压力式膜与浸没式膜地比较.docx

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压力式膜与浸没式膜地比较

压力式膜与浸没式膜在污水深度处理方面的比较

1膜分离技术简介

膜分离是在20世纪初出现，60年代后迅速崛起的一门分离新技术。

膜分离技术由于兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此，目前已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。

膜分离过程按过滤精度划分，可分为微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO），见下图。

图1.1过滤图谱

采用膜过滤技术与传统的方法具有更多的优势：

1）设备占地面积小，土建费用低，仅为传统方法的1/3～1/2，特别适合于用地面积有限的工艺扩容；

2）运行费用低，耗能少；

3）出水水质好，出水水质稳定。

本工程采用超滤膜组件，故下文着重对超滤膜展开介绍。

1.1超滤膜的发展历程

超滤膜的发展历程见下图。

图1.2超滤膜发展里程碑

1.2超滤膜的分类

（1）按材质分类

制作超滤膜的材料很多，目前已商品化且较常用的有十几种材料，处于实验室阶段的则更多，但总体上可将其分为有机高分子材料和无机材料两大类。

图1.3制膜材料分类

目前市场上的主流超滤膜一般采用高分子材料制成。

用于制备超滤膜的有机高分子材料主要来自两个方面：

一方面，由天然高分子材料改性面得，例如纤维素衍生物类、壳聚糖等：

另一方面，由有机单体经过高分子聚合反应而制备的合成高分子材料，这种材料品种多、应用广，主要有聚砜类、乙烯类聚合物、含氟材料类等。

1）纤维素衍生物类

纤维素是资源最为丰富的天然高分子，但由于其分子量很大，在分解温度前无熔点，且不溶于通常的溶剂，无法加工成膜，必须进行化学改性。

生成纤维素酯或醚才能溶解加工，其中最常用的纤维素衍生物有醋酸纤维素（CA）、三醋酸纤维素（CTA）等。

该类物质的亲水性好、成孔性好、材料来源广、成本低，但由此类材料制作的超滤膜耐酸碱性能差，耐酮、酯等有机溶剂的能力差，应用受到一定的影响。

醋酸纤维素是白色粒状、粉状或棉花状固体。

三醋酸纤维素较二醋酸纤维素强韧，拉伸强度几乎大1倍，抗压强度较大，耐热性能也有所提高。

二醋酸纤维素溶于浓盐酸和丙酮，而三醋酸纤维素则不溶，仅溶于二氯甲烷和氯仿，但三醋酸纤维素不溶于二氯甲烷及氯仿。

上述纤维素经过化学改性可溶于丙酮、乙酸甲酯、乙二醇单甲醚等有机溶剂，但其最大缺点是压密性差，在高压长时间作用下，易发生蠕变而导致膜孔变小，使通量不可逆地下降。

此外，一些混合纤维素也可用于制作超滤膜，如二醋酸纤维素与硝酸纤维素的混合纤维素等。

2）聚砜类

聚砜类是分子主链上含有聚合物。

由于结构中的硫原子处于最高的价态。

加上邻近苯环的存在，使这类聚合物有良好的化学稳定性，可耐酸、碱的腐蚀。

应用于超滤膜中的主要品种有双酚A型聚砜（PSF）及其磺化产物（SPSF）、聚醚砜（PES）、聚砜酰胺（PSA）等。

a）双酚A型聚砜（PSF）

聚砜耐化学药品性优良，除了强极性溶剂、浓硫强、浓硝酸外，对一般的酸、碱、盐、醇、脂肪烃等化学试剂稳定。

它溶于氯代烃如二氯甲烷、二氯乙烷及芳烃等，并在酮类和酯类中发生溶胀、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）等极性溶剂。

聚砜的缺点是耐候性、耐紫外线较差。

耐有机溶剂也不太好；不宜在沸水中长期使用。

聚砜机械性能优良，尺寸稳定，具有突出的抗蠕变性，抗张强度为58—83MPa。

此外，双酚A型聚砜经过磁化反应可使其主链的苯环上带有磺酸基团，从而可得到荷电膜。

也可制得小孔径的耐酸碱的超滤膜。

b）聚醚砜（聚芳醚砜，PES）

在聚醚砜大分子结构中只有—SO2—、醚键和苯环骨架，没有—C—C—链，也不含有刚性极大的联苯结构，因此它的耐热性和加工性能均较好，可在180~200℃环境下长期使用；耐老化性能也优异，在180℃使用寿命可达20年；高温下抗蠕变性能极好。

