超濾應(yīng)用于中水系統(tǒng)反滲透濃水回用的試驗研究

1、超濾應(yīng)用于中水系統(tǒng)反滲透濃水回用的試驗研究 河北某電廠采用污水處理廠的中水作為循環(huán)水和鍋爐補(bǔ)給水水源,其中一部分中水經(jīng)反滲透處理后送至化學(xué)水處理車間。因為該反滲透濃水硬度很小,設(shè)計者擬將該濃水處理后回用,考慮到該濃水中較高的含鹽量、SiO2和有機(jī)物,因此采用了超濾舉行反滲透濃水處理實(shí)驗研究。 1實(shí)驗裝置及水質(zhì) 1.1中水水質(zhì)狀況 電廠使用的中水為污水處理廠排水,其水質(zhì)成分復(fù)雜,水質(zhì)分析狀況見表1。 從表1中可以看出,電廠使用的中水COD含量較高,SiO2含量偏高,表面活性劑含量較高。 1.2反滲透濃水水質(zhì)狀況 反滲透的預(yù)處理部分分為石灰混凝澄清處理,過濾,軟化。其中石灰處理能夠降低一部分硬度、

2、一部分濁度、少量的色度和表面活性劑,去除50%左右的COD和30%左右的SiO2;過濾處理能夠降低一部分濁度;軟化處理能夠?qū)⒅兴挠捕人腥コ?因此反滲透的進(jìn)水中含有預(yù)處理部分無法降低的氨氮、氯離子、硫酸根以及大量的有機(jī)物、SiO2和表面活性劑。因為反滲透采用堿性運(yùn)行工況,進(jìn)水中的有機(jī)物、SiO2和表面活性劑所有進(jìn)入濃水中,同時氯離子和硫酸根也在較高脫鹽率的狀況下大部分進(jìn)入了濃水,反滲透濃水水質(zhì)狀況見表2。 表2中可以看出,反滲透濃水的硬度很小;氯離子相比原水有數(shù)倍的增強(qiáng);硫酸根因為石灰處理需要加入硫酸以及軟化后需要加入硫酸脫CO2,因此相比較原水有上十倍的增強(qiáng);有機(jī)物、SiO2和表面活性劑

3、被反滲透濃縮后,均以數(shù)倍增強(qiáng)值存在于濃水中;水中的氨氮在堿性工況下可以通過膜自由移動到產(chǎn)水側(cè),因此濃水中的氨氮并沒有成比例增強(qiáng)。 1.3實(shí)驗裝置和超濾膜 因為反滲透濃水幾乎沒有硬度,設(shè)計者考慮將該濃水處理后回用,而針對該濃水較高的有機(jī)物和二氧化硅含量,提出了采用超濾舉行濃水處理實(shí)驗。 超濾(UF)是以孔徑為0.0051Lm的不對稱多孔性半透膜)超濾膜作為過濾介質(zhì),在0.11.0MPa的靜壓力推進(jìn)下,溶液中的溶劑、溶解鹽類和小分子溶質(zhì)透過膜,而各種懸浮顆粒、膠體、蛋白質(zhì)、微生物和大分子等被截留,以達(dá)到分別純化目的的一種膜分別技術(shù)1。因此超濾可以將濃水中的硅膠體和大分子有機(jī)物去除,留下鈉鹽等無機(jī)鹽

4、類。 本實(shí)驗流程如圖1所示。反滲透濃水收集至濃水箱中,用超濾進(jìn)水泵注入膜組件內(nèi),透過膜出水,超濾產(chǎn)水收集至超濾產(chǎn)水箱。待透膜壓差達(dá)到反洗要求或產(chǎn)水量降至反洗要求后舉行反洗。反洗分為排空、加藥反洗、靜置、空氣擦洗、氣水混洗、水反洗和快沖等7步。 實(shí)驗用的超濾膜為DuraFlux-5500,該中空纖維超濾膜具有獨(dú)特的雙層膜結(jié)構(gòu),具有較好的機(jī)械性能、抗拉伸性能和化學(xué)穩(wěn)定性。膜相關(guān)參數(shù)見表3。 2實(shí)驗結(jié)果與爭論 2.1pH值對超濾膜過濾效果的影響 在眾多廢水處理和回用效果的影響因素中2-4,pH值是給水處理中重要的水質(zhì)參數(shù),它的變化會轉(zhuǎn)變有機(jī)物和無機(jī)物的物理化學(xué)性能,從而對膜過濾產(chǎn)生影響。研究表明5-

