混凝-沉淀-浸没式超滤工艺处理滦河原水中试研究

混凝-沉淀-浸没式超滤工艺处理滦河原水中试研究

传统的给排水处理技术已越来越难以满足越来越严格的水质标准的要求。与常规水处理工艺相比,膜法具有出水水质稳定、安全性高、占地面积小、容易实现自动化控制等优点,并且随着膜技术的不断进步及其成本的大幅降低,使得该技术成为水处理领域中最具发展潜力的技术之一。膜反应器在运行过程中,因膜污染引起的过滤阻力增加和渗透通量下降,是限制膜分离技术广泛应用的瓶颈之一。膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞,使膜产生透过流量与分离特征的不可逆变化现象。本文考察了气水比、通量、排泥方式以及排泥前空曝气时间等操作条件对浸没式超滤膜污染的影响。1试验安装和方法1.1学清洗频率的提高膜法水处理的工艺流程如图1所示,采用浸没式中空纤维膜,相关膜组件参数见表1。为了减缓跨膜压差的增长,减少化学清洗频率,采用了连续曝气及间歇出水的方式运行,膜工艺部分由可编程控制器(PLC)自动控制。相对于传统的混凝—沉淀—过滤工艺,用超滤膜代替了滤池。滦河原水经水厂原有传统工艺的混凝—斜管沉淀池处理后作为膜进水,膜进水经潜水泵提升后进入膜分离池,膜分离池的有效容积约为4.2m3,经膜过滤后的水在加氯消毒后可直接进入清水池。1.2u3000酸度计CODMn:酸性高锰酸钾法;UV254:TU1800型紫外/可见分光光度计;浊度:2100P型便携式浊度仪;pH:PB25型酸度计;温度:水银温度计;跨膜压差:在线压力表与米尺;粒度分析:Mastersizer2000激光粒度分析仪。1.3膜进水口试验共运行了52天,在试验过程中,膜进水水质变化不大,具体的膜进水水质如表2所示。2膜比通量与膜污染状况的描述广义的膜污染不仅包括由于不可逆的吸附、堵塞而引起的污染(不可逆污染),而且还包括因可逆的浓差极化而形成的凝胶层污染(可逆污染)。膜分离的基本表达式:J=ΤΜΡμR(1)J=TMPμR(1)式中J——膜通量,L/(h·m2);TMP——跨膜压差,kPa;μ——水的粘度,kPa·h(通常采用Pa·s,此处为了量纲和谐采用kPa·h);R——膜过滤的总阻力,m-1。式(2)为膜通量的定义式,由于试验过程中水温变化较大,本文在计算SF时采用式(2)修正了水温对水粘度的影响。为了比较不同膜面积、不同工作压力下膜的透水特性,引入膜比通量(specificf1ux,SF)的概念。SF是单位跨膜压差作用下膜通量的变化量,其单位为L/(h·m2·mH2O),定义式见式(3)。将式(1)代入式(3)可得式(4),由式(4)可知,经温度校正以后,SF可以表征过膜总阻力的倒数。它的变化能间接反映膜阻力的变化和膜污染的情况,为了比较不同操作条件对膜污染的影响,本文将单位产水量下SF的变化定义为比通量衰减速率σ,其定义式见式(5)。比通量衰减速率σ能反映膜污染的快慢,比通量衰减速率越大,说明膜污染越快。比通量衰减速率是经过了温度校正之后得出的,消除了温度变化对膜产水能力带来的影响,更注重于膜本身的污染状况。J′=QA=Q0e-0.0239(Τ-20)A=J0e-0.0239(Τ-20)(2)式中J′——经过温度校正后的膜通量,L/(m2·h);Q——经温度校正后的膜组件出水流量,L/h;A——膜表面积,m2;Q0——膜组件出水流量实测值,L/h;T——混合液温度,℃;J0——实测的膜通量,L/(m2·h)。SF=J′ΤΜΡ=J0e-0.0239(Τ-20)ΤΜΡ(3)式中SF——膜比通量,L/(m2·h·mH2O);TMP——跨膜压差,mH2O。SF=e-0.0239(Τ-20)μR(4)σ=(SF0-SFt)/ΔQ(5)式中σ——比通量衰减速率,[L/(m2·h·mH2O)]/m3;SF0——膜试验初始运行时的膜比通量,L/(m2·h·mH2O);SFt——膜试验在运行时间t时的膜比通量,L/(m2·h·mH2O);ΔQ——时间t内膜组件的产水量,m3。