制品透明，尺寸稳定，耐燃性好，即使燃烧也不发烟。

耐化学药品性、稳定性类似于聚砜，除了浓硫酸、浓硝酸、强极性溶剂外，不受一般化学试剂侵蚀，如对一般酸、油脂、脂肪烃、醚类等稳定。

耐蒸汽和过热水（150~160℃）性能好，PES膜可在140℃下连续使用，可经多次蒸汽消毒，但耐紫外线性能较差。

拉伸强度为85MPa，玻璃化转变温度为225℃。

在聚醚矾中引入SO3-基团可制得磺化聚醚砜（SPES），改善了材料的亲水性。

3）聚砜酰胺（PSA）

具有优良的耐热、耐酸碱和抗氧化性。

其结构中的砜基为材料提供了良好的抗氧化性；酰胺基团则增加了分子链之间的作用力，使其机械性能得到提高。

因而它兼具了聚砜和聚酰胺两者的特性。

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）等溶剂。

由于在PSA主链结构中含有酰胺基团，因此也可以将其归为聚酰胺（PA，尼龙）类材料。

其他常用的聚酞胺类聚合物还有聚己内酰胺（PA6，尼龙6）、聚己二酰己二胺（PA66，尼龙66）和芳香族聚酷胺等。

3）乙烯类聚合物

a）聚丙烯腈（PAN）

聚丙烯腈最主要的应用领域是合成纤维工业，它的产量居合成纤维的第三位，俗称“腈纶”。

作为超滤膜材料其仅次于醋酸纤维素类和聚砜。

聚丙烯腈因生产所用共聚物组成不同、溶剂路线等不同其性质有较大的差别。

在150℃热处理时，机械性质变化不大，具有优良的耐光和耐气候性，拉伸强度为55~62MPa，玻璃化转变温度为95℃。

聚丙烯腈不溶于醇、醚、酯、酮及油类等常用溶剂，但耐碱性稍差，用稀碱处理会变黄，用浓碱处理会遭破坏，可溶于二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基乙酰胺（DMAC）、失水苹果酸酐等溶剂中，耐非极性有机溶剂。

（a）剖面（b）表面

图1.4聚丙烯腈膜电镜图

b）聚氯乙烯（PVC）

聚氯乙烯（PVC）是产量仅次子聚乙烯（PE）的第二大通用合成树脂，具有价格低廉、难燃、生产工艺成熟、耐微生物侵蚀、耐酸碱、化学稳定性好、优良的电绝缘性能和较高的机械强度等优点。

缺点是热稳定性较差、受热易引起不同程度的降解。

c）聚丙烯（PP）

聚丙烯也是一种产量较大的通用型树脂，应用于超滤膜领域的聚丙烯主要是中空纤维的形式。

聚丙烯在空间结构上存在三种不同的异构体．即全同立构（等规立构）、间同立构和无规立构。

等规度越高的聚丙烯其性能越好，无规立构的聚丙烯性能最差，一般不单独使用。

等规聚丙烯是一种高度结晶热塑性树脂，白色、无味、无臭、相对密度小。

它具有优良的耐热性、化学稳定性、加工性、电性能和机械性能。

它的熔点是176℃，连续使用温度l07-121℃，在不承载情况下使用湿度上限可达150℃。

它与大多数介质（强氧化剂除外）均不起作用。

聚丙烯的性能与其等规度密切相关，等规度越高其结晶度、密度力学强度超高。

拉伸强度约为30MPa，玻璃化转变湿度为-20℃。

4）含氟材料类

含氟材料是指由含氟原子的单体经过均聚或共聚得到的有机高分子材料。

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的化学惰性极强，没有良溶剂，因而在超滤膜上的应用不多。

PVDF由于第原子分布的不对称性使其可溶于多种溶剂，为制备不对称膜创造了条件。

聚偏氟乙烯是一种白色粉末状结晶性聚合物，玻璃化温度-39℃，脆化温度-62℃以下，结晶熔点180℃，热分解温度350℃，长期使用温度-40—150℃，可经受138℃的蒸汽消毒。

从熔点到分解温度的加工温度范围宽，容易加工，可采用一般热塑性塑料的成型方法加工。

室温下的拉伸强度达53.9MPa，冲击强度好，韧性好，硬度大，耐磨性好，抗蠕变性也是氟树脂中最优者之一。

聚偏氟乙烯具有突出的抗紫外线和耐气候老化特性，其耐辐照性能亦较突出，电性能优异，具有压电性和热电性。

聚偏氟乙烯的化学稳定性能良好，在室温下不被酸、碱、强氧化剂和卤素所腐蚀，脂肪烃、芳香烃、醇、醛等有机溶剂对它也无影响，只有发烟硫酸、强碱、酮、醚等少数化学药品能使其溶胀或部分溶解，可溶于二甲基甲酰胺（DM）、二甲基乙酰胺和二甲基亚砜等强极性有机溶剂。

