动态膜分离技术研究进展

第27卷第4期2007年8月膜科学与技术MEM【玉RANE吸一IENCE八Nl)Fl一:(月N《)IIXIYVo{_27ALg孺:

文章编号:1007一8924(2007)04一0091一05

夏薰蒸霎

动态膜分离技术研究进展

李晓波，胡保安，顾平

(天津大学环境科学与工程学院，天津30o072)

摘要:介绍动态膜分离技术的概念，着重讨论影响动态膜分离性能的相关因素以及动态膜在污水处理中的应用效果，指出动态膜技术具有良好的应用前景，但目前仍处于试验阶段，尚

需深入研究.关键词:动态膜;污水处理;研究进展

中图分类号:T曰〕28.8文献标识码:A

膜分离技术是当今水处理领域研究的热点，国

内外均做了大量的研究工作[l一5〕，然而，膜污染及

膜组件昂贵的价格是阻碍膜技术广泛应用的主要原

因.动态膜分离技术采用大孔径材料制作膜组件，降低了膜组件的造价;同时，已有研究表明，动态膜的渗透性能更佳、抗污染能力显著提高〔“一8].因此，动

态膜作为一项新型的特殊膜分离技术正越来越多地受到国内外水处理技术研究者的关注〔”一‘3〕.集中在影响动态膜分离性能的因素及操作参数的优化方面

1动态膜分离技术

动态膜作为一种分离性支术，包含动态膜的载体

及动态膜分离层本身.动态膜的载体指用来承载动

态膜的大孔径材料，一般价格低廉、易得，常见的有不锈钢丝网、普通筛网、工业滤布、筛绢等多孔材料和一些高分子材料，如烧结聚氯乙烯管等.动态膜分

离层是动态膜分离技术的主体，指依附于动态膜载体之上、执行分离功能的滤饼层或污泥层.它是通过

错流过滤或死端过滤的方式将某种固体或胶体微粒沉淀在载体表面h形成的用于形成动态膜的粒子

种类较多，有粘土类矿物、粉状活性炭(PAC)、2代几、Mn(尧、聚乙烯醇(PVA)等，也可用被处理的废液中

的某种物质作为成膜物质沉淀在载体上形成动态膜1如自牛生物动态膜的成膜物质为污水中的活性

污泥.目前国内外关于动态膜分离技术的研究主要2影响动态膜分离性能的因素

2.IPH的影响

pH对21场动态膜和MnOZ动态膜的影响较为明显，这是由于Mnq动态膜和大多数2雌动态膜都是通过化学反应来生成膜粒子的.

2赵粒子的形成有两种方法:一种是提高含

2尹十溶液，如无水2‘1;的水溶液的pH来形成「’4)，

另一种是将Zdx」2加人到硫酸溶液中而形成[’5〕.Zr的水合氧化物在不同pH下的特性不同，其粒子

大小也不同.pH较低时所生成的粒子粒径较小，随着pH升高，粒径也逐渐升高由于小颗粒需要更长的时间堵塞载体的孔隙，所以形成动态膜所需的时间也更长.Altman等〔’“〕的研究表明，动态膜的形成

时间从pH为3.5时的120min减少到pH为6时的45mi川Rurnyan:渺等〔‘61的研究结果则分别是

10Omin和小于45min.蛋白质的截留率与pH的关

系不是很明显，pH为3.5、5和6时形成的动态膜的截留率大于pH为4时的动态膜

Mn姚是KMn(石的还原产物，其反应式为

4KM。仙十6H(二(”N、L一4M:1(毛今斗2氏C(毛十

3N也CO，+3眺0+Cq个

收稿日期:2005一09一06;修改稿收到日期:200(>一01一17作者简介:李晓波(1970一).男，河南省人，簿十生主要从事水污染治理技术的研究

󰀀92，膜科学与技术第27卷

KMn认在酸性、中性、碱性条件下的氧化还原性质

各不相同，因此不同pH条件下所制备的Mnq动

态膜的性能有所差别Muhamad等〔‘7」研究结果表

明，同一KMI城〕‘浓度下，州越高，Mn姚沉淀越快，动态膜的过滤阻力越大，截留率越高cai等汇阁的研

究也表明，随着州从3升高到9，Mllq动态膜的形成时间缩短，膜通量先降低后升高.2.2成膜物质浓度的影响

2心动态膜和MllC毛动态膜的性能也与反应

物的浓度有关.chen[’5〕的试验证明，〔姚以人〕/[zd:x一眨J比值

越小，反应生成的2代毛胶体粒子及形成的动态膜的

孔径越小，动态膜的通量减小，截留率升高，同时，胶体粒子越均匀，动态膜的孔径分布范围也越窄，分离

性能更好.如「践以儿〕/〔ZroClz}比值为0.6时所形成的2代毛动态膜，对牛血清蛋白的截留率为近100%，而葡萄糖可自由通过，分离效果极佳.

