膜技术和膜生物反应器

膜技术的发展现状、趋势，分类及处理对象，应用？膜生物反应器的发展历程、趋势，及膜的污堵问题？

一、 膜技术的发展现状及趋势

1、 膜分离技术的定义

膜分离技术系利用具有特殊选择分离性的有机高分子材料和无机材料，形成不同形态结构的膜，在～定驱动力作用下，使双元或多元组份透过膜的速率不同而达到分离或特定组份密集的目的。

膜分离技术特点：

 无试剂加入，无额外材科损耗，无需再生，无二次污染，可连续操作。

 能充分利用工业压力源做为膜分离推动力，物料仅通过简单地流经膜表面即可得到分离或浓缩。

 工艺兼容性强，易与相关工艺配套，能因地制宜地满足多样化工艺组台要求。

 模块组合方式既可满足集中应用，又可进行单元操作，不受场地和自然环境的限制。

 常温操作．投资少、能耗低、回收率高，无公害。

 设备结构紧凑，占据空间小；工艺简单，组装方便，容易操作。

 一般无需相变和化学变化即可达到分离目的。

2、 膜分离技术的发展现状及趋势

1、 国外分离技术的发展及发展趋势

早在上世纪30年代，硝酸纤维素微滤膜已商品化，近年来开发出聚四氟乙烯为材料的微滤膜新品种，它使用范围非常广，销售额居于各类膜的首位。从上

世纪

70年代，超滤应用于工业领域，现在应用领域非常广泛。上世纪80年代，新型含氟离子膜在氯碱工业应用成功。第三代低压反渗透复合膜，性能大幅提高，已在药液浓缩、化工废液、超纯水制造等领域得到广泛应用。1979年Monsanto公司成功研制出H2/N2分离系统。渗透汽化于80年代后期进入工业应用，主要用于醇类等恒沸物脱水，该过程节约能源，不使用挟带剂，使用起来比较经济。此外，用渗透汽化(PV)分离有机混合物，近年也有中试规模研究的报道。

2、国内分离技术的发展趋势

（1） 改善膜性能

根据目前国内膜技术的发展趋势，未来需要进一步提高或改善膜的性能，以利于膜技术扩大推广应用。改善膜性能的技术方向是：

a）能够抗污染，包括微生物垢和石油类污染物等对膜造成的污染；

b）能够抗堵塞，包括微生物、油和固体粒子等对膜形成的孔径堵塞；

c）无需苛刻的预处理，缩短流程，简化操作，降低建设投资，节约运行费用；

d）具有较高的通量，提高产水率，减少污染物排放量或再处理量；

e）具有足够的机械强度，能够耐受高压、反复清洗、生物膜等重物的拉伸；

f）具有较好的有效孔径分布率、较好的分离性能和稳定的理化性质，耗能低，寿命长。

(2) 膜材料和膜制造工艺的技术发展趋势

目前，我国虽然可以生产微滤、超滤、纳滤和反渗透等不同类别的膜材料，但由于用于制膜的材料种类有限，因而急需科技创新，提高制造技术，开发制膜新工艺和新方法，开发新型制膜材料，提高材料本身的理化性质，重点发展高性能化学纤维、超滤级的有机物烧结膜、纳滤级陶瓷膜、纳滤级石英膜、纳滤级不锈钢膜和钛金属膜、抗油污疏水膜等性能更好的膜材料。

(3) 膜应用的技术发展趋势

膜技术在污水处理、工业废水处理和资源化综合利用的应用范围今后将得到进一步扩展，成为废水回用和难降解有机污染物分离回收，以及实现废水零排放的基本手段。除了去除固体粒子和盐类物质以外，污染物去除技术的主要发展方向是：