2.1气水比对fps衰减速率的影响本试验采用的膜工艺单元是浸没式超滤膜,其最主要的延缓膜污染的方式是曝气,是以单位时间曝气量与单位时间出水量的比值即气水比来衡量的。不同的气水比将导致能耗的不同,以及对膜污染影响的不同,考察最佳的气水比是工艺参数优化的重要内容。试验考察了在通量为31.2L/(m2·h)、三天排泥一次的情况下,不同气水比条件下SF随时间的变化情况,如图2所示。不同气水比对比通量衰减速率的影响如图3所示。由图2与图3可知,气水比为5∶1时,SF下降得很快,比通量衰减速率σ约是气水比为8∶1工况下的5倍。气水比为8∶1时,SF下降趋缓,气水比为10∶1时,SF下降趋势与气水比8∶1时的趋势基本相同。可见气水比大于8∶1以后,比通量衰减速率的下降趋势保持基本不变。分析可能的原因是:气水比较低时,在膜表面形成的水气错流流速产生的水力剪切作用不能有效防止大量截留污染物在膜表面的沉积,增加气水比后膜表面的水气流流速增大,提高了污染物从膜面到料液的扩散速率,同时产生足够大的剪切作用使膜面的滤饼层与水中污染物达到一个动态平衡,从而使污染物不易在膜面沉积,延缓膜污染。Meng等也有类似的研究结果,同时指出过高的气水比会使污泥絮体被强大的剪切力所破坏,细小污泥颗粒物质增多,这些物质更易在膜表面和膜孔内吸附,从而加剧膜污染。另外,高气水比还会造成高能耗,增加运行成本。综合考虑在工艺中采用介于8∶1与10∶1的气水比。2.2膜通量的确定通量是膜工艺中的一个重要参数,通量越大,则表明在单位时间内产水量一定的条件下,所需要的膜就越少,这对于降低膜工艺的初期投资以及减少设备的占地面积都很有意义。由式(1)可知,高通量必然会导致跨膜压差的增大,从而使膜污染加剧,如果通量过高,膜污染速率过快,则需要频繁地化学清洗,一方面使产水时间减少,另一方面也会缩短膜的使用寿命,因此确定合理的通量是膜试验中的一个重要内容。试验中考察了低温低浊期,每天排泥以及助凝剂为水玻璃的情况下通量分别为25L/(m2·h)、30L/(m2·h)、40L/(m2·h)的三种工况。三种工况下SF随时间的变化情况如图4所示。不同SF对比通量衰减速率的影响如图5所示。由图4可知,通量为25L/(m2·h)工况的SF随时间的变化最为缓慢,而通量为30L/(m2·h)与40L/(m2·h)工况的SF随时间的变化相对于通量25L/(m2·h)时均较快,尤其是通量为40L/(m2·h)的工况,仅22hSF就从16.2L/(h·m2·mH2O)降到了13L/(h·m2·mH2O)。由图4与图5可知,比通量衰减速率σ由小到大的顺序为:通量25L/(m2·h)、30L/(m2·h)、40L/(m2·h)。可见在通量为25L/(m2·h)的工况下,膜污染最为缓慢,是低温低浊期的一个比较合适的工况。2.3排泥工况对颗粒粒度分布的影响浸没式超滤膜工艺运行的方式是死端过滤,当膜池里的膜截留物质积累到一定程度的时候,为了防止截留物过多而堵塞膜孔径以及浓差极化造成膜污染,会将膜池里的水排掉,称为排泥。在本试验中,为了保持产水率在98%以上,采取了每3天排泥一次排净膜池水(3m3)的方式和每天排泥一次只排放膜池水的1/3(1m3)的方式,排泥都是当水位在低液位时进行。两种工况均在通量为25L/(m2·h),气水比为10∶1情况下运行。3天排泥、每天排泥两种工况下SF随时间的变化情况如图6所示。不同排泥方式对比通量衰减速率的影响如图7所示。由图6与图7可知,3天排泥工况下的SF下降要快于每天排泥工况。对于比通量衰减速率σ,每天排泥工况小于3天排泥工况。可见每天排泥的工况要优于3天排泥的工况。试验中测定了3天排泥工况以及每天排泥工况排泥前膜池水的粒度分布,用颗粒的体积平均粒径D43来描述颗粒群的粒径大小,D43可由仪器直接测得。用粒度分布宽度(Span)来定量描述颗粒的分布情况,粒度宽度越小,粒径分布越集中。粒度分布宽度计算公式如下:Span=d(0.9)-d(0.1)d(0.5)(6)式中d(X)——表示一特定的颗粒粒径值,低于此粒径的颗粒占总体积的百分比。