对于Ml“毛动态膜，同一pH时，存在一个最佳的KMll()4浓度值，这是因为Mllq粒子沉淀太多

或太少对动态膜的性能都是不利的:粒子沉淀太多，

将会堵塞膜孔，导致通量降低和运行时间减少;Mllq粒子沉淀太少，又不足以完全覆盖载体表面，

致使出水浊度升高，分离效果变差，水质下降〔‘9].cai等〔’刚发现，随着还原剂HO二拭〕Na浓度增加，

M们q动态膜形成时间缩短，纯水通量降低Li等川制备PvA复合动态膜时发现，涂膜液

中1〕VA浓度增加，将使载体孔径变小，膜出水通量随之下降，但蛋白质的截留能力由质量分数0，1%

时的约86%上升到质量分数0.8%时的97%左右，23载体性质的影响载体的孔径会影响在该载体上形成的动态膜的

J性能对于自生生物动态膜载体的最佳孔径，大多数

研究者均认为，虽然载体孔径为2。。脚和500”m的动态膜同样可以截留活性污泥，但100拜m鼓为

合适，分离效果更好陈圳Li等[();发现随着载体膜孔径的增大，pvA复合

动态膜的通员升高，蛋白质截留率下降Alt二等!‘61对2哒动态膜的研究表明，孔隙

率低、致密的载体，形成动态膜需要的时间短，动态膜的通量小且下降速度快，但出水水质好，浊度低，分离效果较好，吴盈禧[21〕用具有空间网状结构的材料代替了

原来单编织的筛绢后‘自生生物动态膜的过滤性能有了明显改善，在40L/(郝󰀀h)的通量下，自生生物

动态膜反应器稳定运行了3天，压差由零上升到

245Pa2.4错流速度的影响

错流速度对出水通量的影响，不同研究者的结论不同Li等[‘0]认为，随着错流流速的增加，出水通量反而减小.而Nocr等[9]在试验中发现在一定的

错流速度范围内，稳定状态时的出水通量是相似的.因此认为，决定动态膜性质的主要因素不是错流速

度，而是错流速度和高岭土浓度的相互结合.高岭土浓度为333tng八_，错流流速为16m人时形成的动态膜性能最好，此时的出水通量的下降速度较为缓

慢，且最初的出水浊度最低，仅为2.INTL.2.5后处理条件的影响Altman等「’6」对试验中所形成的2心动态膜

进行了后续处理，用该动态膜过滤聚丙烯酸(FAA)，

得到2雌一PAA复合膜.有效膜孔径的比较及过滤试验均证明P入气后处理对于2心动态膜来说是十

分必要的，它可以降低有效孔径，增加截留率.后处理对PvA复合膜的性能的影响是十分明

显的.Li等[6j试验结果表明，浸泡在80℃纯净水中进行后处理24h后，PVA膜的通量比未经后处理

的膜高许多，而它们的蛋白质截留率相差不大，经过

后处理的复合膜的蛋白质截留率仍相当高.这是由于在后处理时，起成孔作用的添加剂被更完全地分离出去，一些在交联反应中未交联的短链PvA分

子，可以在热水浸泡过程中溶解人水里另一方面，经80℃的热水处理后，膜的蛋白质截留率维持不

变，说明了FVA复合膜的稳定性.以上结果表明，这种后处理可以改善1〕vA复合膜的总体表现，既提高

了通量和稳定性，又不改变其蛋白质截留率.

