沼液板式超濾膜通量變化及膜過(guò)濾膜污染控制研究

沼液板式超濾膜通量變化及膜過(guò)濾膜污染控制研究

超濾是一種以壓力為推動(dòng)力的膜分離技術(shù)。肖萍等考慮到沼液中氨氮較高目前對(duì)于如何最大化降低超濾膜污染程度所采取的主要措施有兩種：一是提高膜面料液速度，以減小邊界層厚度，使被截留的溶質(zhì)及時(shí)被料液帶走；二是采用物理或化學(xué)法洗滌。但以上方法都未對(duì)水質(zhì)的重金屬離子、pH值、濁度（NTU）等一系列參數(shù)進(jìn)行超濾的可行性驗(yàn)證，因此為了最大限度地降低濃差極化的影響，通過(guò)試驗(yàn)將超濾工藝應(yīng)用于沼液膜過(guò)濾法濃縮液體有機(jī)肥工藝，以此驗(yàn)證板式超濾膜應(yīng)用于沼液預(yù)處理試驗(yàn)研究。1研究對(duì)象和方法1.1試驗(yàn)水本試驗(yàn)選取上海市崇明新區(qū)某工廠內(nèi)沼液，其主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。試驗(yàn)時(shí)間為2019年9—10月。1.2試驗(yàn)系統(tǒng)及原理試驗(yàn)采用中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所提供的SCM-300型超濾杯及PVDF-700型超濾膜。超濾杯有效容積300mL，上部為直徑6.9cm×高11cm的圓柱容器，內(nèi)置轉(zhuǎn)子，下部底座設(shè)出水槽，上、下由卡箍連接。上部進(jìn)料、供壓，200mL料液經(jīng)由進(jìn)料口直接倒入超濾杯中并密閉，過(guò)濾驅(qū)動(dòng)力由超純氮?dú)馓峁?，通過(guò)控制減壓閥調(diào)整試驗(yàn)所需壓力，保持驅(qū)動(dòng)壓力不變；電子天平放置在橡膠軟管出水處，以觀察通量的大小。超濾試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，超濾杯中超濾過(guò)程原理如圖2所示。膜材質(zhì)采用PVDF，截留分子量70000，孔徑84.67nm，單膜直徑約9cm?？紤]到超濾杯最大耐壓強(qiáng)度為0.3MPa，類(lèi)似于超濾實(shí)際工程中運(yùn)行壓力（一般小于0.3MPa），故研究中選取0.05、0.10、0.15、0.20、0.25MPa作為試驗(yàn)壓力，重點(diǎn)考察不同壓力下板式超濾膜的通量變化和污染物去除、截留情況。為減小試驗(yàn)誤差，每次試驗(yàn)前，先測(cè)定去離子水過(guò)濾后的純水通量J在計(jì)算膜通量時(shí)，由于水溫波動(dòng)會(huì)影響膜產(chǎn)水能力，故對(duì)溫度進(jìn)行校正，修正水溫對(duì)黏度的影響，公式為：式中：J′為經(jīng)溫度校正后的膜通量，L·m試驗(yàn)過(guò)程中，使用溫度計(jì)記錄溫度，每30s記錄一次濾出液質(zhì)量。過(guò)濾完畢后，記錄過(guò)濾面尺寸，測(cè)定原水和濾液的指標(biāo)。根據(jù)濾出液質(zhì)量、溫度及過(guò)濾面積，由公式（1）可得校正膜通量，并得到相應(yīng)曲線(xiàn)對(duì)通量變化進(jìn)行研究。本試驗(yàn)采用快速消解法-分光光度法測(cè)量COD2結(jié)果與分析2.1膜通量和操作壓力試驗(yàn)采用單因素分析法研究了超濾膜在0.05～0.25MPa這5種工況下的通量及相對(duì)通量變化（校正溫度T=25℃），各工況試驗(yàn)均進(jìn)行30min，膜通量隨時(shí)間變化的結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。