【正文】 直徑大于 10mm 的為管式膜；直徑在 之間的是毛細(xì)管式膜；直徑小于 的為中空纖維膜。管狀膜直徑越小，則單位體積里的膜面積越大。3. 膜分離的定義和分類所有分離過程都是利用在某種環(huán)境中混合物各組分性質(zhì)的差異進(jìn)行分離。膜分離過程是以選擇性透過膜為分離介質(zhì)，在兩側(cè)加以某種推動(dòng)力時(shí)，原料側(cè)組分選擇性地透過膜，從而達(dá)到分離或提純的目的。1）反滲透和納濾反滲透已成為海水淡化最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)，也是苦咸水淡化的主要手段，它已成為超純水和純水制備的優(yōu)選技術(shù)；另外在各種料液的分離、純化和濃縮以及廢液的再生回用方面都發(fā)揮了重大作用。我國(guó)反滲透技術(shù)能在海水淡化、脫水濃縮、高溫水再用、市政和工業(yè)廢水處理與再用領(lǐng)域發(fā)揮其應(yīng)有的作用。納濾膜介于反滲透膜和超濾膜之間，是近 10 多年發(fā)展較快的膜品種。a. 反滲透原理當(dāng)用一個(gè)半透性膜分離兩種不同濃度的溶液時(shí)，膜僅允許溶劑分子通過。由于濃溶液中溶劑的化學(xué)勢(shì)低于它在稀溶液中的化學(xué)勢(shì)，稀溶液中的溶劑分子自發(fā)地透過半透膜向濃溶液中遷移。b. 反滲透膜與納濾膜及其組件c. 反滲透膜與納濾膜３２ / 68由于反滲透膜與納濾膜多種多樣，主要有平板不對(duì)稱膜、不對(duì)稱平板復(fù)合膜、管式不對(duì)稱膜、中空纖維不對(duì)稱膜、中空纖維復(fù)合膜等。目前平板不對(duì)稱膜和中空纖維膜占據(jù)了市場(chǎng)絕大部分的份額。d. 反滲透膜與納濾膜組件反滲透過程的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性決定于組見的價(jià)格和性能。它對(duì)組件的機(jī)械強(qiáng)度、流體力學(xué)結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)性都有較高的要求。e. 反滲透與納濾工藝流程反滲透與納濾工藝流程通常包括前處理工藝、膜分離工藝和后處理工藝三部分。為減少料液在膜分離過程中對(duì)膜的污染和化學(xué)損傷，必須對(duì)料液進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)溶液的分離有不同的要求，必須選用合適的膜和組件形式，應(yīng)該通過計(jì)算確定組件的排列和操作條件。f. 反滲透與納濾應(yīng)用反滲透應(yīng)用領(lǐng)域可分為兩大類：水純化和溶質(zhì)濃縮。主要用于水的純化，如海水和苦咸水脫鹽制飲用水，以及制備半導(dǎo)體工業(yè)、醫(yī)藥、化學(xué)工業(yè)中所需的超純水。納濾膜對(duì) Na+和 Cl單價(jià)離子的截留率較低，實(shí)踐證明納濾可以代替沉淀、pH調(diào)節(jié)和蒸發(fā)等過程，達(dá)到產(chǎn)品純化和濃縮的目的，是一新的高效節(jié)能的過程。此外納濾在有機(jī)小分子與鹽的分離與濃縮、去除無脂奶粉的異味等方面得到了廣泛的應(yīng)用。2）超濾a. 超濾原理超濾膜多為不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由一層極薄、具有一定尺寸孔徑的表皮層和一層較厚、具有海綿狀或指定結(jié)構(gòu)的多孔層組成。前者起分離作用，后者起支撐作用。在超濾膜分離過程中，膜的孔徑大小和膜表面的化學(xué)性質(zhì)等將分別起著不同的分離作用。一般情況下，超濾膜的性能指標(biāo)有滲透通量和截留率。超濾膜的耐壓性、耐清洗性、耐溫性等性能對(duì)于工業(yè)應(yīng)用是非常重要的。目前商品化的有機(jī)材質(zhì)的超濾膜都是采用相轉(zhuǎn)化法制得的。b. 超濾操作工藝 超濾的基本操作有以下三種。３３ / 68 重過濾操作，用于大分子和小分子的分離。 間歇操作，常用于小規(guī)模生產(chǎn)。 連續(xù)式操作，常用于大規(guī)模生產(chǎn)。c. 超濾應(yīng)用超濾在需將尺寸較大的分子或微粒與低分子物質(zhì)或溶劑分離的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。