a）采用微滤膜除盐并去除各类重金属污染物；

b）采用超滤膜分离大分子有机物和高分子有机物；

c）采用纳滤膜，以液液分离形式，进行油水分离、去除石油类污染物；

d）采用耐高温（90℃以上）膜材料，开展热水的除固体粒子、除盐和热能回收；

e）开发反渗透以外的除盐新技术，发展电解膜、电极膜、电离子交换膜等新材料；

f）发展耐受高浓度（浓度在25%以上）酸碱的有机膜，进行废酸液和废碱液的回收、处理；

g）发展无需梯度过滤预处理的适宜去除高浓度悬浮固体、胶体废水的膜材料；

h）发展适宜处理高浓度含盐废水的膜材料。

二、 膜技术的分类及处理对象

膜是具有选择性性分离功能的材料，利用膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程称为膜分离。按分离过程可分为反渗透噼0)、超滤(UF)、微滤(MF)、纳滤（NF)、渗析(D)、电渗析饵（D)、气体分离(GS)、渗透汽化(PV)、液膜、膜蒸馏、膜反应和控制释放等。依据材料的不同，可分为有机膜和无机膜。

１、微滤（ＭＦ）：又称微孔过滤，它属于精密过滤，其基本原理是筛孔分离过程，微滤膜的材质分为有机和无机两大类。鉴于微孔滤膜的特征，微孔滤膜的应

用范围主要是从气相和 液相中截留微粒、细菌以及其他污染物，以达到净化、分离、浓缩的目的。

对于微滤而言，膜的截留特性是以膜的孔径来表征，通常孔径范围在0.1～1微米，故微滤膜对于大直径的菌体、悬浮固体等进行分离。可作为一般料液的澄清、保安过滤、空气除菌。

２、超滤（UF）：是介于微滤和纳滤之间的一种膜过程，膜孔径在0.05~1000um分子量之间。超滤是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技，超滤过程通常可以理解与膜孔径大小相关的筛分过程。以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，党水流过膜表面时，只允许水及比膜孔径小的小分子物质通过，达到溶液的净化、分离、浓缩的目的。

对于超滤而言，膜的截留特性是以对标准有机物的截留量来表征，通常截留分子量在1000~300000，故超滤膜能对大分子有机物、胶体、悬浮固体等进行分离，广泛应用与料液的澄清、大分子有机物的分离纯化、除热源。

3、纳滤（NF）：是介于超滤与反渗透之间的一种膜分离技术，其截留分子量在80~1000的范围内，孔径为几纳米。基于纳滤分离技术的优越特性，其在制药、生物化工、食品工业等诸多领域显示出广阔的应用前景。

对于纳滤而言，膜的截留特性是对标准溶液截留率来表征，通常截留率在60~90%，相应截留分子量在100~1000.故纳滤膜能对小分子有机物等与水，无机盐进行分离，实现脱盐与浓缩的同时进行。

4、反渗透（RO)：是利用反渗透膜只能通过溶剂（通常是水）而截留离子物质或小分子物质的选择透过性，以膜两侧静压力为推动力而实现的对液体混合物分离的膜过程。反渗透是膜分离技术的一个重要组成部分，因具有产水水质高、运行成本低、无污染、操作方便运行可靠等诸多优点，而成为海水和苦咸水淡化，以及纯水制备的最节能、最简便的技术。

反渗透的截留对象是所有离子，仅让水透过膜，对NaCl的截留率在98%以上，出水为无离子水。反渗透法能够去除可溶性金属盐、有机物、细菌、胶体粒子、发热物质，也能截留所有的离子。在生产净水、软化水、无离子水、产品浓缩、废水处理方面反渗透膜已经应用广泛。

三、 膜技术的应用

1、膜技术在水的淡化方面的应用

全球水的总储量为13.86 亿km, 海水就占有96.5%, 人类可取用的地表水和浅层地下水仅为0.79%, 且随地域和季节变化分布极不均匀。为了向大海索取淡水, 上世纪五十年代初, 膜技术便被优先提出来了, 至七十年代海水淡化技术在世界上实现了商品化, 经过产品换代、工艺革新, 目前已成为最经济的海水淡化和高盐度苦咸水脱盐技术。在国家支持下, 我国海水淡化技术也取得了令人瞩目的业绩, 成为具有自行设计、生产海水淡化装置的国家。

2、膜技术在废水处理方面的应用

膜技术在废水处理方面的研究和应用几乎涉及到废水处理的各个领域,包括电泳漆废水和石油、化工、纺织、食品加工、造纸、医药、机械加工等行业的废水处理。膜技术在废水处理中的应用也向综合利用方向转变,一些新的膜过程不断地得到开发研究,如膜软化、渗透汽化、膜蒸馏、支撑膜液、膜生物反应器、仿生膜及生物膜等过程的研究工作不断深入。这些工作既以充分回收利用废水中的有价资源为目的,又在一定程度上推进了废水处理的深度,具有重大的环境效益和经济效益。

