浸沒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生措施。膜技術是解決飲用水安全的有效途徑。目前，中國可以生產大量高質量和高價格的超濾膜和微濾膜。以超濾膜為核心的融合工藝是我國飲用水處理的一個新方向。其中，浸泡式超濾膜具有低能耗、高回收率、占地面積小、使用靈活等優點，在水處理領域引起了越來越多的關注。浸沒式超濾膜運行過程中的膜污染控制方法是膜技術應用研究的重點,但主要集中在膜生物反應器的研究上.有研究表明,在膜生物器的運行過程中,強化曝氣可以減輕膜污染;反沖洗是保持恒定膜通量,維持膜系統長期穩定運行的有效措施;膜外部阻力是膜阻力的主要組成部分,設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,可以通過優化運行操作條件,減輕膜運行過程中的污染物沉積以及膜污染.本文以浸沒式超濾膜處理地表水為研究對象,重點考察超濾膜組件的運行操作條件,即曝氣、反沖洗、排污以及化學清洗對膜運行壓力變化或恢復效果的影響,從而對浸沒式超濾膜處理地表水的運行方式及運行參數進行優化.1試驗設備和試驗方法1.1浸沒式超濾裝置試驗裝置如圖1所示,該裝置處理能力為5.0m3/h.原水經潛水泵抽取后進入原水箱,經原水泵提升后進入反應器,反應器內的水位通過液位控制器控制,反應器中放置浸沒式超濾膜組件,膜組件底部采用穿孔管鼓風曝氣,膜出水由抽吸泵負壓抽吸,并定期以膜出水對膜組件進行反沖洗.該裝置運行采用可編程程序控制器(PLC)控制,通過變頻器調整膜運行參數;運行中的膜產水流量由液體管道流量計測定,膜運行壓力由真空壓力表測定;運行過程中,膜通量保持恒定(恒為20L/(m2·h)),膜污染狀況用膜運行壓力的大小來間接表示.1.2膜組件工藝參數試驗用膜為國產外壓式中空纖維超濾膜,每個膜組件安裝3簾膜,膜組件主要工藝參數如表1所示.1.3實驗中的原水水質特點試驗原水為受一定程度生活污水污染的河道水,其水質特點如表2所示.2試驗結果與討論2.1曝氣強度對運行壓力的影響在浸沒式超濾膜運行過程中,利用曝氣產生的水流紊動可以阻止膜表面濾餅層的形成,使運行壓力在一定時間內保持穩定.圖2、3所示為曝氣時間和曝氣強度對膜運行壓力的影響.圖2所示為在曝前運行壓力相當的條件下,改變曝氣強度和曝氣時間,膜運行壓力的變化情況.由結果可以發現,當曝氣強度為15、30m3/(m2·h)時,膜曝后運行壓力降低緩慢,曝氣5min后才趨于穩定;當曝氣強度增加至45、60m3/(m2·h)時,曝后運行壓力快速下降,曝氣1min后即降到最低水平,并且較高的曝氣強度并不能使運行壓力進一步降低.這與提高錯流速度可以防止濾餅層在膜面的沉積以減緩膜污染進程的試驗結論是一致的.圖3所示為曝氣間隔為30min,曝氣時間為3min,曝氣強度不同時,膜運行壓力在24h過濾時間內的變化情況.結果表明,在不同的曝氣強度條件下,隨過濾時間的延長,膜運行壓力的增長程度不同.在曝氣強度分別為15、30、45、60m3/(m2·h)時,運行壓力在24h內分別增長46.0%、23.8%、10.3%、37.9%.由結果可以發現,對于較高或較低的曝氣強度,膜運行壓力均呈現增長速度較快的現象,試驗中合適的曝氣強度為45m3/(m2·h).分析其原因為:曝氣強度較低時,由氣泡擾動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,膜過濾阻力是以濾餅層阻力為主;當曝氣強度過高時,污泥絮體被強大的剪切力所破碎,細小污泥顆粒和膠體類物質增多,這些物質更容易引起膜孔的吸附和堵塞,從而使運行壓力升高.2.2抗清洗效率2.2.1反洗前后的壓力試驗過程中對比了單獨水力反沖洗和氣水同時反沖洗對膜運行壓力的恢復效果,結果如圖4所示.其中,單獨水力反沖洗是指清洗水經過與產水相反的方向,由膜絲內部向膜絲外部流動的反沖洗;氣水同時反沖洗是指清洗水由膜絲內部向膜絲外部流動進行反沖洗的同時,在膜絲的外表面進行曝氣.