图8为3天排泥和每天排泥运行第3天的混合液的粒度分布。虽然3天排泥与每天排泥工况在3天内排出的混合液总量是相同的,但3天排泥的混合液体积浓度是每天排泥的混合液体积浓度的1.4倍,这是由于每天排泥过程中,由于大悬浮颗粒的迅速下沉,能通过吸附卷扫作用将水中的细小颗粒一起排出膜池,从而3天内排放的总悬浮物多于3天排泥的工况。由图8可知,两种混合液中颗粒的粒度均分布于0.55～363.08μm,3天排泥的混合液颗粒80%的粒度分布在5.21～38.27μm,混合液的体积平均粒度为20.24μm,经计算得到混合液粒群的粒度分布宽度为2.28;每天排泥的混合液中颗粒80%的粒度分布在4.75～28.09μm,混合液的体积平均粒度为15.74μm,经计算其混合液粒群的粒度分布宽度为2.01。有研究表明,膜各部分污染阻力的变化与颗粒粒径/膜孔径(dp/dm)的比值有一定的联系,滤饼层阻力的绝对值和相对值随过滤体系中颗粒粒径的增大而减小,当超过一定粒径后绝对值趋于稳定,并指出当dp/dm大于10时,膜污染主要由膜表面的颗粒沉积层控制,但随着颗粒粒径的增大,滤饼层阻力基本不减小。因此,虽然每天排泥的混合液的平均颗粒粒度比3天排泥混合液的平均颗粒粒度要略偏小,但均是超滤膜孔径的30倍以上,所以二者平均粒度的不同对膜污染的影响不大。每天排泥的混合液粒群的粒度分布宽度小于3天排泥混合液粒群的粒度分布宽度,即每天排泥的混合液粒群的粒度分布比较集中,因此在膜表面形成的滤饼层会比较松散,而3天排泥的混合液的颗粒粒度分布比较分散,小粒径的颗粒填充、停留于大粒径颗粒的空隙中而减少了滤饼层的孔隙率,使膜表面形成的滤饼层比较密实,增加了滤饼层的阻力,因此每天排泥的运行方式有助于延缓膜的污染。2.4fps的稳定性为了减缓膜污染,每次排泥前对膜进行一定时间空曝气,使SF能有一定程度的恢复。在试验中考察了空曝气时间对SF恢复的影响。曝气量不变,在排泥前先测得停止出水前的膜比通量,再停止出水,曝气5min,测膜比通量,如此循环,直到膜比通量增长比较缓慢时试验结束。SF随曝气时间的变化情况如图9所示。由图9可知,在前5min内,SF有缓慢的上升,5～10minSF增长迅速,之后又趋于平缓。分析可能的原因如下:经过长时间的运行,膜表面的滤饼层与膜池水中的污染物达到了一个动态平衡,这时的滤饼层不易在剪切力的作用下吹脱,故在前5minSF恢复缓慢,在不出水的情况下经过5min的曝气与浸泡后,水中的污染物混合均匀,去除了浓差极化和滤饼层形成的外部条件,同时膜表面新形成的滤饼层被泡松软了,所以在气液两相流形成的剪切力作用下被吹脱,使SF得到一定的恢复,当新近形成的滤饼层脱落后,原来经过不断运行积累起来的老的滤饼层压得比较密实,曝气产生的剪切力不足以将其有效吹脱,故15min后SF恢复变缓慢。综合考虑,每次排泥前采用空曝气10min作为运行参数。2.5清洗膜组件污染物浓度当膜通量由于不可逆污染的影响下降到一定程度后,即试验中当跨膜压差TMP上升到设定的上限5mH2O时,需要进行化学清洗来恢复。在试验中采用500mg/L次氯酸钠和0.36%的盐酸分别浸泡18h和24h,由于温度太低,采用30℃左右的热水配制酸液与碱液。新膜的初始SF0为27.6L/(m2·h·mH2O),化学清洗效果较好,SF从清洗前的8.48L/(m2·h·mH2O)上升到清洗后的25.58L/(m2·h·mH2O),恢复为初始SF0的92.7%。试验阶段对化学清洗的洗脱液成分进行了具体分析,为了便于与其他研究比较,将清洗液体积与相应污染物浓度相乘,得到清洗膜组件上特定污染物的总质量,再除以膜组件面积,结果如表3所示。碱洗液中的DOC浓度高于酸洗液,碱洗液DOC浓度约是酸洗液中DOC浓度的1.5倍,说明碱洗对有机物的去除效果优于酸洗。酸洗液中金属离子以及硅的浓度明显高于碱洗液,说明酸洗对无机物的去除效果优于碱洗。莫罹等的研究也得出了类似的结论。膜受无机离子污染由高到低的顺序为:钙、铁、镁、铝、硅。钙、镁污染主要是滦河水中的硬度较高引起的,铁、铝污染较高是由于絮凝剂