3、膜技术在化工行业的应用

膜技术在工业中分离制氮：氮气是一种广泛应用于化工、冶金、医药等行业的惰性气体。氮气的生产方法有低温空气分离法和非低温空气分离法两大类,非低温空气分离法又有变压吸附法(PSA)和膜分离法。膜分离制氮是利用空气的不同成分通过聚合膜时具有不同渗透率的物理特性,当空气通过膜组件时被过滤、

压缩

,薄膜能有选择地从压缩空气流中除去渗透“较快”的氧气和二氧化碳等气体,将留下来的气流收集起来,即为氮气产品。膜分离制氮是八十年代国外新的技术,发展很快,具有流程简单、体积小、装置紧凑、投资省、能耗低、寿命长的优越性。膜分离制氮系统的操作目前已完全实现自动化,可在无人的情况下安全运行,可谓“按钮一按,即得氮气”〕；同时,膜分离制氮设备可根据用户要求设计成移动式氮气站,极大地方便了用户。目前国外采用膜分离制氮的公司主要有:德国的Messer 工业气体公司、美国的Praxair公司和Air Productsand Chemicals

公司等。

膜技术在医药方面的应用：液膜萃取分离方法的基本原理是由渗透了与水互不相溶的有机溶剂的多孔聚四氟乙烯薄膜把水溶液分隔成两相—————萃取相与被萃取项,其中流动的试样水溶液系统相连的相作为被萃取项;静止不动的为萃取相。试样水溶液的离子流入被萃取相与其中加入的某些试剂形成中性分子(处于活化态)。这种中性分子通过扩散溶入吸附在多孔的聚四氟乙烯有机液膜中,在进一步扩散进入萃取相。液膜分离技术模仿生物膜的传输特性,和溶剂萃取过程十分相似,也是由萃取和反萃取两步过程组成的,但在液膜分离过程中,萃取和反萃取是在同一步骤中完成,这种促进传输作用,使得过程中的传递速率大为提高,因而所需平衡级数明显减少,大大节省萃取溶剂的消耗量。

四、 膜生物反应器的发展历程及趋势

1、发展现状

膜生物反应器(Membrane Bioreactor，简称MBR)在污水处理中的研究始于20世纪60年代。该工艺利用膜组件的高效截流作用取代传统活性污泥法工艺的二沉池进行同液分离，具有占地面积小。出水水质优良、稳定，可以满足许多非饮用水领域回用需要等优点。目前在许多国家都有规模化应用，但在我国的规模化应用还很少。近年来，由于水资源日趋紧张．污水回用需求不断提高；同时，膜的生产技术得到发展。膜制造成本不断降低，MBR工艺在污水处理领域的应用表现出较好的前景。

国外膜生物反应器技术：

20世纪60年代，在美国开展了早国外膜生物反应器技术20世纪60年代，在美国开展了早期的膜与活性污泥法结合处理生活污水的研究。随即引起了广大研究者的兴趣。早期MBR的研究主要集中在工艺的处理效果上，但同时，研究者也发现了膜的污染问题。由于当时膜组件制造水平不高，膜的寿命不长，限制了MBR技术在实际工程中的推广应用。进入20世纪80年代以后，随着膜材料的开发、膜制造技术的进步和膜清洗方法的改进，膜生物反应器的研究有了进一步发展，MBR更具有实用价值。一些公司成功使自己的膜生物反应器商品化。1982年Dorr一0liver公司推出了膜一厌氧反应器系统来处理高浓度食品废水。该系统采用外部循环超滤膜．COD的去除率达到99％。

膜生物反应器技术在20世纪90年代得到迅速的发展，膜生物反应器以其处理效率高，效果好，占地面积小，控制方便等优点．吸引r大量研究者的兴趣，其在废水处理中的应用领域和规模的不断扩大，关于微生物特性、膜荇染、降低能耗方面的研究也不断深入。