5、7,料液的pH值不僅嚴(yán)峻影響被處理料液中膠體微粒和溶質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì),而且也能轉(zhuǎn)變分別膜表面的荷電性能,二者之間的互相作用影響膜的分別效果和膜污染現(xiàn)象。 該進(jìn)水中含有較高的有機(jī)物、表面活性劑和SiO2,但硬度十分小,且pH值在9.59.8。用鹽酸調(diào)節(jié)濃水pH值分離為9.60,7.62,5.57和4.45舉行實(shí)驗,實(shí)驗中采用循環(huán)錯流過濾,保持足夠的超濾濃水流量(210240m3/h),超濾濃水返回到超濾進(jìn)水箱,每運(yùn)行25min反洗1次超濾,實(shí)驗結(jié)果見圖2和圖3。 從圖2中可以看出,進(jìn)水pH值為7.62時,超濾產(chǎn)水量衰減得最快,從初始的產(chǎn)水54m3/h直線下降至終于產(chǎn)水25m3/h,產(chǎn)水率下降超過

6、50%;進(jìn)水pH值9.60對超濾產(chǎn)水的影響最小,僅從初始產(chǎn)水54m3/h降至終于的產(chǎn)水45m3/h;進(jìn)水pH值4.45和5.57對膜通量的影響介于兩者之間,其中pH值5.57的產(chǎn)水衰減速度為從初始產(chǎn)水57m3/h降至終于產(chǎn)水36m3/h,略高于pH值4.45的初始產(chǎn)水55m3/h降至終于產(chǎn)水37m3/h。 從圖3中可以看出,進(jìn)水pH值對透膜壓差的影響與產(chǎn)水量影響全都,即pH值7.62透膜壓差最高,且升高最快,pH值9.60透膜壓差最小,pH值4.45和5.57透膜壓差介于兩者之間,且pH值5.57的透膜壓差略高于pH值4.45的。 由此可以看出,進(jìn)水pH值7.62時膜通量下降最大,即超濾膜阻塞

7、得最厲害,第二是pH值5.57時,然后是pH值4.45時,pH值9.60對膜通量影響最小,即截污最少。雖然pH值7.62時膜通量下降最大,但并非截污能力最強(qiáng),對有機(jī)物的去除效果并不是最佳,經(jīng)過分析后,我們認(rèn)為,此時產(chǎn)水率的快速下降是因為SiO2受pH值影響析出阻塞膜孔造成的。 2.2pH值對濃水中硅的去除效果的影響 純水在25e時,無定形硅的溶解度約為100mg/L(以SiO2計)。溶解度隨溫度呈直線變化,這些數(shù)據(jù)示于圖4中。由圖5可知,在中性pH值條件下,溶解的是硅酸;在堿性溶液中,pH7.8,無定形硅的溶解度較中性溶液大。 自水中析出的硅沉淀物稱硅垢,表現(xiàn)形式可能是無定形SiO2。無定形S

8、iO2的溶解度與下列平衡式有關(guān): 很明顯,上述平衡受pH值的影響。無定形SiO2的溶解度在pH=68的范圍內(nèi)保持恒定,在pH=8.5以上趨于增強(qiáng)。無定形SiO2溶解度如表4所示。 由表2可知,超濾進(jìn)水中的全硅質(zhì)量濃度為156.2mg/L,其中可溶性硅質(zhì)量濃度為145.6mg/L,實(shí)驗時的水溫在25e左右。由圖4和表4可知,pH值為7.62時進(jìn)水中析出的硅垢最多,約為40mg/L,第二是pH值為5.57時,pH值為4.45時進(jìn)水中的硅大部分已處于溶解態(tài),pH值為9.60時進(jìn)水中全部可溶性硅徹低處于溶解態(tài),超濾僅能去除進(jìn)水中約10mg/L的膠體硅。 由此可以看出,pH值為7.62時超濾膜通量衰減最

