一、前言
在固液分離型MBR膜生物反應(yīng)器處理技術(shù)中，膜的功用是截留微生物與SS固體物，使處理過水透過MBR膜生物反應(yīng)器輸送至清水儲(chǔ)備池。
表1 MBR膜生物反應(yīng)器處理技術(shù)所用膜型式有以下幾種：
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0.1μm中空纖維 |
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管狀UF |
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平板式(聚丙烯材料) |
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管狀UF(polysulfone) |
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0.2μm中空纖維(聚丙烯) |
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陶瓷材料 |
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于無紡布涂上一層0.2μm~0.45μm厚之多孔性(孔徑大小0.4μm)之高分子涂層(平板式) |
吉?jiǎng)?chuàng)公司MBR膜生物反應(yīng)器處理技術(shù)膜材料為無紡布支撐物(nonwoven)上涂上一層微孔性高分子聚合物薄層。微孔性高分子膜膜孔大小約在0.2μm ~0.45μm，無紡布支撐物有助濾作用。高分子無紡布常用作過濾空氣之纖維濾材，以除去空氣中污染固體粒子。此種纖維濾材的孔隙一般可在1μm~50μm，對(duì)于小至0.1μm之空氣微粒都能夠過濾。無紡布纖維濾材具有大的纖維孔隙卻可除去微小粒子，其過濾機(jī)制不單只是一般微孔性薄膜篩阻(sieve)分離機(jī)制而已。無紡布特殊纖維排列結(jié)構(gòu)，使得進(jìn)入孔隙內(nèi)之小粒子，也會(huì)被攔截捕捉而具高過濾效能。無紡布材料之過濾機(jī)制，除了篩阻機(jī)制外，尚包括一般無紡布濾材之慣性碰撞機(jī)制、截留、機(jī)制、布朗擴(kuò)散機(jī)制。其過濾分離之粒子大小范圍相當(dāng)寬廣。此種無紡布過濾之過濾機(jī)制可視為深床過濾分離機(jī)制。
表2 MBR膜生物反應(yīng)器使用膜材料
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聚合物 |
優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
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二氧化鈦/二
(Titantium dioxide/ Zirconium dioxide) |
耐化學(xué)性耐熱性耐機(jī)械性 |
很昂貴只限MF或UF使用易碎 |
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醋酸纖維 |
價(jià)廉耐氯性大 |
化學(xué)穩(wěn)定性差、機(jī)械穩(wěn)定性差 |
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Polysulfone |
耐酸可蒸汽消毒 |
不耐碳?xì)浠衔?/SPAN> |
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聚丙烯 |
耐化學(xué)性 |
本身為疏水性，表面處理后可變?yōu)橛H水性 |
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鐵氟龍(PTFE) |
疏水性強(qiáng)耐有機(jī)性耐化學(xué)性化學(xué)穩(wěn)定性佳 |
疏水性太強(qiáng)成本高 |
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聚酰胺(Polyamide) |
耐化學(xué)性及耐熱性佳 |
對(duì)氧氣敏感 |
二、無紡布濾材與微孔性膜材的結(jié)構(gòu)及其對(duì)過濾機(jī)理
目前MBR膜生物反應(yīng)器所使用之膜材料是屬于微孔性濾材。于探討無紡布濾材用作MBR膜生物反應(yīng)器之膜材前，讓我們先了解兩種濾材之結(jié)構(gòu)，如膜孔結(jié)構(gòu)及粒子與膜孔相對(duì)大小與膜材積垢(fouling)之關(guān)系。UF或MF等微孔性膜，因?yàn)槠淠た状笮⌒∮谖勰嗔Ｗ樱谀るx生物反應(yīng)器系統(tǒng)中，其過濾機(jī)制是將欲去除之粒子置留于膜材表面上。一般的情況是，粒徑大于膜孔孔徑之粒子會(huì)被去除，粒徑小于膜孔孔徑者則可能崁入膜孔而造成阻塞而影響到過濾效果。
無紡布膜材料(或稱濾材)是一種多個(gè)相連開放性孔隙之多層纖互相重迭網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物。當(dāng)水或廢水通過這些濾材，液相中之粒子可被攔截。被攔截之粒子可吸附在無紡布表面上或孔隙內(nèi)。
無紡布濾材過濾時(shí)，過濾初期粒子會(huì)先吸附在纖維表面上，經(jīng)過一段時(shí)間后，在纖維表面上，有許多粒子集結(jié)成團(tuán)粒。最后，大多數(shù)粒子則于集結(jié)織物網(wǎng)孔間形成多孔性濾餅。在此階段以后，粒子有可能堆積在無紡布濾材表面而形成表面積垢現(xiàn)象。(1)過濾初期 、(2)過濾中期、 (3)過濾末期，粒子于不同階段在無紡布濾材上沈積情形 于微孔性膜材，當(dāng)粒子崁入膜孔時(shí)，會(huì)形成不可逆積垢，而影響到濾液通過。但是在無紡布濾材過濾時(shí)，由于織物間孔隙遠(yuǎn)大于粒子大小，所以初期過濾時(shí)，織物間之纖維表面雖然沉積了粒子，不太會(huì)影響到濾液通量。也就是說無紡布濾材，早期之不可逆積垢不會(huì)影響到濾液通量。此即表示在無紡布濾材中，纖維網(wǎng)孔中即使網(wǎng)孔中崁入粒子，于過濾操作初期，孔洞內(nèi)塞阻趨勢不大，壓降仍維持低值，變化不大。但當(dāng)網(wǎng)孔空間慢慢被粒子填滿時(shí)，孔洞內(nèi)塞阻急速增加，壓降變大。而當(dāng)無紡布表面開始沉積粒子時(shí)，濾餅阻力漸出現(xiàn)。而于微孔性膜材，膜孔小，除了極小粒子(如膠體大小之粒子)會(huì)被崁入膜孔內(nèi)以外，大部份的粒子會(huì)沉積在膜材表面，而以濾餅阻力為主。從以上分析可知，無論是微孔性膜材或不織布濾材膜材，膜孔大小及孔隙度對(duì)于濾液通量有相當(dāng)大影響作用，但是兩種膜材之影響作用是有所不同。于微孔性膜材，膜孔徑(dm)小于或遠(yuǎn)小于粒徑(dp)。對(duì)粒子而言，膜表面就類似于一面墻，所以濾餅阻因素大。而對(duì)于無紡布濾材，通常網(wǎng)孔徑大于或遠(yuǎn)大于粒徑。孔洞內(nèi)塞阻現(xiàn)象比較顯著，其對(duì)濾液通量之影響，視網(wǎng)孔被阻塞之嚴(yán)重程度而有所不同。
三、膜材的表面改質(zhì)
原水中之成份所以會(huì)影響到濾液通量，主要是來自其與膜材間之作用。此作用大小直接關(guān)系到膜材上積垢程度。UF和MF薄膜材料或者不織布濾材之親疏水性則是影響此作用之關(guān)鍵因素之一。研究結(jié)果顯示使用親水性薄膜時(shí)，通量降低程度較小。
表3 三種膜材之純水通量及蛋白質(zhì)之吸收
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膜材料 |
空隙大小(μm) |
接觸角(°) |
透過率(mPa-1s-1×109) |
BSA吸附(mgm-2) |
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0.1% |
1% |
10% |
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親水性Nylon66 |
0.52 |
<15 |
34.0 |
～150 |
～400 |
～725 |
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親水性PVDF |
0.72 |
62.5 |
17.5 |
～15 |
～65 |
～85 |
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疏水性PVDF |
0.80 |
89.1 |
21.5 |
～300 |
～625 |
～1150 |
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