混凝-沉淀-浸沒式超濾工藝處理灤河原水中試研究

混凝-沉淀-浸沒式超濾工藝處理灤河原水中試研究

傳統(tǒng)的給排水處理技術(shù)已越來越難以滿足越來越嚴(yán)格的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。與常規(guī)水處理工藝相比,膜法具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、安全性高、占地面積小、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn),并且隨著膜技術(shù)的不斷進(jìn)步及其成本的大幅降低,使得該技術(shù)成為水處理領(lǐng)域中最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。膜反應(yīng)器在運(yùn)行過程中,因膜污染引起的過濾阻力增加和滲透通量下降,是限制膜分離技術(shù)廣泛應(yīng)用的瓶頸之一。膜污染是指處理物料中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學(xué)相互作用或機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞,使膜產(chǎn)生透過流量與分離特征的不可逆變化現(xiàn)象。本文考察了氣水比、通量、排泥方式以及排泥前空曝氣時(shí)間等操作條件對浸沒式超濾膜污染的影響。1試驗(yàn)安裝和方法1.1學(xué)清洗頻率的提高膜法水處理的工藝流程如圖1所示,采用浸沒式中空纖維膜,相關(guān)膜組件參數(shù)見表1。為了減緩跨膜壓差的增長,減少化學(xué)清洗頻率,采用了連續(xù)曝氣及間歇出水的方式運(yùn)行,膜工藝部分由可編程控制器(PLC)自動(dòng)控制。相對于傳統(tǒng)的混凝—沉淀—過濾工藝,用超濾膜代替了濾池。灤河原水經(jīng)水廠原有傳統(tǒng)工藝的混凝—斜管沉淀池處理后作為膜進(jìn)水,膜進(jìn)水經(jīng)潛水泵提升后進(jìn)入膜分離池,膜分離池的有效容積約為4.2m3,經(jīng)膜過濾后的水在加氯消毒后可直接進(jìn)入清水池。1.2u3000酸度計(jì)CODMn:酸性高錳酸鉀法;UV254:TU1800型紫外/可見分光光度計(jì);濁度:2100P型便攜式濁度儀;pH:PB25型酸度計(jì);溫度:水銀溫度計(jì);跨膜壓差:在線壓力表與米尺;粒度分析:Mastersizer2000激光粒度分析儀。1.3膜進(jìn)水口試驗(yàn)共運(yùn)行了52天,在試驗(yàn)過程中,膜進(jìn)水水質(zhì)變化不大,具體的膜進(jìn)水水質(zhì)如表2所示。2膜比通量與膜污染狀況的描述廣義的膜污染不僅包括由于不可逆的吸附、堵塞而引起的污染(不可逆污染),而且還包括因可逆的濃差極化而形成的凝膠層污染(可逆污染)。膜分離的基本表達(dá)式:J=ΤΜΡμR(1)J=TMPμR(1)式中J——膜通量,L/(h·m2);TMP——跨膜壓差,kPa;μ——水的粘度,kPa·h(通常采用Pa·s,此處為了量綱和諧采用kPa·h);R——膜過濾的總阻力,m-1。式(2)為膜通量的定義式,由于試驗(yàn)過程中水溫變化較大,本文在計(jì)算SF時(shí)采用式(2)修正了水溫對水粘度的影響。為了比較不同膜面積、不同工作壓力下膜的透水特性,引入膜比通量(specificf1ux,SF)的概念。SF是單位跨膜壓差作用下膜通量的變化量,其單位為L/(h·m2·mH2O),定義式見式(3)。將式(1)代入式(3)可得式(4),由式(4)可知,經(jīng)溫度校正以后,SF可以表征過膜總阻力的倒數(shù)。