9、快的主要緣由是水中析出大量無定形硅造成超濾膜阻塞過快,并非對水中有機(jī)物具有較好的去除能力;而pH值為9.60時對超濾膜通量影響最小,是由于在此pH條件下,可溶性硅徹低處于溶解態(tài),超濾僅去除了少量膠體硅;pH值為5.57時超濾對水中硅有一定去除能力,pH值為4.45時,因為水中的硅大部分已處于溶解態(tài),超濾對硅的去除率不高。 2.3pH值對有機(jī)物去除效果的影響 中水回用中主要關(guān)懷的是中水中的有機(jī)物。Manka9等研究了二級出水中溶解態(tài)有機(jī)物的組成,發(fā)覺有機(jī)物中40%50%是腐殖質(zhì),包括腐殖酸和富里酸,還有其他一些化合物,富里酸是這類物質(zhì)的主要成分,剩下的還包括陰離子洗滌劑、多糖、蛋白質(zhì)、丹寧和木質(zhì)

10、素等。Manka和Rebhum的研究表明,大多數(shù)污水廠出水中溶解態(tài)有機(jī)物的分子量大于20kDalton。污水二級出水的兩種主要成分是腐殖酸和蛋白質(zhì)。 污水廠排放的中水經(jīng)石灰混凝處理后,能有效去除大分子有機(jī)物,而對小分子有機(jī)物去除效果較差。有研究表明10,混凝對于3010kDalton分子量區(qū)間的有機(jī)物去除效果較差,分析表明這一區(qū)間有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)或所帶電性等有機(jī)物本身性質(zhì),是混凝效果較差的主要緣由,而腐殖酸、環(huán)境荷爾蒙等不易為生物處理除去的有機(jī)物大部分以小分子形式存在,混凝處理基本不能有效去除這一部分有機(jī)物。 因此,超濾進(jìn)水即反滲透濃水中的有機(jī)物以小分子的腐殖酸為主。有研究表明11,隨著pH值

11、的下降,有機(jī)物的表觀尺寸呈變小的趨勢。水中的腐殖酸在中性環(huán)境下帶負(fù)電荷。pH值的下降導(dǎo)致腐殖酸類有機(jī)物的質(zhì)子化,因為羧酸類官能團(tuán)的電荷被掩蔽,它們之間的相斥作用削弱,表觀尺寸變小。 當(dāng)超濾膜處理pH值為7.62的進(jìn)水時,膜對有機(jī)物去除效果較差,僅能去除一部分小分子量有機(jī)物。當(dāng)pH值降至5.57時,膜對全部的相對分子質(zhì)量的有機(jī)物都顯示出較好的去除效果,這進(jìn)一步說明pH值為7.62時超濾膜通量的衰減并不是有機(jī)物的截污形成的,而是因為SiO2大量析出造成的,而pH值5.57在降低一部分SiO2的同時對全部相對分子質(zhì)量的有機(jī)物均有較好的去除作用。 2.4超濾反洗參數(shù)實(shí)驗 我們還對超濾運(yùn)行周期和反洗參數(shù)舉行了實(shí)驗,結(jié)果發(fā)覺:1超濾運(yùn)行超過30min后,產(chǎn)水量衰減較快,為保持系統(tǒng)產(chǎn)水量,采用了25min的運(yùn)行周期;o加藥反洗采用加NaOH反洗,務(wù)必將反洗水pH值調(diào)節(jié)至11.0以上;?至少每2次反洗務(wù)必加堿1次,倘若2次反洗均不加堿處理,第3次運(yùn)行時初始產(chǎn)水量偏低,且膜通量衰減很快。 3結(jié)論 (1)pH值為5.57時能有效提超群濾對反滲透濃水中有機(jī)物的去除效果,且對濃水中的SiO2有一定的去除。 (2)pH值為7.62時超濾膜通量衰減最快,這主要是因為SiO2大量析出造成的,該pH值下對有機(jī)物的去除效果不是很好。 (3)pH值為9.6