缺点是膜的强度、耐压性较差。

（a）剖面（b）表面

图1.5PVDF膜电镜图

综合来看，超滤膜的材质分类如下表所示。

表1.1部分主流超滤膜材质一览表

序号

材质

英文缩写

1

聚砜

PS

2

聚氯乙烯

PVC

3

聚丙烯腈

PAN

4

聚丙烯

PP

5

聚醚砜

PES

6

聚偏氟乙烯

PVDF

7

聚四氟乙烯

PTFE

8

陶瓷膜（二氧化锆）

（注：

上表按一般市场价格由低到高排名）

（2）按系统型式分类

目前超滤膜处理饮用水技术使用在国内外已经越来越普遍，按照膜系统型式不同可分为压力膜与浸没式膜两类。

压力膜：

将大量的中空纤维膜丝装入一圆柱形压力容器中，纤维束的开口端用环氧树脂浇筑成管板，配备相应的连接件（包括进水端、透过液端和浓缩水端）即形成标准膜组件，通过不同数量的压力式膜组件并联或串联即组成膜系统。

压力式膜系统根据压力方向的不同又分为外压式和内压式两大类。

浸没式膜：

浸没式膜组件包括固定在垂直或水平框架上的中空纤维膜、设在框架顶部和底部的透过液集水管。

几个或几十个膜组件通过两个硬直角管将其集水管相连接，同时将它们位置固定，形成一个膜箱。

与传统的压力式膜相反，浸没式膜是在较低的负压状态下运行使用，利用虹吸或泵抽吸方式将水由外向内进行负压抽滤，实现低膜压差。

1.3超滤膜的主要供应商

经过多年发展，超滤膜在国内外的应用已十分广泛，其中在国内市场，比较知名和占据主要市场份额的膜供应商见下表所示。

表1.2国内市场部分膜供应商一览表（排名不分先后）

序号

供应商简称

主推膜材质

所属国家

备注

1

三菱

PE

日本

2

东丽

PVDF

日本

3

旭化成

PVDF

日本

4

诺芮特（Norit）

PES

荷兰

5

海德能

PES

荷兰

6

得力满/Aquasource

CA

法国

7

滢格（Inge）

PES

德国

8

INT

PES

荷兰

9

欧科

PES

中国大连

10

西门子/USFilter

PE/PD/PVDF

德国

11

陶氏/欧美环境OMEXL

PVDF

美国

12

立升

PVC合金

中国深圳/海南

13

天津膜天

PVDF

中国天津

14

科氏（KOCH）

PS

美国

15

GE/ZENON

PVDF

美国

16

凯发

PES

新加坡

17

招金膜天

PS/PVDF

中国山东

18

苏州膜华

热法PVDF

中国苏州

19

江苏久吾

陶瓷（二氧化锆）

中国江苏

20

美能

PVDF

新加坡

21

碧水源

PVDF

中国北京

2浸没式膜与外压式膜方案比较

浸没式膜与压力式膜在性能方面的比较见下表：

表2.1压力式膜与浸没式膜的比较

压力式膜

浸没式膜

系统

密闭式系统设计

开放式系统设计

过滤方式

内压或外压式设计，直流和错流式过滤

外压式设计，直流式过滤

膜通量

一般为40-60L/h·m2

一般为10-40L/h·m2

膜材料

PES,PS,PVDF,PVC

PVDF,PVC

预处理要求

单根膜组件装填密度高，适用于水质较好的来水或与预处理工段结合

单根膜组件装填密度中等，适用于水质波动较大的来水

操作压力

采用压力过滤，可通过压力调节应对工艺波动或进水水质、水温变化等，一般控制跨膜压差<0.3MPa，能耗较高

采用虹吸或低压真空抽吸，一般为0.02-0.03MPa，能耗较低

污堵情况

污染物易堆积在膜元件封装端，不采用气擦冲洗时，较易发生膜堵塞

敞开式开发系统，鼓风气体擦洗，膜堵塞相对较轻

膜寿命与断丝率

视不同膜材料和制造方法确定，相对机械疲劳较少，断丝率较低，膜寿命一般

视不同膜材料和制造方法确定，由于采用强度较高的空气擦洗，断丝率相对较高，膜寿命一般

安装方式

安装在密封的压力容器内，由连接件及阀门连接

安装在开放的土建池或金属池内，由连接件及阀门连接

设备构成

过滤器、膜架、膜壳等膜组件，进水泵，反冲洗泵，清洗系统等

相对设备较少，系统更简洁

膜堆等膜组件，产水抽洗泵，反冲洗泵，擦洗风机，真空系统，排水系统，清洗系统等

相对设备较多

操作环境

卫生条件感官状况好，密闭系统，操作环境无化学品气味，操作条件好

敞开式系统，悬浮物和泡沫等易聚集在膜池表面，感官状况不佳，操作人员有暴露在酸、碱等有害物质的可能性，操作环境相对较差