它的變化能間接反映膜阻力的變化和膜污染的情況,為了比較不同操作條件對膜污染的影響,本文將單位產(chǎn)水量下SF的變化定義為比通量衰減速率σ,其定義式見式(5)。比通量衰減速率σ能反映膜污染的快慢,比通量衰減速率越大,說明膜污染越快。比通量衰減速率是經(jīng)過了溫度校正之后得出的,消除了溫度變化對膜產(chǎn)水能力帶來的影響,更注重于膜本身的污染狀況。J′=QA=Q0e-0.0239(Τ-20)A=J0e-0.0239(Τ-20)(2)式中J′——經(jīng)過溫度校正后的膜通量,L/(m2·h);Q——經(jīng)溫度校正后的膜組件出水流量,L/h;A——膜表面積,m2;Q0——膜組件出水流量實(shí)測值,L/h;T——混合液溫度,℃;J0——實(shí)測的膜通量,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——跨膜壓差,mH2O。SF=e-0.0239(Τ-20)μR(4)σ=(SF0-SFt)/ΔQ(5)式中σ——比通量衰減速率,[L/(m2·h·mH2O)]/m3;SF0——膜試驗(yàn)初始運(yùn)行時(shí)的膜比通量,L/(m2·h·mH2O);SFt——膜試驗(yàn)在運(yùn)行時(shí)間t時(shí)的膜比通量,L/(m2·h·mH2O);ΔQ——時(shí)間t內(nèi)膜組件的產(chǎn)水量,m3。2.1氣水比對fps衰減速率的影響本試驗(yàn)采用的膜工藝單元是浸沒式超濾膜,其最主要的延緩膜污染的方式是曝氣,是以單位時(shí)間曝氣量與單位時(shí)間出水量的比值即氣水比來衡量的。不同的氣水比將導(dǎo)致能耗的不同,以及對膜污染影響的不同,考察最佳的氣水比是工藝參數(shù)優(yōu)化的重要內(nèi)容。試驗(yàn)考察了在通量為31.2L/(m2·h)、三天排泥一次的情況下,不同氣水比條件下SF隨時(shí)間的變化情況,如圖2所示。不同氣水比對比通量衰減速率的影響如圖3所示。由圖2與圖3可知,氣水比為5∶1時(shí),SF下降得很快,比通量衰減速率σ約是氣水比為8∶1工況下的5倍。氣水比為8∶1時(shí),SF下降趨緩,氣水比為10∶1時(shí),SF下降趨勢與氣水比8∶1時(shí)的趨勢基本相同?？梢姎馑却笥?∶1以后,比通量衰減速率的下降趨勢保持基本不變。分析可能的原因是:氣水比較低時(shí),在膜表面形成的水氣錯(cuò)流流速產(chǎn)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積,增加氣水比后膜表面的水氣流流速增大,提高了污染物從膜面到料液的擴(kuò)散速率,同時(shí)產(chǎn)生足夠大的剪切作用使膜面的濾餅層與水中污染物達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡,從而使污染物不易在膜面沉積,延緩膜污染。Meng等也有類似的研究結(jié)果,同時(shí)指出過高的氣水比會(huì)使污泥絮體被強(qiáng)大的剪切力所破壞,細(xì)小污泥顆粒物質(zhì)增多,這些物質(zhì)更易在膜表面和膜孔內(nèi)吸附,從而加劇膜污染。另外,高氣水比還會(huì)造成高能耗,增加運(yùn)行成本。綜合考慮在工藝中采用介于8∶1與10∶1的氣水比。2.2膜通量的確定通量是膜工藝中的一個(gè)重要參數(shù),通量越大,則表明在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)水量一定的條件下,所需要的膜就越少,這對于降低膜工藝的初期投資以及減少設(shè)備的占地面積都很有意義。