浸沒(méi)式膜處理地表水的膜污染控制研究

浸沒(méi)式膜處理地表水的膜污染控制研究

shannon等人指出，世界上一半以上的飲用水水源不合格，26億人缺乏安全的飲用水衛(wèi)生措施。膜技術(shù)是解決飲用水安全的有效途徑。目前，中國(guó)可以生產(chǎn)大量高質(zhì)量和高價(jià)格的超濾膜和微濾膜。以超濾膜為核心的融合工藝是我國(guó)飲用水處理的一個(gè)新方向。其中，浸泡式超濾膜具有低能耗、高回收率、占地面積小、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，在水處理領(lǐng)域引起了越來(lái)越多的關(guān)注。浸沒(méi)式超濾膜運(yùn)行過(guò)程中的膜污染控制方法是膜技術(shù)應(yīng)用研究的重點(diǎn),但主要集中在膜生物反應(yīng)器的研究上.有研究表明,在膜生物器的運(yùn)行過(guò)程中,強(qiáng)化曝氣可以減輕膜污染;反沖洗是保持恒定膜通量,維持膜系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的有效措施;膜外部阻力是膜阻力的主要組成部分,設(shè)法減輕濾餅層或凝膠層的沉積是減輕膜污染的重要手段.因此,可以通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行操作條件,減輕膜運(yùn)行過(guò)程中的污染物沉積以及膜污染.本文以浸沒(méi)式超濾膜處理地表水為研究對(duì)象,重點(diǎn)考察超濾膜組件的運(yùn)行操作條件,即曝氣、反沖洗、排污以及化學(xué)清洗對(duì)膜運(yùn)行壓力變化或恢復(fù)效果的影響,從而對(duì)浸沒(méi)式超濾膜處理地表水的運(yùn)行方式及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.1試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法1.1浸沒(méi)式超濾裝置試驗(yàn)裝置如圖1所示,該裝置處理能力為5.0m3/h.原水經(jīng)潛水泵抽取后進(jìn)入原水箱,經(jīng)原水泵提升后進(jìn)入反應(yīng)器,反應(yīng)器內(nèi)的水位通過(guò)液位控制器控制,反應(yīng)器中放置浸沒(méi)式超濾膜組件,膜組件底部采用穿孔管鼓風(fēng)曝氣,膜出水由抽吸泵負(fù)壓抽吸,并定期以膜出水對(duì)膜組件進(jìn)行反沖洗.該裝置運(yùn)行采用可編程程序控制器(PLC)控制,通過(guò)變頻器調(diào)整膜運(yùn)行參數(shù);運(yùn)行中的膜產(chǎn)水流量由液體管道流量計(jì)測(cè)定,膜運(yùn)行壓力由真空壓力表測(cè)定;運(yùn)行過(guò)程中,膜通量保持恒定(恒為20L/(m2·h)),膜污染狀況用膜運(yùn)行壓力的大小來(lái)間接表示.1.2膜組件工藝參數(shù)試驗(yàn)用膜為國(guó)產(chǎn)外壓式中空纖維超濾膜,每個(gè)膜組件安裝3簾膜,膜組件主要工藝參數(shù)如表1所示.1.3實(shí)驗(yàn)中的原水水質(zhì)特點(diǎn)試驗(yàn)原水為受一定程度生活污水污染的河道水,其水質(zhì)特點(diǎn)如表2所示.2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1曝氣強(qiáng)度對(duì)運(yùn)行壓力的影響在浸沒(méi)式超濾膜運(yùn)行過(guò)程中,利用曝氣產(chǎn)生的水流紊動(dòng)可以阻止膜表面濾餅層的形成,使運(yùn)行壓力在一定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定.圖2、3所示為曝氣時(shí)間和曝氣強(qiáng)度對(duì)膜運(yùn)行壓力的影響.圖2所示為在曝前運(yùn)行壓力相當(dāng)?shù)臈l件下,改變曝氣強(qiáng)度和曝氣時(shí)間,膜運(yùn)行壓力的變化情況.