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美国原装进口膜元件 陶氏 FILMTEC 膜元件 ? FilmTec 公司是陶氏化学公司的全资子公司 -

249 - 第10 部分 应用技术文献 10-1 赢得膜污染挑战的胜利 1.

前言以聚酰胺作分离功能层的超薄复合反渗透膜已经迅速地促进了反渗透技术的发展,成为水净化技 术中非常经济有效的一个化工单元操作.结构紧凑的卷式膜元件已经历了革新性的发展,膜元件(组件)的产水量也得到大幅度地提高.由于反渗透技术得到广泛接收,拓宽了膜在各种领域的应用,包 括在处理富含微生物水源上的应用.许多从事膜微生物表面污染的研究人员认为:生物膜形成起源于 元件膜表面对生物物质的分子吸附,已经证明与下列的关键参数有关 ? 原水的水源和细菌的种类 ? 膜表面 ? 膜化学 ? 水中的营养物质 ? 预处理方式 ? 各种无机颗粒 ? 操作参数,如进水压力、通量、回收率和温度 ? 其他特殊现场条件 生物污染对反渗透(元件)的影响如下: ? 膜通量降低或损失,导致产水量下降 ? 压差增加引起能耗增加 ? 化学清洗频繁引起操作成本增加 ? 降产水水质降低 ? 膜元件的使用寿命缩短 2. 生物膜在超薄反渗透复合膜表面和元件其他部位形成综述 前蒙大拿州立大学教授 William G.Characklis 描述过微生物污染是不希望的微生物累积沉淀于膜表面 的结果.生 物污染膜是由活的或死的微生物的有机体组成,并且包裹在微生物自身产生的聚合物内, 这些有机体为微生物分泌的多糖物质(多糖的衍生物). 原水中的细菌种类(菌株)和数量(浓度以 CFU/mL 表示)取决于水源.世界上的反渗透系统通常 使用的水源为地表水、井水、海水、水库水及废水.本文不是罗列或描述各种细菌繁殖而形成生物污 染膜的文献,通过研究文献资料可知,细菌的种类、活细菌和死细菌的含量,营养物质含量和水温 等,所有这些因素对生物污染的形成均有重要的影响.研究表明大多数含多聚糖衍生物的微生物利用 碳氢化合物作为其碳源和能源,利用铵盐或氨基酸作为其氮源.根据这一事实,有些膜的化学组成在 适宜的条件下有时会促进 RO 膜表面生物污染膜的形成.分析受微生物污染的 RO 膜元件表明:膜表面 或进水网格材料上存在粘泥层,因而在进水网格材料上累积微生物污染的现象,提醒人们提出了几何 形状对微生污染物的聚集有重要影响的假设. 自1995 年下半年起,进行 RO 膜生产和工艺开发的同时,陶氏公司在聚合物化学、微生物学、分 析化学领域的研究专家,会同 FilmTec 公司膜科学家,形成了膜抗污染发展评估方法,以各自的角度和 方法了解生物污染.这些工作和已发表的文献表明:要开发一种性能优异的、比标准膜使用寿命长的 抗污染的膜,必须考虑以下方面: ? 如何减少蛋白分泌物质的吸附? 技术事实 陶氏 FILMTEC?膜元件 >