由式(1)可知,高通量必然會(huì)導(dǎo)致跨膜壓差的增大,從而使膜污染加劇,如果通量過高,膜污染速率過快,則需要頻繁地化學(xué)清洗,一方面使產(chǎn)水時(shí)間減少,另一方面也會(huì)縮短膜的使用壽命,因此確定合理的通量是膜試驗(yàn)中的一個(gè)重要內(nèi)容。試驗(yàn)中考察了低溫低濁期,每天排泥以及助凝劑為水玻璃的情況下通量分別為25L/(m2·h)、30L/(m2·h)、40L/(m2·h)的三種工況。三種工況下SF隨時(shí)間的變化情況如圖4所示。不同SF對比通量衰減速率的影響如圖5所示。由圖4可知,通量為25L/(m2·h)工況的SF隨時(shí)間的變化最為緩慢,而通量為30L/(m2·h)與40L/(m2·h)工況的SF隨時(shí)間的變化相對于通量25L/(m2·h)時(shí)均較快,尤其是通量為40L/(m2·h)的工況,僅22hSF就從16.2L/(h·m2·mH2O)降到了13L/(h·m2·mH2O)。由圖4與圖5可知,比通量衰減速率σ由小到大的順序?yàn)?通量25L/(m2·h)、30L/(m2·h)、40L/(m2·h)?？梢娫谕繛?5L/(m2·h)的工況下,膜污染最為緩慢,是低溫低濁期的一個(gè)比較合適的工況。2.3排泥工況對顆粒粒度分布的影響浸沒式超濾膜工藝運(yùn)行的方式是死端過濾,當(dāng)膜池里的膜截留物質(zhì)積累到一定程度的時(shí)候,為了防止截留物過多而堵塞膜孔徑以及濃差極化造成膜污染,會(huì)將膜池里的水排掉,稱為排泥。在本試驗(yàn)中,為了保持產(chǎn)水率在98%以上,采取了每3天排泥一次排凈膜池水(3m3)的方式和每天排泥一次只排放膜池水的1/3(1m3)的方式,排泥都是當(dāng)水位在低液位時(shí)進(jìn)行。兩種工況均在通量為25L/(m2·h),氣水比為10∶1情況下運(yùn)行。3天排泥、每天排泥兩種工況下SF隨時(shí)間的變化情況如圖6所示。不同排泥方式對比通量衰減速率的影響如圖7所示。由圖6與圖7可知,3天排泥工況下的SF下降要快于每天排泥工況。對于比通量衰減速率σ,每天排泥工況小于3天排泥工況?？梢娒刻炫拍嗟墓r要優(yōu)于3天排泥的工況。試驗(yàn)中測定了3天排泥工況以及每天排泥工況排泥前膜池水的粒度分布,用顆粒的體積平均粒徑D43來描述顆粒群的粒徑大小,D43可由儀器直接測得。用粒度分布寬度(Span)來定量描述顆粒的分布情況,粒度寬度越小,粒徑分布越集中。粒度分布寬度計(jì)算公式如下:Span=d(0.9)-d(0.1)d(0.5)(6)式中d(X)——表示一特定的顆粒粒徑值,低于此粒徑的顆粒占總體積的百分比。圖8為3天排泥和每天排泥運(yùn)行第3天的混合液的粒度分布。雖然3天排泥與每天排泥工況在3天內(nèi)排出的混合液總量是相同的,但3天排泥的混合液體積濃度是每天排泥的混合液體積濃度的1.4倍,這是由于每天排泥過程中,由于大懸浮顆粒的迅速下沉,能通過吸附卷掃作用將水中的細(xì)小顆粒一起排出膜池,從而3天內(nèi)排放的總懸浮物多于3天排泥的工況。由圖8可知,兩種混合液中顆粒的粒度均分布于0.55～363.08μm,3天排泥的混合液顆粒80%的粒度分布在5.21～38.27μm,混合液的體積平均粒度為20.24μm,經(jīng)計(jì)算得到混合液粒群的粒度分布寬度為2.28;每天排泥的混合液中顆粒80%的粒度分布在4.75～28.09μm,混合液的體積平均粒度為15.74μm,經(jīng)計(jì)算其混合液粒群的粒度分布寬度為2.01。有研究表明,膜各部分污染阻力的變化與顆粒粒徑/膜孔徑(dp/dm)的比值有一定的聯(lián)系,濾餅層阻力的絕對值和相對值隨過濾體系中顆粒粒徑的增大而減小,當(dāng)超過一定粒徑后絕對值趨于穩(wěn)定,并指出當(dāng)dp/dm大于10時(shí),膜污染主要由膜表面的顆粒沉積層控制,但隨著顆粒粒徑的增大,濾餅層阻力基本不減小。