由結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)曝氣強(qiáng)度為15、30m3/(m2·h)時(shí),膜曝后運(yùn)行壓力降低緩慢,曝氣5min后才趨于穩(wěn)定;當(dāng)曝氣強(qiáng)度增加至45、60m3/(m2·h)時(shí),曝后運(yùn)行壓力快速下降,曝氣1min后即降到最低水平,并且較高的曝氣強(qiáng)度并不能使運(yùn)行壓力進(jìn)一步降低.這與提高錯(cuò)流速度可以防止濾餅層在膜面的沉積以減緩膜污染進(jìn)程的試驗(yàn)結(jié)論是一致的.圖3所示為曝氣間隔為30min,曝氣時(shí)間為3min,曝氣強(qiáng)度不同時(shí),膜運(yùn)行壓力在24h過(guò)濾時(shí)間內(nèi)的變化情況.結(jié)果表明,在不同的曝氣強(qiáng)度條件下,隨過(guò)濾時(shí)間的延長(zhǎng),膜運(yùn)行壓力的增長(zhǎng)程度不同.在曝氣強(qiáng)度分別為15、30、45、60m3/(m2·h)時(shí),運(yùn)行壓力在24h內(nèi)分別增長(zhǎng)46.0%、23.8%、10.3%、37.9%.由結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于較高或較低的曝氣強(qiáng)度,膜運(yùn)行壓力均呈現(xiàn)增長(zhǎng)速度較快的現(xiàn)象,試驗(yàn)中合適的曝氣強(qiáng)度為45m3/(m2·h).分析其原因?yàn)?曝氣強(qiáng)度較低時(shí),由氣泡擾動(dòng)所引起的水力剪切作用不能有效防止大量污泥絮體在膜面的沉積,膜過(guò)濾阻力是以濾餅層阻力為主;當(dāng)曝氣強(qiáng)度過(guò)高時(shí),污泥絮體被強(qiáng)大的剪切力所破碎,細(xì)小污泥顆粒和膠體類物質(zhì)增多,這些物質(zhì)更容易引起膜孔的吸附和堵塞,從而使運(yùn)行壓力升高.2.2抗清洗效率2.2.1反洗前后的壓力試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)比了單獨(dú)水力反沖洗和氣水同時(shí)反沖洗對(duì)膜運(yùn)行壓力的恢復(fù)效果,結(jié)果如圖4所示.其中,單獨(dú)水力反沖洗是指清洗水經(jīng)過(guò)與產(chǎn)水相反的方向,由膜絲內(nèi)部向膜絲外部流動(dòng)的反沖洗;氣水同時(shí)反沖洗是指清洗水由膜絲內(nèi)部向膜絲外部流動(dòng)進(jìn)行反沖洗的同時(shí),在膜絲的外表面進(jìn)行曝氣.結(jié)果表明,在反洗前運(yùn)行壓力相當(dāng)?shù)臈l件下,氣水同時(shí)反洗的效果明顯優(yōu)于單獨(dú)水反洗的效果,氣水反洗時(shí)運(yùn)行壓力下降28.6%,單獨(dú)水反洗時(shí)壓力下降21.7%;并且,兩種反洗方式進(jìn)行5min后,膜運(yùn)行壓力均降到最低值并達(dá)到穩(wěn)定.氣水同時(shí)反洗是利用氣體在組件內(nèi)膜絲之間的爆破形成的震蕩,使附著在膜表面的污染物質(zhì)得以脫落,并被沖洗水帶走,從而達(dá)到改善單獨(dú)水力反沖洗效果的目的.2.2.2運(yùn)行壓力下降率為了達(dá)到最優(yōu)的反洗效果,并節(jié)約反洗用水量,試驗(yàn)中改變氣水反洗時(shí)的水力反沖洗強(qiáng)度,考察其對(duì)膜運(yùn)行壓力恢復(fù)效果的影響,結(jié)果如圖5所示.由圖5可以發(fā)現(xiàn),水力反洗強(qiáng)度由15L/(m2·h)增至60L/(m2·h),運(yùn)行壓力下降率由17.0%提高至18.6%;反洗強(qiáng)度增至100L/(m2·h)時(shí),壓力下降率降至13.8%.這說(shuō)明一定范圍內(nèi)增加反洗強(qiáng)度會(huì)提高反洗效果,但是反洗強(qiáng)度繼續(xù)增加反而會(huì)導(dǎo)致反洗效果變差.試驗(yàn)中合適的水力反洗強(qiáng)度為60L/(m2·h).分析其原因?yàn)?水力反洗的作用是將污染物從膜孔內(nèi)脫落,并將其帶到膜外表面得以去除.