超濾裝置可單獨(dú)運(yùn)行，也可與其他處理設(shè)備結(jié)合應(yīng)用于各種分離過程中。超濾已成為蛋白和酶純化和濃縮的高效過程。超濾濃縮的優(yōu)點(diǎn)是無相變、一般不需加熱、工序簡(jiǎn)單、適用 pH 范圍寬和防止失活等，很適用于熱敏性物質(zhì)的分離濃縮。3）微濾微濾（MF）是一種與常規(guī)的粗濾十分相似的膜過程。微孔濾膜具有比較整齊、均勻的多孔結(jié)構(gòu)，孔徑范圍 ，使過濾從一般只有比較粗造的相對(duì)性質(zhì)過度到精密的絕對(duì)性質(zhì)，主要用于對(duì)懸浮液和乳液進(jìn)行截留。a. 微濾原理微濾又稱為精過濾，其基本原理屬于篩網(wǎng)狀過濾，在靜壓差作用下，小于膜孔的粒子通過濾膜，大于膜孔的粒子則被截留到膜表面，使大小不同的組分得以分離，操作壓力為 。除此以外，還有膜表面層的吸附截留和架橋截留，以及膜內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)中截留。b. 微濾操作工藝微濾有兩種操作工藝：死端過濾在死端過濾時(shí)，溶劑和小于膜孔的溶質(zhì)在壓力驅(qū)動(dòng)下透過膜，大于膜孔的顆粒被截留，通常堆積在膜表面上。死端過濾是間隙式的，必須周期性地停下來清洗膜表面的污染層或更換膜。錯(cuò)流過濾 在泵的推動(dòng)下料液平行于膜面流動(dòng)，與死端過濾不同的是料液流經(jīng)膜面時(shí)產(chǎn)生的剪切力把膜表面上的滯留的顆粒帶走，從而使污染層保持在一個(gè)較薄的水平。c. 微濾膜 微濾膜屬于篩網(wǎng)狀過濾介質(zhì)，具有形態(tài)整齊的結(jié)構(gòu)，使所有比網(wǎng)孔大的粒子全３４ / 68部攔截在膜表面上。 目前市場(chǎng)上的微孔濾膜的材質(zhì)可分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)材質(zhì)主要是聚合物，常通過相轉(zhuǎn)化、拉伸、燒結(jié)、徑跡刻蝕等方法制備。d. 微濾膜的應(yīng)用 微濾是所有膜過程中應(yīng)用最普遍、銷售額最大的一項(xiàng)技術(shù)。工業(yè)上，微濾主要用于將大于 的粒子與溶液分開的場(chǎng)合，它的最大市場(chǎng)是制藥行業(yè)的除菌過濾和電子工業(yè)用高純水的制備。其最新的應(yīng)用領(lǐng)域是生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域技術(shù)。4）滲析 滲析；也是透析，是溶質(zhì)自身濃度梯度作用下膜的上游傳下下游的過程。由于分子大小及溶解度不同，使得不同溶質(zhì)的擴(kuò)散速率不同，從而實(shí)現(xiàn)分離。a. 傳質(zhì)理論原料液和透析掖流向通常是逆向的，也可以是同向的。若溶劑與溶液中其他組分之間不存在耦合作用，則在滲透壓的作用下溶劑從低濃度側(cè)流向高濃度側(cè)；若原料液側(cè)壓力高于滲透壓側(cè)，則溶劑從原料液側(cè)流向滲透壓側(cè)。b. 滲析膜 透析主要用于從高分子量物質(zhì)中分離出低分子量組分，基于不同組分物化性質(zhì)和分子尺寸的差異，導(dǎo)致其在膜的擴(kuò)散速率不同而實(shí)現(xiàn)分離的。c. 滲析應(yīng)用 目前滲析最主要的用途是血液透析，即以透析膜代替腎除去尿素、肌酸酐、磷酸鹽和尿酸等有毒的低分子量組分，以緩解腎衰竭和尿毒病患者的病情。5）電滲析 電滲析是在直流電場(chǎng)作用下，以電位差為推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來，從而實(shí)現(xiàn)溶液的濃縮、淡化、精制和提純。a. 電滲析的基本原理 在陰極和陽極之間交替排列一系列陰離子交換膜和陽離子交換膜。陰離子交換膜能使陰離子透過，陽離子交換膜能使陽離子透過。b. 離子交換膜 目前離子交換膜的種類很多，常用的膜按功能分有陰離子交換膜和陽離子交換３５ / 68膜。 強(qiáng)酸性陽膜 陽離子交換膜 中等酸性陽膜 弱酸性陽膜 強(qiáng)堿性陰膜陰離子交換膜 中等堿性陰膜 c. 電滲析的應(yīng)用 目前電滲析已是一種相當(dāng)成熟的膜分離技術(shù)，主要用途是苦咸水淡化、生產(chǎn)飲用水、濃縮海水制鹽以及體系中脫除電解質(zhì)。 第三節(jié) 膜組件 工業(yè)應(yīng)用中通常需要較大面積的膜。