根据上述分析与比较，压力式膜与浸没式膜在国内外都有广泛的使用，均有各自优缺点。

国内类似工程主要采用的膜为外压式和浸没式超滤膜两种。

本工程对这两种膜系统进行了方案设计如下：

2.1浸没式膜方案

新建超滤车间1座，土建规模10×104m3/d。

设备规模按照一阶段2.5×104m3/d设计。

1、总体布置

超滤车间尺寸57.2×33.5m，层高5m（附属设备间局部10m）。

膜池12座，单格膜池尺寸8.4×4.2m，有效水深3.6m。

一阶段启用3座。

2、主要设备

1）膜组件

数量：

15套，每个膜池5套

参数：

单套产水量Q=70m3/h

膜通量33.1L/h·m2

平均孔径：

0.02μm

跨膜压差（TMP）：

0~-50KPa

PH运行范围：

1~10

工作温度：

5～45℃

膜使用寿命：

5～8年

2）产水泵

数量：

4套，3用1备

参数：

Q=416m3/h，H=10m，N=18.5kW

3）抽真空系统（1套）

液环真空泵，

数量：

2台（1用1备）

规格：

Q=165m3/h，最大真空度84%

功率：

4kW

真空罐

数量：

1台

规格：

V=1m3，φ800×2400mm

工作压力：

1.0MPa

气水分离罐

数量：

1台

规格：

V=0.12m3，φ500×780mm

4）反洗水泵

数量：

2台，1用1备

参数：

Q=416m3/h，H=10m，N=18.5kW

5）膜擦洗风机

数量：

3套，2用1备

参数：

Q=32m3/min，H=44.1kPa，N=37kW

6）清洗装置

主要设计参数：

维护性清洗频率：

1~7天进行一次（根据水质）

恢复性清洗频率：

1~2月进行一次

主要设备参数：

化学清洗泵

类型：

卧式离心泵

数量：

2台（1用1备，变频）

参数：

Q=254m3/h，H=10m，N=11kW

次氯酸钠反洗加药泵

类型：

机械隔膜泵

数量：

3台（2用1备）

参数：

Q=1800L/h，H=50m，N=1.5kW

次氯酸钠膜池加药泵

类型：

化工磁力泵

数量：

2台（1用1备）

参数：

Q=16m3/h，H=20m，N=4kW

次氯酸钠储罐

数量：

2个

容积：

15m3

材质：

PE

柠檬酸加药泵

类型：

机械隔膜泵

数量：

3台（2用1备）

参数：

Q=17m3/h，H=20m，N=4kW

柠檬酸储罐

数量：

1个

容积：

10m3

材质：

PE

柠檬酸化料器

数量：

1套

规格：

200kg/次，V=400L

功率：

0.55kW

7）中和单元

主要设计参数：

中和药剂：

30%氢氧化钠溶液或30%硫代硫酸钠溶液

主要设备参数：

反洗排水泵

类型：

自吸泵

数量：

2台（1用1备）

参数：

Q=300m3/h，H=7m，N=11kW

中和池排水泵

类型：

自吸泵

数量：

2台（1用1备）

参数：

Q=130m3/h，H=10m，N=15kW

氢氧化钠加药泵

类型：

化工磁力泵

数量：

2台（1用1备）

参数：

Q=11m3/h，H=20m，N=2.2kW

氢氧化钠储罐

数量：

1个

容积：

15m3

材质：

PE

硫代硫酸钠加药泵

类型：

化工磁力泵

数量：

2台（1用1备）

参数：

Q=4.5m3/h，H=20m，N=1.1kW

硫代硫酸钠储罐

数量：

1个

容积：

5m3

材质：

PE

2.2外压式膜方案

新建超滤车间1座，土建规模10×104m3/d。

设备规模按照一阶段2.5×104m3/d设计。

1、总体布置

超滤车间尺寸45×30m，层高8m。

设置超滤系统的全套设备，包括预过滤单元，超滤（UF）提升泵组、超滤膜组件、膜壳压力容器、膜架、UF反洗泵、UF化学反洗（CEB）单元等。

具体各单元组建数量及工艺参数如下：

2、主要设备

（1）预过滤装置单元

类型：

自清洗过滤器

数量：

8套

参数：

100μm

（2）超滤产水泵

类型：

卧式离心泵

数量：

8台，6用2备，变频控制

参数：

Q=180m3/h，H=22m，N=22KW

（3）超滤膜组件

类型：

PVDF中空纤维膜

数量：

6套

参数：

单套产水量Q=175m3/h

膜通量45L/h·m2

平均孔径：

0.025μm

工作压力：

100~300kPa

