连续微滤装置清洗工艺的优化

连续微滤装置清洗工艺的优化

20世纪末，超滤膜进入污水处理厂，引起人们的注意。根据水处理的要求，其稳定性和可持续透水性已成为研究的热点。尽管通过错流过滤和反冲洗技术或改变膜特性等来降低或减缓膜污染是可能的,但实践证明任何技术都不能彻底消除膜污染,膜清洗和更换费用占运行成本的50%,占整个膜系统总成本的30%。对污染膜进行有效清洗是降低成本的有效途径。笔者从物理清洗和化学清洗两方面对污染膜的清洗方式进行研究,旨在为各水厂选择适宜的膜清洗方式提供参考。1试验装置和运行工况试验装置位于杭州清泰水厂内,试验采用1根膜柱,其工艺流程如图1所示。原水取自清泰水厂的沉后水(浊度为3~5NTU),经预过滤(精度为100μm)后进入原水罐,后经水泵加压从膜柱底部进入中空纤维膜,清水则从膜柱顶部流出后进入清水罐。部分清水暂存于清水罐中以便反洗用,其余清水则经产水泵加压后作为产品送出。当采用有回流的错流运行方式时,浓水从膜柱流出后返回原水罐;当采用无回流的死端过滤方式时,无浓水产生。中试时间为2006年10月初—12月底,采用连续运行方式,除设备调试和取水泵故障外,每天一直连续24h平稳运行,运行参数和结果见表1。一般来说,膜过滤有恒压过滤和恒流过滤两种方式,对于大规模的城市饮用水厂来说,采用恒流过滤较为合理,因此试验选用恒流过滤。对于恒流过滤系统,由于膜污染而引起的参数变化主要是跨膜压差(TMP)。试验结果表明,随着时间的推移以及膜通量的提高和水温的下降,TMP逐渐增加,其绝对增长量为18~73kPa、相对增长量为20%~72.28%,清洗前、后的TMP分别为(111~180)、(89~110)kPa,基本可以维持在一个稳定的区间内,这说明试验采用的清洗方式是有效的。2膜污染控制方法2.1清洗周期对tmp的影响采用周期反冲洗在一定时间内获得的平均膜通量远高于无反冲洗长期过滤的,对恒流量过滤来说,这就意味着在一定时间内其TMP远低于无反冲洗长期过滤的。在系统运行过程中,按程序要求设定了定期自动反洗的功能。当气水混合反洗时,截留在膜表面的污染物在反向水流以及气流的共同作用下脱离膜表面。根据微滤膜厂家推荐的气水反洗时间及周期(气水联合反冲洗1.5min、水正冲0.5min,记作1.5min+0.5min,以下同,周期为28min),运行观察了一段时间,同时为了考察气水反冲洗时间对TMP的影响,对气水反冲洗方式进行适当调整,即将气水联合反冲洗时间缩短为1min。从一个水力清洗周期来看,采用1.0min+0.5min和1.5min+0.5min清洗方式的效果相差不大。当采用1.0min+0.5min反冲洗方式时,在单个水力清洗周期内的TMP略高于反冲洗方式为1.5min+0.5min时的。同时还发现,水力清洗对TMP的恢复程度较小,经过水力清洗后重新投入运行的微滤膜的TMP很快(2min左右)就回升到清洗前的水平。但是每28min一次的水力清洗,有效地洗走了膜表面的污染物,对维持TMP不大幅上升提供了有力保障。为了了解整个物理清洗周期内TMP的增长情况,笔者对一个物理清洗周期(24h)内,每个水力清洗周期(0.5h)的TMP进行平均计算。结果表明,在完成物理清洗后的最初几个水力清洗周期内,两种反冲洗方式对TMP的影响相差不大,但是在6个水力清洗周期后,1.5min+0.5min反冲洗方式下运行的TMP明显低于1.0min+0.5min反冲洗方式的,前者运行期间的平均TMP为110kPa,而后者为112kPa,后者比前者高出约1.8%。可见,采用1.0min+0.5min反冲洗方式时,由于每一次清洗都不及1.5min+0.5min方式彻底,因此虽然在刚开始的几个水力清洗周期内两者的TMP相差不明显,但是经过几个周期的积累,较短水力清洗时间下TMP的增长比较长水力清洗时间下的快。此外,从每个物理清洗周期内TMP的平均增长来看,1.0min+0.5min反冲洗方式下一个周期内TMP平均增长了30.1kPa,1.5min+0.5min反冲洗方式下一个周期内TMP平均增长了28.8kPa,因此在应用中推荐采用1.5min+0.5min的水力反冲洗方式。2.2碱洗和冲洗当系统的TMP达到工艺设定的上限或达到设定的清洗周期时,膜组件停止过滤运行,进行小化学清洗(EFM)。EFM分为碱洗和酸洗,碱洗主要去除由微生物或其他有机物引起的膜污染,碱洗循环持续一定时间后进行水冲洗,然后进行酸洗;酸洗主要去除由无机物等引起的膜污染,酸洗循环持续一定时间后进行水冲洗。EFM完成后,系统自动进入正常过滤运行状态。为了探索合适的化学清洗方式,笔者从清洗液的选择、清洗液的浓度、清洗时间的长度、清洗液的温度等方面对EFM进行了研究。清洗方式的确定膜厂家推荐的清洗液为次氯酸钠(碱洗)和柠檬酸(酸洗)。