安裝膜的最小單元稱為膜組件。膜組件的設(shè)計(jì)有很多種形式，它們均根據(jù)兩種膜結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)：平板膜和管式膜。板框式和卷式膜組件使用平板膜，管式、毛細(xì)管式和中空纖維膜組件均使用管式膜。1. 板框式膜組件板框式膜組件的突出優(yōu)點(diǎn)是操作靈活，其主要特點(diǎn)有：1）組裝簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，對(duì)壓力變動(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的可靠性較大；2）可以簡(jiǎn)單的增加膜的層數(shù)實(shí)現(xiàn)增大處理量；3）每?jī)善ぶg的滲透物都是被單獨(dú)引出來的，可以通過關(guān)閉個(gè)別膜來消除操作中的故障，而不必使整個(gè)組件停止運(yùn)行。板框式膜組件可用于反滲透、超濾和滲透汽化過程。在不同的過程中，組件的具體設(shè)計(jì)也不相同。2. 卷式膜組件 卷式膜組件是目前反滲透、超濾及氣體分離過程中最重要的膜組件形式，也有少量用于滲透汽化過程。弱堿性陰膜３６ / 68 對(duì)于不同的處理對(duì)象，可對(duì)卷式膜組件的結(jié)構(gòu)作相應(yīng)的改進(jìn)。3. 管式膜組件 管式膜組件是由園管式的膜及膜的支撐構(gòu)成。由于膜本身的強(qiáng)度不夠，因此在壓力下工作時(shí)需要具有良好透水性能和高強(qiáng)度的材料支撐。 管式膜的流道較大，對(duì)料液中雜質(zhì)含量的要求不高，可用于處理高固含量的料液。膜面的清洗不僅可以用化學(xué)方法，而且也可以用海綿球之類的機(jī)械清洗方法。4. 毛細(xì)管膜組件 毛細(xì)管膜組件的結(jié)構(gòu)類似于管式膜。由于膜的孔徑較小（），能承受高壓，所以不用支撐管。毛細(xì)管膜組件裝填密度較大，制造費(fèi)用較低，但壓縮強(qiáng)度較小，在多數(shù)情況下料液的流動(dòng)為層流。目前用于超濾、滲析、滲透汽化過程以及某些氣體滲透過程。5. 中空纖維膜組件中空纖維膜組件與毛細(xì)管膜組件的形式相同，差別在于膜的規(guī)格不同。通常中空纖維的外徑約 40250um，外徑與內(nèi)徑之比為 24。 中空纖維最主要的優(yōu)點(diǎn)是裝填密度很高，可達(dá) 1600030000m2/m 對(duì)反滲透、氣體分離、膜接觸器、液膜等單位面積滲透通量很小的過程是非常有利的。第七章 廢水生物處理技術(shù)第一節(jié) 概論生物處理的目的是去除有機(jī)物植物性營(yíng)養(yǎng)物以及通過生物絮凝去除膠體，同時(shí)也可以獲得能量和產(chǎn)品。其主要機(jī)理是微生物代謝。生物處理工藝廣泛應(yīng)用于城市污水和各類有機(jī)工業(yè)廢水處理。按照微生物對(duì)氧的需求，生物法分為好氧、厭氧（含缺氧）兩類；按微生物生長(zhǎng)方式分為懸浮生長(zhǎng)、固著生長(zhǎng)、混合生長(zhǎng) 3 類。還可以按照操作條件和用途分類。常用的好氧生物處理工藝包括：普通活性污泥法、氧化溝、間歇式活性污泥法、生物接觸氧化法、生物轉(zhuǎn)盤以及曝氣生物濾池等。常用的厭氧生物處理工藝包括：水解酸化池、普通厭氧消化池、厭氧接觸法、厭３７ / 68氧濾池、升流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）、厭氧流化床以及 EGSB 反應(yīng)器、IC反應(yīng)器等。通常在廢水處理工程實(shí)踐中，往往是將厭氧、缺氧、好氧工藝進(jìn)行合理組合，以彌補(bǔ)不同處理方法的缺陷，達(dá)到理想的處理效果。A/O 脫氮工藝、A/A/O 同步脫氮除磷工藝等都是多種處理方法相結(jié)合的組合工藝。第二節(jié) 生物脫氮工藝廢水中的氮主要以氨氮和有機(jī)氮形式存在，通常不含或僅含有少量的亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮。在未經(jīng)處理的廢水中，氮有可溶性的或顆粒狀的?？扇苄杂袡C(jī)氮主要以尿素和氨基酸的形式存在。一部份顆粒性有機(jī)氮在初沉池中可以去除。在生物處理過程中，大部分顆粒性有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成氨氮和其它無機(jī)氮?