自吸泵數量：2臺（1用1備）參數：Q=130m3/h，H=10m，N=15kW氫氧化鈉加

21、藥泵類型：化工磁力泵數量：2臺（1用1備）參數：Q=11m3/h，H=20m，N=2.2kW氫氧化鈉儲罐數量：1個容積：15m3材質：PE硫代硫酸鈉加藥泵類型：化工磁力泵數量：2臺（1用1備）參數：Q=4.5m3/h，H=20m，N=1.1kW硫代硫酸鈉儲罐數量：1個容積：5m3材質：PE2.2 外壓式膜方案新建超濾車間1座，土建規(guī)模10×104 m3/d。設備規(guī)模按照一階段2.5×104 m3/d設計。1、總體布置超濾車間尺寸45×30m，層高8m。設置超濾系統(tǒng)的全套設備，包括預過濾單元，超濾（UF）提升泵組、超濾膜組件、膜殼壓力容器、膜架、UF反洗泵、UF化學

22、反洗(CEB)單元等。具體各單元組建數量及工藝參數如下：2、主要設備（1）預過濾裝置單元類型：自清洗過濾器數量：8套參數：100m（2）超濾產水泵類型：臥式離心泵數量：8臺，6用2備，變頻控制參數：Q=180m3/h，H=22m，N=22KW（3）超濾膜組件類型：PVDF中空纖維膜數量：6套參數：單套產水量Q=175m3/h膜通量45L/h·m2平均孔徑：0.025m工作壓力：100300kPa跨膜壓差（TMP）：50100kPaPH運行范圍：110工作溫度：545膜使用壽命：58年（5）超濾反沖洗泵類型：臥式離心泵數量：2臺，1用1備，變頻控制參數：Q=600m3/h，H=23m，

23、N=55KW（6）化學清洗單元次氯酸鈉儲罐數量：2個容積：15m3材質：PE次氯酸鈉加藥泵類型：機械隔膜泵數量：3臺（2用1備）參數：Q=1000L/h，H=70m，N=1.5kW鹽酸儲罐數量：1個容積：10m3材質：PE鹽酸加藥泵類型：機械隔膜泵數量：2臺（1用1備）參數：Q=1000L/h，H=70m，N=1.5kW氫氧化鈉儲罐數量：1個容積：15m3材質：PE氫氧化鈉加藥泵類型：機械隔膜泵數量：2臺（1用1備）參數：Q=1000L/h，H=70m，N=1.5kW2.3 方案經濟比較16一、投資分析表2.2 浸沒式膜投資總表序 號工程或費用名稱估 算 金 額 (萬元)技 術 經 濟 指 標建筑工程安裝工程設備及工器具購置其他費用合計單位數量單位價值備 注1234567891011工程費用超濾車間土建383.24383.24m219162000膜池土建162.40162.40m34060400配件62.5062.50設備37.501250.001287.50合計545.64100