當(dāng)水力反洗強(qiáng)度過(guò)低時(shí),不能使膜孔內(nèi)吸附的污染物完全脫落,使反洗效果不理想;反洗強(qiáng)度過(guò)高時(shí),膜孔內(nèi)的污染物會(huì)被水流剪切力所破碎,形成的細(xì)小顆粒更容易被膜孔緊密吸附不易脫落,從而使反洗效果變差.2.3反洗前后濾餅層阻力以及膜孔吸附阻力的變化研究膜過(guò)濾阻力上升機(jī)理,可以將膜過(guò)濾阻力分為膜構(gòu)造阻力、不可逆污染造成的阻力、濾餅層阻力、濃差極化阻力和吸附阻力;其中,膜構(gòu)造阻力恒定,不可逆污染造成的阻力在短期內(nèi)可忽略不計(jì).在浸沒(méi)式超濾膜處理地表原水試驗(yàn)中,很難單獨(dú)將濾餅層阻力、濃差極化阻力以及吸附阻力單獨(dú)測(cè)出.本試驗(yàn)定義濃差極化阻力為反應(yīng)器內(nèi)換水前后膜運(yùn)行壓力的降低部分;濾餅層阻力為曝氣前后運(yùn)行壓力下降部分;膜孔吸附阻力則是指反沖洗前后壓力下降部分.試驗(yàn)所得結(jié)果如圖6和表3所示.結(jié)果表明:反洗前后壓差為0.006MPa,反洗排污前運(yùn)行壓力為0.0295MPa,反洗排污后運(yùn)行壓力為0.0235MPa;其中由濃差極化造成的阻力占總阻力的41.7%,由濾餅層造成的阻力占16.7%,由膜孔吸附阻塞造成的阻力占41.6%.由此可見,反應(yīng)器中濃縮液濃差極化造成的阻力和膜孔吸附阻塞造成的阻力占總阻力的絕大部分,必須定期對(duì)膜組件進(jìn)行反洗排污.2.4膜化學(xué)清洗工藝圖7所示為較長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間時(shí),膜運(yùn)行壓力的增長(zhǎng)情況.結(jié)果表明,在每個(gè)反洗周期內(nèi),由于濃差極化現(xiàn)象和膜孔堵塞程度的增加,運(yùn)行壓力會(huì)升高,經(jīng)氣水同時(shí)反洗后,運(yùn)行壓力會(huì)得到很大程度的降低;但是,由于膜污染的存在,膜反洗后運(yùn)行壓力還是呈現(xiàn)上升的趨勢(shì).說(shuō)明定時(shí)的氣水反沖洗不能徹底消除長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的膜污染,需要定期對(duì)膜進(jìn)行化學(xué)清洗.根據(jù)圖7所示的結(jié)果,當(dāng)膜運(yùn)行約3個(gè)月后,經(jīng)過(guò)氣水反洗后的運(yùn)行壓力由膜剛使用時(shí)的0.013MPa升高至0.050MPa.此時(shí),單獨(dú)的物理清洗已不能使運(yùn)行壓力大幅度降低,必須對(duì)膜進(jìn)行化學(xué)清洗.有研究結(jié)果表明,合理的化學(xué)清洗順序?yàn)?氣水反洗、堿洗、酸洗.本試驗(yàn)的化學(xué)清洗步驟為:膜經(jīng)過(guò)氣水反洗后,在反應(yīng)器中注滿0.12%NaClO和1%NaOH溶液,曝氣3h,浸泡12h后,排掉清洗液,向反應(yīng)器中注滿清水,曝氣30min,反洗2h;然后,在反應(yīng)器中注滿2%檸檬酸溶液,采取與堿洗相同的清洗步驟.化學(xué)清洗效果如圖8所示.結(jié)果表明,堿洗后,膜運(yùn)行壓力由0.050MPa降至0.0155MPa;進(jìn)一步酸洗后,膜運(yùn)行壓力仍為0.0155MPa.可見堿洗可使膜運(yùn)行壓力顯著降低,酸洗對(duì)膜運(yùn)行壓力變化不明顯.試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)化學(xué)清洗前后混合液中的有機(jī)物含量進(jìn)行檢測(cè).結(jié)果表明,在堿洗前,反應(yīng)器中混合液CODMn值為5.04mg/L,堿液曝氣3h后CODMn值為17.88mg/L,堿液浸泡12h后CODMn值為25.16mg/L,堿洗前后,水中有機(jī)物(CODMn值)增加4倍左右.這說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程中,水中有機(jī)物污染是造成膜污染的主要原因.3水力反洗強(qiáng)度1)浸沒(méi)式超濾膜運(yùn)行過(guò)程中,曝氣強(qiáng)度存在最優(yōu)值;較高或較低的曝氣強(qiáng)度,均會(huì)使膜運(yùn)行壓力呈現(xiàn)增長(zhǎng)速度較快的現(xiàn)象,試驗(yàn)中適宜的曝氣強(qiáng)度為45m3/(m2·h);2)氣水同時(shí)反沖洗較單獨(dú)水力反洗對(duì)膜運(yùn)行壓力的恢復(fù)效果好;