久保田MBR平板膜材质及过滤机理

久保田MBR平板膜材质及过滤机理

一、前言

至目前为止，全世界至少有1500～2000座以上MBR污水处理厂在运行中，使

用膜材料大多为微孔性(microporous)(孔径大小0.1~10m范围)的高分子材料

或无机陶瓷材料，如表1所示。其中，微孔性高分子膜材料使用相转换(pha

inversion)技术，用高分子溶液涂层上溶剂挥发后产生；微孔性膜，也可使用中

空纤维膜(hollow-fiber)。现有的MBR膜生物反应器处理技术，除了Kubota公

司的技术外。不管是浸入式或非浸入式膜生物反应器处理技术，所用之高分子膜

材都是以这两类为主。这些材料可为醋酸纤维(cellulo acetate)、聚硫石风

(polysulphone)、聚酰胺(polyamide)、聚乙烯、聚丙烯等如表二所示。在固液

分离型MBR膜生物反应器处理技术中，膜的功用是截留微生物与SS固体物，使

处理过水透过MBR膜生物反应器输送至清水储备池。

表1 MBR膜生物反应器处理技术所用膜型式

公司名称 膜型式

Zenon (ZeeWeed) 0.1m中空纤维

Zenon (ZenoGem) 管状UF

Orelis Mutsui Chemicals 平板式(聚丙烯材料)

Wehrle werk Ag 管状UF(polysulfone)

US Filter 0.2m中空纤维(聚丙烯)

Degremont 陶瓷材料

Kubota 于无纺布涂上一层0.2m~0.45

m厚之多孔性(孔径大小0.4m)之高分

子涂层(平板式)

Kubota公司膜生物反应器处理技术膜材料为无纺布支撑物(nonwoven)上涂上

一层微孔性高分子聚合物薄层。微孔性高分子膜膜孔大小约在0.2m ~0.45m，

无纺布支撑物有助滤作用。高分子无纺布常用作过滤蛋鸭养殖技术 空气之纤维滤材，以除去空

气中污染固体粒子。此种纤维滤材的孔隙一般可在1m~50m，对于小至0.1

m之空气微粒都能够过滤。无纺布纤维滤材具有大的纤维孔隙却可除去微小粒

子，其过滤机制不单只是一般微孔性薄膜筛阻(sieve)分离机制而已。无纺布特

殊纤维排列结构，使得进入孔隙内之小粒子，也会被拦截捕捉而具高过滤效能。

无纺布材料之过滤机制，除了筛阻机制外，尚包括一般无纺布滤材之惯性碰简笔画书本 撞

(inertial impaction)机制，截留(direct interception)机制，布三国演义中的故事 朗扩散

(brownian diffusion)机制。其过滤分离之粒子大小范围相当宽广。此种无纺布

过滤之过滤机制可视为深床过滤分离(deep filtration)机制。

表2 MBR膜生物反应器使用膜材料

聚合物 优点 缺点

二氧化钛/二 耐化学性耐热性耐机械性很昂贵只限MF或UF使用

(Titantium dioxide/ Zirconium

易碎

dioxide)

