東麗最新膜技術在污水再生回用中的應用
在全球面臨水資源短缺，經濟發展將遭受嚴重威脅的情況下，膜技術的運用使污水的深度處理和再生技術得到不斷發展，這種膜法污水處理及再生技術已經成為舉世矚目的新型水資源循環應用技術之一。
常規的污水處理廠主要是以活性污泥法和沉淀池進行污水處理，它們已在世界范圍內被廣泛應用（見圖1）。然而，這種常規污水處理工藝的問題在于出水水質的SS 偏高，并且易發生污泥膨脹，不能保證出水水質的穩定。由于國家對污水處理回用的水質有嚴格的標準，所以生物處理過的污水不能被直接再利用，同時常規的污水處理廠還存在著維護困難和占地面積較大的問題。因此為了改善和提高污水處理的功效，利用膜生物反應器技術將污水生物處理技術與膜分離技術相結合，先用生化技術降解水中的有機物，然后利用膜技術過濾懸浮物和溶解性大分子物質，去除細菌和病毒，降低濁度，達到排放標準或回用標準。
東麗公司成功地開發了低污染反滲透膜和中空纖維超濾膜來進行污水再生處理，同時開發了浸沒式平板膜生物反應器（MBR）有效地進行污水的深度處理。應用自行開發的多種水處理膜產品，組合成二種有效的污水深度處理和再生技術。
1 超濾/微濾膜（UF/MF）與低污染反滲透膜（RO）組合的污水處理再生技術
我們將傳統的污水處理廠活性污泥生物處理法處理過的污水，再利用超濾或微濾膜來去除懸浮的固體，同時利用反滲透膜來去除溶解性有機物和離子,達到再生水的水質標準。此水處理再生系統如圖2所示。
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1.1 超濾/微濾（UF/MF）的特性
由于原水水質的惡化，為了去除水體中病原體和微粒物質，超濾/微濾膜必須經受高流速的沖擊，以及頻繁的物理和化學清洗。因此，超濾/微濾膜必須能承受高水流的沖擊，具有較高的物理強度和良好的抗化學侵蝕能力。為了達到這些必備的要求，我們一直進行新型膜的研究與開發，并且已經成功地發明了新型聚偏二氟乙烯(PVDF)中空纖維膜。它抗化學腐蝕性強，尤其對酸、氟和氧化物都有一定的抵抗能力；并具備高通量，高抗阻塞及非常好的物理強度。
東麗公司開發的PVDF 中空絲超濾膜具有以下特點：
（1） 膜材質具有良好的耐化學腐蝕性；
（2） 膜結構具有不對稱型微觀結構形態；
（3） 膜表面細孔徑的平均值為0.05 微米，且孔徑的分布相當密集。
為了測定膜性能，我們在恒溫恒壓條件下使用小膜元件來測量純水通量；在10 千帕的壓力下用儀器測量聚苯乙烯乳膠微粒排斥能力；并用紫外色譜儀（HITACHI U-3200）測量膜的進水和透過水的吸光度彌散狀況。對中空聚偏二氟乙烯的膜元件測定結果如下：
（1） 外部直徑與內部直徑比值（mm）：1.4/0.9；
（2） 純水通量（m3/m2/h，在50kPa，25℃）：1.5
（3） 0.05 微米聚苯乙烯乳膠微粒排斥率（％）：＞90％；
（4） 抗破損的延展性（％）：100；
（5） 抗破損的強度性（MPa）：12。
同時，這種中空聚偏二氟乙烯具有很強的耐腐蝕性，例如采用1000mg/L 的次氯酸鈉和5000mg/L 的過氧化氫溶液+二價鐵溶液(催化氧化)進行強化試驗，其結果表明即使在長時間的強氧化劑中浸泡后，在延展性和強度方面膜材質依然沒有改變。
1.2 低污染反滲透膜的特性
通過設計和研究，東麗公司開發的低污染反滲透膜已用于污水回用。這種低污染反滲透膜在使用過程中既能保持水滲透性，又能防止化學污染和生物污染。我們用一種非離子表面活性劑水溶性來測定膜的污染性。測試結果表明，低污染反滲透膜具有較小的透水率降低幅度，與最初的純水透過水通量相比，其比率為27%。而且操作穩定，化學清洗后，低污染反滲透膜表現出很強的透水率的恢復性能。
為了測定膜的抗菌性能，進行了膜對疏水細菌和其它的親水細菌的吸附性測試。一般的反滲透膜因疏水細菌被大量吸附到膜表面而導致反滲透膜的生物污染。在東麗公司的低污染反滲透膜的測試中，疏水細菌的吸附率非常低，低于普通反滲透膜的十分之一。
1.3 超濾（UF）＋低污染反滲透膜（RO）的處理工藝
由于新型的超濾（UF）和低污染反滲透膜組件的優越性能，在微污染水源水的凈化和市政污水回用處理項目上得到應用。在某污水廠的試驗運行期間，采用絮凝+膜過濾工藝，原水的濁度為1.61~10.93NTU，投加的絮凝劑聚鋁為5mg/L，超濾出水的濁度為0~0.45NTU，平均濁度僅為0.05NTU。在裝置運行的大部分時間里，出水濁度接近0。這是由于超濾膜的孔徑較小，僅為0.05μm，在投加少量絮凝劑情況下，超濾膜即可截留了水體中幾乎全部的膠體和懸浮顆粒物等。