跨膜压差（TMP）：

50~100kPa

PH运行范围：

1~10

工作温度：

5～45℃

膜使用寿命：

5～8年

（5）超滤反冲洗泵

类型：

卧式离心泵

数量：

2台，1用1备，变频控制

参数：

Q=600m3/h，H=23m，N=55KW

（6）化学清洗单元

①次氯酸钠储罐

数量：

2个

容积：

15m3

材质：

PE

②次氯酸钠加药泵

类型：

机械隔膜泵

数量：

3台（2用1备）

参数：

Q=1000L/h，H=70m，N=1.5kW

③盐酸储罐

数量：

1个

容积：

10m3

材质：

PE

④盐酸加药泵

类型：

机械隔膜泵

数量：

2台（1用1备）

参数：

Q=1000L/h，H=70m，N=1.5kW

⑤氢氧化钠储罐

数量：

1个

容积：

15m3

材质：

PE

⑥氢氧化钠加药泵

类型：

机械隔膜泵

数量：

2台（1用1备）

参数：

Q=1000L/h，H=70m，N=1.5kW

2.3方案经济比较

一、投资分析

表2.2浸没式膜投资总表

序号

工程或费用名称

估算金额（万元）

技术经济指标

建筑工程

安装工程

设备及工

器具购置

其他费用

合计

单位

数量

单位价值

备注

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

工程费用

超滤车间

土建

383.24

383.24

m2

1916

2000

膜池

土建

162.40

162.40

m3

4060

400

配件

62.50

62.50

设备

37.50

1250.00

1287.50

合计

545.64

100.00

1250.00

0.00

1895.64

表2.3外压式膜投资总表

序号

工程或费用名称

估算金额（万元）

技术经济指标

建筑工程

安装工程

设备及工

器具购置

其他费用

合计

单位

数量

单位价值

备注

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

工程费用

超滤车间

土建

283.50

283.50

m2

1350

2100

配件

39.00

39.00

设备

26.00

1300.00

1326.00

合计

283.50

65.00

1300.00

0.00

1648.50

二、成本分析

表2.4浸没式膜成本费用表

序号

名称

全年用量

单价

年费用（万元）

日处理水量（万m3/d）

吨水成本（元/m3）

1

动力费

44.26

万kwh

0.72

kwh/元

31.87

2.5

0.035

2

药剂费

次氯酸钠

218.51

吨

1800

元/吨

39.33

2.5

0.043

柠檬酸

75.98

吨

4300

元/吨

32.67

2.5

0.036

硫代硫酸钠

36.26

吨

2000

元/吨

7.25

2.5

0.008

氢氧化钠

47.49

吨

2000

元/吨

9.50

2.5

0.010

小计

88.75

2.5

0.097

3

能耗+药耗

120.62

2.5

0.132

4

膜更换费

45.63

2.5

0.05

5

折旧费

79.62

2.5

0.087

6

合计

245.86

2.5

0.269

表2.5压力式膜成本费用表

序号

名称

全年用量

单价

年费用（万元）

日处理水量（万m3/d）

吨水成本（元/m3）

1

动力费

106.43

万kwh

0.72

kwh/元

76.63

2.5

0.084

2

药剂费

次氯酸钠

174.81

吨

1800

元/吨

31.47

2.5

0.034

盐酸

60.78

吨

500

元/吨

3.04

2.5

0.003

氢氧化钠

33.31

吨

2000

元/吨

6.66

2.5

0.007

小计

41.17

2.5

0.045

3

能耗+药耗

117.80

2.5

0.129

4

膜更换费

62.50

2.5

0.068

5

折旧费

69.24

2.5

0.076

6

合计

249.53

2.5

0.273