結果表明,在反洗前運行壓力相當的條件下,氣水同時反洗的效果明顯優于單獨水反洗的效果,氣水反洗時運行壓力下降28.6%,單獨水反洗時壓力下降21.7%;并且,兩種反洗方式進行5min后,膜運行壓力均降到最低值并達到穩定.氣水同時反洗是利用氣體在組件內膜絲之間的爆破形成的震蕩,使附著在膜表面的污染物質得以脫落,并被沖洗水帶走,從而達到改善單獨水力反沖洗效果的目的.2.2.2運行壓力下降率為了達到最優的反洗效果,并節約反洗用水量,試驗中改變氣水反洗時的水力反沖洗強度,考察其對膜運行壓力恢復效果的影響,結果如圖5所示.由圖5可以發現,水力反洗強度由15L/(m2·h)增至60L/(m2·h),運行壓力下降率由17.0%提高至18.6%;反洗強度增至100L/(m2·h)時,壓力下降率降至13.8%.這說明一定范圍內增加反洗強度會提高反洗效果,但是反洗強度繼續增加反而會導致反洗效果變差.試驗中合適的水力反洗強度為60L/(m2·h).分析其原因為:水力反洗的作用是將污染物從膜孔內脫落,并將其帶到膜外表面得以去除.當水力反洗強度過低時,不能使膜孔內吸附的污染物完全脫落,使反洗效果不理想;反洗強度過高時,膜孔內的污染物會被水流剪切力所破碎,形成的細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濾阻力上升機理,可以將膜過濾阻力分為膜構造阻力、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,膜構造阻力恒定,不可逆污染造成的阻力在短期內可忽略不計.在浸沒式超濾膜處理地表原水試驗中,很難單獨將濾餅層阻力、濃差極化阻力以及吸附阻力單獨測出.本試驗定義濃差極化阻力為反應器內換水前后膜運行壓力的降低部分;濾餅層阻力為曝氣前后運行壓力下降部分;膜孔吸附阻力則是指反沖洗前后壓力下降部分.試驗所得結果如圖6和表3所示.結果表明:反洗前后壓差為0.006MPa,反洗排污前運行壓力為0.0295MPa,反洗排污后運行壓力為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,必須定期對膜組件進行反洗排污.2.4膜化學清洗工藝圖7所示為較長運行時間時,膜運行壓力的增長情況.結果表明,在每個反洗周期內,由于濃差極化現象和膜孔堵塞程度的增加,運行壓力會升高,經氣水同時反洗后,運行壓力會得到很大程度的降低;但是,由于膜污染的存在,膜反洗后運行壓力還是呈現上升的趨勢.說明定時的氣水反沖洗不能徹底消除長期運行時產生的膜污染,需要定期對膜進行化學清洗.根據圖7所示的結果,當膜運行約3個月后,經過氣水反洗后的運行壓力由膜剛使用時的0.013MPa升高至0.050MPa.此時,單獨的物理清洗已不能使運行壓力大幅度降低,必須對膜進行化學清洗.有研究結果表明,合理的化學清洗順序為:氣水反洗、堿洗、酸洗.本試驗的化學清洗步驟為:膜經過氣水反洗后,在反應器中注滿0.12%NaClO和1%NaOH溶液,曝氣3h,浸泡12h后,排掉清洗液,向反應器中注滿清水,曝氣30min,反洗2h;然后,在反應器中注滿2%檸檬酸溶液,采取與堿洗相同的清洗步驟.化學清洗效果如圖8所示.結果表明,堿洗后,膜運行壓力由0.050MPa降至0.0155MPa;進一步酸洗后,膜運行壓力仍為0.0155MPa.可見堿洗可使膜運行壓力顯著降低,酸洗對膜運行壓力變化不明顯.試驗過程中對化學清洗前后混合液中的有機物含量進行檢測.結果表明,在堿洗前,反應器中混合液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,水中有機物(CODMn值)增加4倍左右.這說明試驗過程中,水中有機物污染是造成膜污染的主要原因.3水力反洗強度1)浸沒式超濾膜運行過程中,曝氣強度存在最優值;較高或較低的曝氣強度,均會使膜運行壓力呈現增長速度較快的現象,試驗中適宜的曝氣強度為45m3/(m2·h);2)氣水同時反沖洗較單獨水力反洗對膜運行壓力的恢復效果好;