有機物在原水中的種類繁多，其成分也非常復雜，TOC 是反映水體中有機物濃度的綜合指標，代表了水中有機物的總量。在超濾過程中，懸浮態有機物的去除主要依靠膜孔的篩濾作用，而溶解性有機物質的去除則主要通過在膜表面的沉積和吸附作用完成。在反滲透中，由于膜的孔徑很小，有機物基本上依靠膜的截留作用去除。試驗運行期間，原水中TOC 的含量為13.31-24.96mg/L，波動較大，結果超濾出水中TOC 的濃度也出現較大波動；反滲透出水中TOC 基本穩定，其去除率在90%以上。
在工藝設計過程中，為了去除細菌等微粒物質，超濾膜必須經受高流速的沖擊，以及頻繁的物理和化學清洗。我們用聚偏二氟乙烯制成的超大型中空絲膜組件進行預處理試驗，以進水通量1.5m/d，每20 分鐘反沖洗氣洗一次的方式運行。膜壓差非常穩定，而且過濾水質非常好。
為了驗證超濾膜（UF）處理水對反滲透膜的影響，直接用超濾膜來過濾二沉池出水，然后分別利用低污染反滲透膜和普通反滲透膜進行污水再生試驗。試驗的結果（見圖3），超濾膜過濾水通過普通反滲透膜時，由于受溶解性有機物及生物污染影響，運行一天后水滲透性下降到最初滲透性的60%。而低污染反滲透膜的滲透性下降要比普通反滲透膜小得多并且操作穩定。
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2 浸沒式平板膜生物反應器（MBR）和低污染反滲透膜相結合的污水再生回用技術
東麗公司開發的將浸沒式平板膜生物反應器（MBR）和低污染反滲透膜相結合建立的污水再生回用系統如圖4所示。首先是利用生物反應和新型的平板微濾膜分離技術，去除水中微小有機顆粒，并利用反滲透膜來進一步去除溶解的有機物和離子，達到污水再生回用標準。
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2.1 MBR膜組件的特性
在膜生物反應器系統的工藝設計過程中，平板膜的設計和制造是最重要的一步，因此要挑選合適的膜材料，并設計平板膜的微觀結構。為了具有較高的物理強度和良好的抗化學物質侵蝕的能力，選聚偏二氟乙烯作膜材質。
通過膜的孔徑大小分布特性測試，膜表面上孔的直徑小而均勻（見照片），這使得膜不僅可生產高質量的再生水，而且可以防止細孔的污堵。膜表面孔徑約為0.1 微米（見圖5）。純水通量是1.44m/h。另外，用聚苯乙烯乳膠測試微濾膜排斥性能，結果對于0.088 微米的微濾粒子排斥率大于90%。這表明幾乎所有的微粒物質都不能通過膜滲透出來。因此，東麗公司的平板膜不但孔徑小，而且孔徑分布集中，具有小孔和高水通量的特點。
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2.2 MBR+低污染反滲透膜（RO）的處理工藝
平板膜生物反應器（MBR）處理工藝的性能測試是在一家城市污水廠進行的。MBR系統在實際運行期間，反應器中的污泥濃度為10,000mg/L 左右，廢水中COD 濃度為236-812mg/L，MBR 處理出水的COD 濃度為24-40 mg/L ，COD 去除率達到90%以上。MBR 系統對COD 具有較好的處理效果。
另外，反滲透出水的水質也非常穩定，COD 去除率穩定在92%以上。由此可見，反滲透對于水體中的有機物具有良好的去除作用。反滲透膜的高效截留作用，去除了水體中絕大多數的有機物質，確保了出水水質的穩定。
膜生物反應器(MBR) 由于用膜分離來取代常規污水處理廠的沉淀池，避免因沉淀池的沉降分離效果不好而造成出水濁度上升的現象發生，并且微濾膜可去除大腸桿菌，隱孢子蟲等，使出水的消毒過程相當簡單。這樣，出水不需要經過特別操作就可以作為中水再利用。
3 結論
采用這種新型的污水處理膜法再生系統，MBR 出水可直接用來綠化或農田灌溉，并通過低污染反滲透膜（RO）進一步處理后制造再生水回用。面對水資源不足，水污染嚴重的狀況，這種社會急需的利用膜法進行污水深度處理或再生技術已經受到人們的廣泛重視。東麗公司利用自行開發的中空絲超濾膜和平板微濾膜去除水中微小顆粒，并利用低污染反滲透膜來進一步去除溶解的有機物和離子，將中空絲超濾膜或平板微濾膜與低污染反滲透膜相結合，達到高質量的處理水質。這種膜法污水再生回用技術是水資源再生領域的一項有效新型的水處理技術。
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