；钚晕勰喾ǎˋ/O 工藝）是生物脫氮的主要形式。生物脫氮主要是靠一些專性細(xì)菌實(shí)現(xiàn)氮的形態(tài)轉(zhuǎn)化，最終生成無害的氮?dú)?，從水體中脫出。工藝原理在氨化菌的作用下，有機(jī)氮化合物分解，轉(zhuǎn)化為 NH3N，以氨基酸為例，其反應(yīng)式為：RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO 2+NH3生物硝化作用是利用化能自養(yǎng)微生物將氨氮氧化成硝酸鹽的一種生化反應(yīng)過程。硝化作用由兩類化能自養(yǎng)細(xì)菌參與，亞硝化單胞菌首先將氨氮 NH3N 氧化成亞硝酸鹽 NO2N，硝化桿菌再將 NO2N 氧化成穩(wěn)定狀態(tài)的硝酸鹽 NO3N。后一反應(yīng)較快，一般不會(huì)造成 NO2—N 的積累。反應(yīng)過程如下：第一步，氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽：NH4++3/2O2→NO 2+2H++H2OΔE ΔE=第二步，亞硝酸鹽為硝酸鹽：NO2+1/2O2→NO 3+2H+ ΔE ΔE=這兩個(gè)過程都是釋放能量過程，亞硝酸鹽和硝酸菌就是利用這兩個(gè)過程釋放的能量來合成新細(xì)菌體和維持正常的生命活動(dòng)?？偡磻?yīng)式為：３８ / 68NH4++2O2→NO 3+2H++H2O ΔE ΔE=351kJ綜合氨氧化和細(xì)胞體合成反應(yīng)式如下：NH4+++→ 5H7O2N+++生物硝化工藝可去除廢水中的有機(jī)氮和氨氮，出水中的氮以硝酸鹽的形式存在，本工程中不僅要去除有機(jī)氮和氨氮還要去除硝酸鹽氮，因此必須在生物硝化工藝的基礎(chǔ)上采用生物反硝化工藝，即 A/O 工藝。生物反硝化系指污水中的硝酸鹽，在缺氧條件下，被微生物還原為氮?dú)獾纳磻?yīng)過程，參與這一生化反應(yīng)的微生物是反硝化細(xì)菌，這是一類大量存在于活性污泥中的兼性異養(yǎng)菌，如產(chǎn)堿桿菌、假單胞菌等菌屬均能均能進(jìn)行生物反硝化。在有氧存在的好氧狀態(tài)下，反硝化菌能進(jìn)行好氧生物代謝，氧化分解有機(jī)污染物，去除BOD5；在無分子氧但存在硝酸鹽的條件下，反硝化細(xì)菌能利用 NO3中的氧（又稱為化合態(tài)或硝態(tài)氧），繼續(xù)分解代謝有機(jī)污染物，去除 BOD5，并同時(shí)將 NO3中的氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。反硝化過程分兩步進(jìn)行：第一步由硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，第二步由亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為一氧化氮、氧化二氮和氮?dú)猓篘O3→NO 2→NO→N 2O→N 2事實(shí)上這只是硝酸鹽還原的其中一個(gè)過程——異化過程。在異化過程的同時(shí)，還有一個(gè)同化過程，硝酸鹽轉(zhuǎn)化成氨氮用于細(xì)胞合成。在反硝化過程中要有含碳有機(jī)物作為該過程中的電子供體，碳源既可以是污水或細(xì)胞體內(nèi)碳源，也可以外部投加。以采用甲醇作為碳源，反應(yīng)過程如下：第一步： 6NO2+2CO2+4H2O第二步：6NO 2+3CH3OH→3N 2+3CO2+3H2O+6OH總反應(yīng)式為：6NO3+5CH3OH→5CO 2+3N2+7H2O+6OH典型的同化作用反應(yīng)如下：3NO2+14CH3OH+CO2+3H+→3C 5H7O2N+19H2O同化作用和異化作用綜合反應(yīng)式為：NO2++CO2+H+→ 5H7O2N+++３９ / 68第三節(jié) MBR 工藝一、原理MBR（膜生物反應(yīng)器）工藝的工作原理：首先通過活性污泥來去除水中可生物降解的有機(jī)污染物，然后采用膜將凈化后的水和活性污泥進(jìn)行固液分離。中空絲膜的孔徑在 左右，能夠截留住活性污泥以及絕大多數(shù)的懸浮物，取得清澈的出水。為了使得膜能夠連續(xù)長(zhǎng)期穩(wěn)定的使用，在中空絲膜的下方以一定強(qiáng)度的空氣不斷對(duì)膜進(jìn)行抖動(dòng)，既起到為生物氧化供氧作用，又防止活性污泥附著在膜