因此,雖然每天排泥的混合液的平均顆粒粒度比3天排泥混合液的平均顆粒粒度要略偏小,但均是超濾膜孔徑的30倍以上,所以二者平均粒度的不同對膜污染的影響不大。每天排泥的混合液粒群的粒度分布寬度小于3天排泥混合液粒群的粒度分布寬度,即每天排泥的混合液粒群的粒度分布比較集中,因此在膜表面形成的濾餅層會(huì)比較松散,而3天排泥的混合液的顆粒粒度分布比較分散,小粒徑的顆粒填充、停留于大粒徑顆粒的空隙中而減少了濾餅層的孔隙率,使膜表面形成的濾餅層比較密實(shí),增加了濾餅層的阻力,因此每天排泥的運(yùn)行方式有助于延緩膜的污染。2.4fps的穩(wěn)定性為了減緩膜污染,每次排泥前對膜進(jìn)行一定時(shí)間空曝氣,使SF能有一定程度的恢復(fù)。在試驗(yàn)中考察了空曝氣時(shí)間對SF恢復(fù)的影響。曝氣量不變,在排泥前先測得停止出水前的膜比通量,再停止出水,曝氣5min,測膜比通量,如此循環(huán),直到膜比通量增長比較緩慢時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。SF隨曝氣時(shí)間的變化情況如圖9所示。由圖9可知,在前5min內(nèi),SF有緩慢的上升,5～10minSF增長迅速,之后又趨于平緩。分析可能的原因如下:經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行,膜表面的濾餅層與膜池水中的污染物達(dá)到了一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡,這時(shí)的濾餅層不易在剪切力的作用下吹脫,故在前5minSF恢復(fù)緩慢,在不出水的情況下經(jīng)過5min的曝氣與浸泡后,水中的污染物混合均勻,去除了濃差極化和濾餅層形成的外部條件,同時(shí)膜表面新形成的濾餅層被泡松軟了,所以在氣液兩相流形成的剪切力作用下被吹脫,使SF得到一定的恢復(fù),當(dāng)新近形成的濾餅層脫落后,原來經(jīng)過不斷運(yùn)行積累起來的老的濾餅層壓得比較密實(shí),曝氣產(chǎn)生的剪切力不足以將其有效吹脫,故15min后SF恢復(fù)變緩慢。綜合考慮,每次排泥前采用空曝氣10min作為運(yùn)行參數(shù)。2.5清洗膜組件污染物濃度當(dāng)膜通量由于不可逆污染的影響下降到一定程度后,即試驗(yàn)中當(dāng)跨膜壓差TMP上升到設(shè)定的上限5mH2O時(shí),需要進(jìn)行化學(xué)清洗來恢復(fù)。在試驗(yàn)中采用500mg/L次氯酸鈉和0.36%的鹽酸分別浸泡18h和24h,由于溫度太低,采用30℃左右的熱水配制酸液與堿液。新膜的初始SF0為27.6L/(m2·h·mH2O),化學(xué)清洗效果較好,SF從清洗前的8.48L/(m2·h·mH2O)上升到清洗后的25.58L/(m2·h·mH2O),恢復(fù)為初始SF0的92.7%。試驗(yàn)階段對化學(xué)清洗的洗脫液成分進(jìn)行了具體分析,為了便于與其他研究比較,將清洗液體積與相應(yīng)污染物濃度相乘,得到清洗膜組件上特定污染物的總質(zhì)量,再除以膜組件面積,結(jié)果如表3所示。堿洗液中的DOC濃度高于酸洗液,堿洗液DOC濃度約是酸洗液中DOC濃度的1.5倍,說明堿洗對有機(jī)物的去除效果優(yōu)于酸洗。酸洗液中金屬離子以及硅的濃度明顯高于堿洗液,說明酸洗對無機(jī)物的去除效果優(yōu)于堿洗。莫罹等的研究也得出了類似的結(jié)論。膜受無機(jī)離子污染由高到低的順序?yàn)?鈣、鐵、鎂、鋁、硅。鈣、鎂污染主要是灤河水中的硬度較高引起的,鐵、鋁污染較高是由于絮凝劑