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250 - ? 如何降低由范德华力和静电吸引力(即ξ电位)引起的结合能? ? 如何在 0.2 微米厚的聚酰胺复合膜分离层上保持聚合物化学均一性? ? 如何延缓生物污染膜的形成? ? 如何确定合适的操作规范进行受污染的膜元件的化学清洗? ? 如何最好地发挥采用抗污染膜元件与有效的控制生物滋生手段相结合所产生的协同优势? 为实现上述目标,美国陶氏化学公司开发了针对 FT30 膜化学的专利膜改性方法,增强了膜元件的 抗污染能力. 美国橘子县水利局的 Harry F. Ridgway 博士,作为一名开展二次和三次废水净化回用的开拓者,经 过多年的努力已经探明了微生物吸附的复杂机理及其在醋酸纤维与聚酰胺复合反渗透膜上的生物污 染.大量的 FILMTEC?平板膜膜片作为他研究许多特殊微生物菌株在标准聚酰胺膜和抗污染聚酰胺膜 上吸附的研究对象.Ridgway 博士广泛的研究工作,发表的许多研究论文,扫描电子显微镜 SEM 和原子 力扫描电子显微镜 AFM 的照片,让我们懂得了在制造抗污染膜方面什么是必须关注的. 3. 评定产品发展的性能验证 多年的研发工作包括:各种细菌在不同的预处理、环境和操作规程条件下与各种抗污染膜之间关 系的细致实验研究.然而,这样复杂的研究,必须有一个经济有效实用的技术方案来解决市场上的急 需.陶氏公司 FilmTec 的研发人员,在研究的早期阶段就部分跳过精确控制的实验室研究方式,直接针 对实际应用情况进行研究.通过与工程公司和最终用户的密切合作,我们选择了一些污染十分严重的 膜系统进行研究.这些地方的试验结果,与具有良好控制的抗污染元件的试验研究平行进行.总之, 在全球许多地表水和废水(二级和三级废水的再利用)现场进行了大量抗污染膜的试验. 由于工程公司和最终用户一开始就参与,使得陶氏公司 FilmTec 研发人员用经济、有效、创新的方 法加快了解决生物污染问题的速度.各地试验所得的结果已应用于抗污染膜技术开发之中.其他研究 包括:杀菌剂用于标准和抗污染的 FILMTEC 反渗透复合膜元件的有效性试验,以及在 RO 膜前采用 MF 和UF 的试验研究. 4. FILMTEC 抗污染膜性能的现场试验 在多段的 RO 系统中,生物污染首先影响第一段的膜元件.当第一段细菌繁殖后将消耗进水的营 养物质,这样就会抑制下游的污染. A) 产水量稳定为主要目的的系统 早期第一代的 FILMTEC 抗污染膜元件的最初应用源于美国德州的巨型石化厂.这里水污染十分严 重,水温在 10~32ο C,在进入反渗透之前必须先经过氯化、多介质过滤、树脂软化、保安过滤和脱 氯.自1992 年起发生的严重生物污染使得标准的聚酰胺 RO 膜元件每 2~3 周就需要进行清洗.频繁的 清洗增加了操作成本,致使这一按照 BOOM(建造、拥有、操作和维护)运作的项目,对工程公司来 说并没有什么经济上的吸引力.

1996 年上半年开始,FILMTEC 抗污染(FR)膜安装于一套标准 FILMTEC BW30-365 膜元件旁,两套 系统的设计流量和通量一样.应OEM 的要求,定期用非氧化性的杀菌剂杀菌控制细菌的生长.由于产 水量是极其重要的指标,因而在没有化学清洗前让系统运行在相当高的压降条件下.间断性的杀菌减 陶氏 FILMTEC?膜元件 >

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251 - 少了化学清洗的频率,FILMTEC FR 膜元件上生物污染膜形成和聚集的概率大大下降.稳定的压差保持 了115 天,超过了 OEM 设定的成功运行的标准.这套安装 FILMTEC FR 膜元件的大型系统目前仍在稳定 运行. B) 延长膜寿命为主要目的的系统 某大型炼油厂有许多套 RO 水处理系统,采用了传统的预处理,由非常敬业的技术人员进行操 作,但仍经历每

4 周就需要化学清洗.当每段压差达到 4.2bar(60psi)时,开始清洗.在此条件下要求 膜元件的使用寿命为三年.但结果是现场标准 RO 膜元件每

34 天就达到上述压差,不得不必须进行化 学清洗.

1997 年4月安装了 FILMTEC BW30-365FR1 膜元件,到1998 年8月上旬,只进行了两次化学清洗. 这个炼油厂决 定在所有系列上安装 FILMTECBW30-365FR1,系统总容量达到 1500gpm(340m3 /hr).为了 延长化学清洗之间的时间,RO 膜系统定期用非氧化性的杀菌剂进行灭菌. C) FILMTEC 抗污染膜和标准膜在加速生物污染试验中的比较

1998 年第一季度,第二代的抗污染膜开发成功,它增强了抵抗微生物在膜表面的吸附作用.吸附 被认为是膜元件表面生物污染膜形成的关键性的第一步. 为了对改进的膜进行评估,研发人员充分利用附近客户的便利条件,进行一周的短期的恶劣条件 下的加速试验.该客户的 RO 系统进水为间断性工艺废水和自来水的混合水源.工艺水源于已污染十 分严重的........