醋酸纤维 价廉耐氯性大 化学稳定性差、机械稳定

Polysulfone 耐酸可蒸汽消毒 不日本文化 耐碳氢化合物

聚丙烯 耐化学性 本身为疏水性，表面处理

铁氟龙(PTFE) 疏水性强耐有机性耐化学疏水性太强成本高

聚酰胺(Polyamide) 耐化学性及耐热性佳 对氧气敏感

性化学稳定性佳

性差

后可变为亲水性

二、无纺布滤材与微孔性膜材的结构及其对过滤机理

目前MBR膜生物反应器所使用之膜材料是属于微孔性滤材。于探讨无纺布滤

材用作MBR膜生物反应器之膜材前，让我们先了解两种滤材之结构，如膜孔结构

及粒子与膜孔相对大小与膜材积垢(fouling)之关系。UF或MF等微孔性膜，因

为其膜孔大小小于污泥粒子，于膜离生物反应器系统中，其过滤机制是将欲去除

之粒子置留于膜材表面上。一般的情况是，粒径大于膜孔孔径之粒子会被去除，

粒径小于膜孔孔径者则可能崁入膜孔而造成阻塞而影响到过滤效果。

微孔性薄膜过滤机制[Cheryan, M., “Ultraf规章制度范本 iltration and

Microfiltration Handbook,” Technomic Publishing Co. Inc., Lancaster,

PA,USA, 1998] 无纺布膜材料(或称滤材)是一种多个相连开放性孔隙之多层纤

互相重迭网状结构物。当水或废水通过这些滤材，液相中之粒子可被拦截。被拦

截之粒子可吸附在无纺布表面上或孔隙内。

无纺布滤材之过滤机制[Cheryan, M., “Ultrafiltration and

Microfiltration Handbook,” TechnomicPublishing Co. Inc., Lancaster, PA,

USA, 1998] 无纺布滤材过滤时，过滤初期粒子会先吸附在纤维表面上，经过一

段时间后，在纤维表面上，有许多粒子集结成团粒。最后，大多数粒子则于集结

织物网孔间形成多孔性滤饼。在此阶段以后，粒子有可能堆积在无纺布滤材表面

而形成表面积垢现象。(1)过滤初期 、(2)过滤中期、 (3)过滤末期，粒子于不

同阶段在无纺布滤材上沈积情形 于微孔性膜材，当粒子崁入膜孔时，会形成不

可逆积垢(irreversible fouling)，而影响到滤液通过。但是在无纺布滤材过滤

时，由于织物间孔隙远大于粒子大小，所以初期过滤时，织物间之纤维表面虽然

沉积了粒子，不太会影响到滤液通量。也就是说无纺布滤材，早期之不可逆积垢

不会影响到滤液通量。此即表示在无纺布滤材中，纤维网孔中即使网孔中崁入粒

子，于过滤操作初期，孔洞内塞阻(entrapped blocking resistance)趋势不大，

压降(pressure drop)仍维持低值，变化不大。但当网孔空间慢慢被粒子填满时，

孔洞内塞阻急速增加，压降变大。而当无纺布表面开始沉积粒子时，滤饼阻力

(cake resistance)渐出现。而于微孔性膜材，膜孔小，除了极小粒子(如胶体大

小之粒子)会被崁入膜孔内以外，大部份的粒子会沉积在膜材表面，而以滤饼阻

力为主。从以上分析可知，无论是微孔性膜材或不织布滤材膜材，膜孔大小及孔

隙度对于滤液通量有相当大影响作用，但是两种膜材之影响作用是有所不同。于

微孔性膜材，膜孔径(dm)小于或远小于粒径(dp)。对粒子而言，膜表面就类似于

一面墙，所以滤饼阻因素大。而对于无纺布滤材，通常网孔径大于或远大于粒径。

孔洞内塞阻现象比较显著，其对滤液通量之影响，视网孔被阻塞之严重程度而有

所不同。

三、膜材的表面改质

原水中之成份所以会影响到滤液通量，主要是来自其与膜材间之作用。此作

用大小直接关系到膜材上积垢程度。UF和MF薄膜材料或者不织布滤材之亲疏水

性(hydrophobicity)则是影响此作用之关键因素之一。研究结果显示使用亲水性

薄膜时，通量降低程度较小。

表3 三种膜材之纯水通量及蛋白质之吸收

膜材料 空隙大小接触角BSA吸附(mgm-2)

(m) ()

0.52 <15 ～150 ～400 ～725 亲水性34.0

0.72 62.5 ～15 ～65 ～85 亲水性17.5

0.80 89.1 ～300 ～唱歌的十大好处 625 ～1150 疏水性21.5

透过率

(mPa-1s-1

109)

0.1%圣经里的名字 1% 10%

Nylon66

PVDF

PVDF

△P=0.1 bar，交流速度=0.05ms-1** Gander, M., B. Jefferson, and S. Judd,

“Aerobic MBRs for DomesticWastewater Treatment: A Review with Cost

Considerations,” Separation and Purification Technology, 18, 119,2000.

一般薄膜材料可为陶瓷/金属(无机)或聚合物(有机)材料。其中陶瓷材料如氧化

锆和氧化钛(zirconiumand titanium oxide)复合材为亲水性材料，且有优良耐

水及耐化学性及耐热性质，但是成本较贵。聚合物薄膜材料包括聚乙烯(PE)，聚

丙烯(PP)，PVF(polyvinilydene fluoride)和PS(polysulphone)等。一般这些

薄膜材料都属于疏水性。若与亲水性材料混合或进行表面处理(如电浆处理)可使

这些薄膜材料具有亲水性。