针对本集团原水水质有机污染较为严重,对只碱洗(碱浓度为300~400mg/L)、先碱洗(碱浓度为300~400mg/L)再酸洗(酸浓度为300~400mg/L)这两种清洗方式进行了研究。结果表明,先碱洗再酸洗的清洗方式要略优于只碱洗的方式,但是两者的清洗效果相差不大。这是因为集团的原水有机污染较严重,而无机污染相对较轻。根据微滤膜厂家以前的工程经验,一般每24h清洗一次,清洗方式是先碱洗再酸洗。酸/碱联合清洗清洗液的浓度直接影响化学清洗效果,因此分两种清洗方式(只碱洗和先碱洗再酸洗)对合适的化学清洗液浓度进行了研究。结果表明,当采用单独碱洗时,随着碱浓度的增加,清洗效果得到增强,但碱浓度为300~400mg/L与400~500mg/L时的清洗效果已相差不大。从短期效果来看,碱浓度为300~400mg/L比较合适,但是考虑到长期效果,建议还是采用碱浓度为400~500mg/L。采用250~300mg/L的酸、碱浓度时,膜通量的恢复率为26.19%,此时再增加酸和碱的浓度对TMP的恢复率影响不大。当单独采用碱洗时,膜通量的最大恢复率约为20%,而采用酸/碱联合清洗,可以在较低的浓度下达到25%左右(膜通量的恢复率)的清洗效果。由此可见,采用酸/碱联合清洗的效果比单独碱洗的要好。从短期效果来看,推荐酸、碱的浓度均为250~300mg/L,如考虑长期运行,推荐酸、碱浓度均为300~400mg/L。清洗方式的确定由前面的分析可知,采用酸/碱联合清洗的效果优于单独碱洗的;清洗液浓度的增加可以增强清洗效果。为了节约成本且尽可能增加产水时间,同时结合集团原水以有机污染为主的特点,对缩短酸洗时间及延长酸洗周期进行了研究。根据微滤膜厂家的经验,一般采用先碱洗15min、再酸洗15min的清洗方式。笔者比较了先碱洗15min、再酸洗5min与先碱洗15min、再酸洗15min的清洗效果。结果表明,两种清洗方式对TMP的恢复率影响不是很大,这是由集团的原水水质特点决定的。在此基础上,笔者又对延长酸洗周期进行了研究。采用每天碱洗、每周酸洗的清洗方式。结果表明,采用该种清洗方式仍能保持TMP的基本稳定,因此在实际应用中,可以根据需要合理地选择清洗方式。洗涤剂对mn、有机物的去除效果为了更好地了解化学清洗效果,对化学清洗废液中的Fe、Mn、有机物等进行了测定,结果见表2。由表2可知,酸洗对Fe、Mn等的去除效果较碱洗好,碱洗对有机物的去除效果较好。清洗液中特定物质的浓度与原水水质紧密相关。2.3上限或达到设定清洗周期的列膜组CIP指的是当系统中某列膜组的TMP达到工艺设定的上限或达到设定的清洗周期时,该列膜组停止过滤运行,进行全范围的化学清洗。CIP也分为碱洗和酸洗,它的清洗程序和EFM的基本相同,只是使用的清洗药剂浓度不同。3tmp的清洗效果在化学清洗的过程中要先碱洗后酸洗,这是因为如果先酸洗的话,Ca2+、Mg2+等离子的沉淀物会重新溶解为离子状态,而离子状态的Ca2+、Mg2+在之后的碱洗过程中会重新生成沉淀物而覆盖在膜表面,大大降低了膜的化学清洗效果。在过滤过程中,Ca2+、Mg2+等二价离子会通过大分子链间的架桥作用形成沉淀,沉积于膜孔或表面,同时Fe、Mn等氧化物也会在膜孔表面形成结垢。此时,膜本身的结构没有发生变化,通过适当的清洗处理可以使膜的性能全部或部分得到恢复。试验中采用柠檬酸取得了很好的清洗效果。在实际生产中,为了降低生产成本也可采用盐酸作为清洗剂。但是从理论上说,使用柠檬酸的清洗效果更好,因为柠檬酸本身是一种络合剂,对膜表面的无机物具有酸溶和络合的双重作用。续曙光等用纯水膜通量恢复系数r=J1/J0×100%来衡量膜的清洗效果,其中J1为清洗后的纯水透水膜通量、J0为污染前的纯水透水膜通量;Sayed等则用WFR=(Jw-Jfw)/(Jiw-Jfw)×100%来评价膜的清洗效果,其中Jw为膜的当前膜通量、Jiw为膜没有污染前的纯水膜通量、Jfw为膜被污染后的纯水膜通量。这两种方法均涉及膜的纯水膜通量的测定,而在实际的生产系统中是不可以停止产水来测定纯水膜通量的,因此笔者提出了用TMP的恢复率(r)来衡量膜的清洗效果,r=(TMP1-TMP2)/TMP1×100%,其中TMP1、TMP2分别为清洗前、后的跨膜压差。由于TMP的数据可以通过在线监测数据直接获取,因此该公式使用起来很方便。前文中的TMP恢复率就是采用该式计算得到的。4清洗后tmp的情况①装置运行期间,TMP的绝对增长量为18~73kPa、相对增长量为20%~72.28%,清洗前、后的TMP分别为(111~180)、(89~110)kPa。②在完成物理清洗后的最初几个水力清洗周期内,采用1.0min+0.5min和1.5min+0.5min这两种方式的清洗