由圖3和圖4可見(jiàn)，過(guò)濾初期膜通量隨時(shí)間下降劇烈，0.05、0.10MPa低壓工況下膜通量均在5min內(nèi)下降到10L·m5～30min后，膜過(guò)濾通量下降變緩并趨于穩(wěn)定，各工況基本維持在10～2L·m膜通量隨時(shí)間衰減的定量關(guān)系根據(jù)膜通量衰減的經(jīng)驗(yàn)公式即公式（2）表示，膜通量衰減系數(shù)采用線(xiàn)性回歸法結(jié)合圖3計(jì)算。由表2得，膜通量J隨時(shí)間的變化規(guī)律能通過(guò)各工況下膜通量衰減的經(jīng)驗(yàn)公式準(zhǔn)確地表示出來(lái)：式中：J′為經(jīng)溫度校正后的膜通量，L·m壓力是影響超濾膜產(chǎn)水量的重要因素之一。由于膜通量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而衰減，為更形象地觀察不同壓力對(duì)超濾膜通量的影響，取圖5和圖6中各工況下0～5min初期平均通量、5～30min穩(wěn)定通量、0～30min平均通量及它們的相對(duì)通量作對(duì)比。由圖5和圖6可見(jiàn)，板式超濾膜的通量隨著壓力上升而增高，但增幅逐漸降低。多數(shù)研究表明，操作壓力對(duì)膜通量的影響可以分為3個(gè)階段：Ⅰ為低壓-直線(xiàn)段，此階段壓力較低，膜內(nèi)阻力成為主要阻力，膜通量與操作壓力的變化正相關(guān)；Ⅱ?yàn)橹袎?曲線(xiàn)段，此時(shí)濃差極化阻力大，膜通量與操作壓力呈正相關(guān)；Ⅲ為高壓階段。對(duì)照此“三段理論”及圖5，在本試驗(yàn)0～0.10MPa的范圍內(nèi)，操作壓力對(duì)膜通量的影響處于低壓-直線(xiàn)段，0.15～0.25MPa基本處于中壓-曲線(xiàn)段。若繼續(xù)升高壓力將進(jìn)入高壓區(qū)，膜表面形成的凝膠層阻力變大，通量基本不再增長(zhǎng)。2.2cod板式超濾膜的去除率污染物指標(biāo)主要有：COD由表3和圖7可知，本試驗(yàn)條件下壓力對(duì)板式超濾膜截留、去除率的影響不大，濾出液中COD板式超濾膜處理前后的膜片對(duì)比見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn)，過(guò)濾完畢后沼液中被截留的有機(jī)物膠體和顆粒物在膜面沉積，形成薄且致密的濾餅層，該污染層緊密吸附于膜表面，導(dǎo)致膜的透水能力降低，進(jìn)而增加了工藝運(yùn)行的能耗。3板式超濾技術(shù)根據(jù)表3中結(jié)果，取0.15MPa下濾出液指標(biāo)作營(yíng)養(yǎng)成分分析，即COD超濾可以截留膠體、蛋白質(zhì)、微生物和大分子有機(jī)物，允許小分子物質(zhì)和無(wú)機(jī)鹽等通過(guò)；它對(duì)大分子物質(zhì)的截留機(jī)理主要是篩分作用，主要由膜表面活性層上孔的大小與形狀決定截留效果；此外，大分子會(huì)被吸附在膜表面和微孔內(nèi)。故板式超濾膜對(duì)沼液中COD去除率較高，約70%，對(duì)NH超濾可以完全截留原水中的顆粒物質(zhì)，濾出液NTU較低，基本符合納濾進(jìn)水要求；但考慮到0.05～0.25MPa下超濾穩(wěn)定通量只有2～10L·m4膜法濃縮工藝試驗(yàn)得出，板式超濾膜濾出液基本符合納濾、反滲透進(jìn)水水質(zhì)要求。(1）在0.05～0.25MPa壓力下試驗(yàn)，板式超濾膜初期通量下降迅速，在5～10min內(nèi)均降至10L·m(2）板式超濾膜的通量隨著壓力上升而增高，但增幅逐漸降低。對(duì)照三段理論，本試驗(yàn)0～0.10MPa范圍內(nèi)，操作壓力對(duì)膜通量的影響處于低壓-直線(xiàn)段，0.15～0.25MPa基本處于中壓-曲線(xiàn)段，若繼續(xù)升高壓力，膜表面將形成凝膠層，通量不再隨壓力增高而變化。但膜截留率與壓力變化關(guān)系不大，膜對(duì)COD(3）濾出液營(yíng)養(yǎng)比例關(guān)系較好，但有機(jī)質(zhì)含量較低，需采用后續(xù)濃縮步驟。建議在后續(xù)研究中進(jìn)一步采用混