3动态膜分离在污水处理中的研究

动态膜优良的分离效果主要通过出水的悬浮固体(55)浓度来体现，膜通量的大小和过膜压力则表

征了动态膜的渗透性能.目前动态膜分离技术正在

发展过程，卜，在污水处理中的应用还处于实验性尝试阶段，研究最多的是自生生物动态膜

3.1自生生物动态膜自生生物动态膜的制备较为简单一般采用某种廉价的大孔径过滤材料(如尼龙纤维滤网、筛绢、

第4期李晓波等:动态膜分离技术研究进展

不锈钢丝网等)作为动态膜的载体，制成平板式过滤组件，代替膜生物反应器(MBR)中的微滤或超滤

膜，在过滤的过程中，微生物及其代谢产物所组成的

活性污泥即在载体上沉积形成自生生物动态膜其实质就是过滤过程产生中的滤饼层和凝胶层，然而

通过适当的控制，将其由不利因素转化为可利用的

分离层，处理效果几乎同样可以达到微滤或超滤的

水平.FUcl、5等〔‘L〕以尼龙纤维滤网代替MBR中的微

滤或超滤膜，组成自生生物动态膜反应器处理生活

污水，最长运行周期为3周，出水5浓度小于12

飞几，coD约24哩几，舶几低于smg几，最高

通量可达巧oL/(澎󰀀h).在试验中还模拟了实际污

水处理厂24h内的流量变化情况，发现流量波动会

使出水5升高.范彬等〔2]则采用孔径为。，lmm左右的筛绢

制成平板型过滤组件，代替微滤膜或超滤膜形成一体式的MBR，利用运行过程中形成于组件表面的自

生生物动态膜过滤出水，研究了这种入正R对城市污水的处理效果，结果表明，用筛绢直接过滤城市污

水可以在比较短的时间内形成自生生物动态膜，并且达到良好的分离效果，过滤开始35min后出水中

即检测不到5;动态膜生物反应器对氨氮去除率达

80.92%，充分说明硝化菌大量繁殖并被有效地截留

在反应器内.膜阻力计算结果表明，自生生物动态膜

的总过滤阻力要比传统MBR中的膜过滤阻力小

2一3个数量级〔23」.高松等〔‘3二以静态试验的方式，用200目的不锈

钢丝网作为动态膜形成的载体，在普通曝气池污泥

浓度下，研究了自生生物动态膜处理生活污水和工业废水混合水的过滤性能，结果出水5为零，浊度

小于INTu.吴季勇等〔洲研究也证明，自生生物动态膜出水

水质优良，5未检出，浊度小于ZNTU，动态膜对有

机物的平均去除率18.6喇，.膜通量20.81/(mZ󰀀h)下系统稳定运行40天，出水水头压差保持在0.09

kl，a左右.熊丽等{’2发现，孔径为。，!:二:1左右的筛绢作

为载体形成的自生生物动态膜在膜通量为13.9，16.7，20.SL/(时󰀀h)三种情况下均可稳定运行30

天以L，对生活污水中C01〕的去除率大于90%，出水COI)为20一30眼几，污水中的悬浮固体几乎被完全截留、分离，出水中未检测到5，而且动态膜生

物反应器也具有较强的抗冲击负荷能力，在最大流量时膜通量达112.SL/(时󰀀h)冲击负荷下，动态膜

仍比较稳定，并没有受到破坏，仍然表现出对悬浮物

的良好分离能力，出水5不受影响，均低于检

出限.Lee[24]在进行传统MBR研究时，发现由于动态

膜的形成，减少了小粒子及溶解性物质与膜面的接触机会，从而减缓了膜污染，动态膜还能降解部分有

机物，提高污染物的截留率，改善出水水质.

3.2预涂动态膜张捍民等[z5丁采用孔径56井m的工业滤布制作

膜组件，以PA〔作为预涂剂，组成预涂动态膜一生

物反应器，对比了预涂膜、未预涂膜和0.4卿中空

纤维膜的污染物去除效果和膜污染状况.试验结果发现，预涂动态膜优良的固液分离效果使得污染物质去除效果更好，COI)去除率为卯，5%，氨氮去除

率%.7%，而且预涂膜可以将污染物质和微生物与膜材料表面隔开，从而减轻膜污染，降低膜阻力，比

中空纤维膜组件过滤阻力低1一2个数量级.运行1128h后，操作压力仅上升至6kPa，并且只需刷

洗，膜通量就可以100%恢复.其它种类的预涂动态膜，如Mll姚〔‘7一叫、

2雌〔‘”6，27]动态膜及粘土类矿物制备的动态

膜助，Zv]，在废水处理实验中也表现出了良好的分离

效果cai等L‘8〕制备了Mn姚动态膜并进行了硅藻土

生产废水和含油废水的处理试验，最大的浊度去除率大于98%.污染后的Mll姚动态膜清冼和再生很