混凝-沉淀-浸沒式超濾工藝處理灤河原水中試研究

傳統的給排水處理技術已越來越難以滿足越來越嚴格的水質標準的要求。與常規水處理工藝相比,膜法具有出水水質穩定、安全性高、占地面積小、容易實現自動化控制等優點,并且隨著膜技術的不斷進步及其成本的大幅降低,使得該技術成為水處理領域中最具發展潛力的技術之一。膜反應器在運行過程中,因膜污染引起的過濾阻力增加和滲透通量下降,是限制膜分離技術廣泛應用的瓶頸之一。膜污染是指處理物料中的微粒、膠體粒子或溶質大分子由于與膜存在物理化學相互作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞,使膜產生透過流量與分離特征的不可逆變化現象。本文考察了氣水比、通量、排泥方式以及排泥前空曝氣時間等操作條件對浸沒式超濾膜污染的影響。1試驗安裝和方法1.1學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,相關膜組件參數見表1。為了減緩跨膜壓差的增長,減少化學清洗頻率,采用了連續曝氣及間歇出水的方式運行,膜工藝部分由可編程控制器(PLC)自動控制。相對于傳統的混凝—沉淀—過濾工藝,用超濾膜代替了濾池。灤河原水經水廠原有傳統工藝的混凝—斜管沉淀池處理后作為膜進水,膜進水經潛水泵提升后進入膜分離池,膜分離池的有效容積約為4.2m3,經膜過濾后的水在加氯消毒后可直接進入清水池。1.2u3000酸度計CODMn:酸性高錳酸鉀法;UV254:TU1800型紫外/可見分光光度計;濁度:2100P型便攜式濁度儀;pH:PB25型酸度計;溫度:水銀溫度計;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膜進水口試驗共運行了52天,在試驗過程中,膜進水水質變化不大,具體的膜進水水質如表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,由于試驗過程中水溫變化較大,本文在計算SF時采用式(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,經溫度校正以后,SF可以表征過膜總阻力的倒數。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過了溫度校正之后得出的,消除了溫度變化對膜產水能力帶來的影響,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′——經過溫度校正后的膜通量,L/(m2·h);Q——經溫度校正后的膜組件出水流量,L/h;A——膜表面積,m2;Q0——膜組件出水流量實測值,L/h;T——混合液溫度,℃;J0——實測的膜通量,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——膜試驗初始運行時的膜比通量,L/(m2·h·mH2O);SFt——膜試驗在運行時間t時的膜比通量,L/(m2·h·mH2O);ΔQ——時間t內膜組件的產水量,m3。2.1氣水比對fps衰減速率的影響本試驗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,是以單位時間曝氣量與單位時間出水量的比值即氣水比來衡量的。不同的氣水比將導致能耗的不同,以及對膜污染影響的不同,考察最佳的氣水比是工藝參數優化的重要內容。試驗考察了在通量為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,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,SF下降趨緩,氣水比為10∶1時,SF下降趨勢與氣水比8∶1時的趨勢基本相同。可見氣水比大于8∶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,在膜表面形成的水氣錯流流速產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散速率,同時產生足夠大的剪切作用使膜面的濾餅層與水中污染物達到一個動態平衡,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果,同時指出過高的氣水比會使污泥絮體被強大的剪切力所破壞,細小污泥顆粒物質增多,這些物質更易在膜表面和膜孔內吸附,從而加劇膜污染。另外,高氣水比還會造成高能耗,增加運行成本。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重要參數,通量越大,則表明在單位時間內產水量一定的條件下,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備的占地面積都很有意義。由式(1)可知,高通量必然會導致跨膜壓差的增大,從而使膜污染加劇,如果通量過高,膜污染速率過快,則需要頻繁地化學清洗,一方面使產水時間減少,另一方面也會縮短膜的使用壽命,因此確定合理的通量是膜試驗中的一個重要內容。試驗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隨時間的變化相對于通量25L/(m2·h)時均較快,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由小到大的順序為: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行的方式是死端過濾,當膜池里的膜截留物質積累到一定程度的時候,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,會將膜池里的水排掉,稱為排泥。在本試驗中,為了保持產水率在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,排泥都是當水位在低液位時進行。兩種工況均在通量為25L/(m2·h),氣水比為10∶1情況下運行。3天排泥、每天排泥兩種工況下SF隨時間的變化情況如圖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要優于3天排泥的工況。試驗中測定了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小顆粒一起排出膜池,從而3天內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,經計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,經計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,當超過一定粒徑后絕對值趨于穩定,并指出當dp/dm大于10時,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,增加了濾餅層的阻力,因此每天排泥的運行方式有助于延緩膜的污染。2.4fps的穩定性為了減緩膜污染,每次排泥前對膜進行一定時間空曝氣,使SF能有一定程度的恢復。在試驗中考察了空曝氣時間對SF恢復的影響。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,直到膜比通量增長比較緩慢時試驗結束。SF隨曝氣時間的變化情況如圖9所示。由圖9可知,在前5min內,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:經過長時間的運行,膜表面的濾餅層與膜池水中的污染物達到了一個動態平衡,這時的濾餅層不易在剪切力的作用下吹脫,故在前5minSF恢復緩慢,在不出水的情況下經過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,當新近形成的濾餅層脫落后,原來經過不斷運行積累起來的老的濾餅層壓得比較密實,曝氣產生的剪切力不足以將其有效吹脫,故15min后SF恢復變緩慢。綜合考慮,每次排泥前采用空曝氣10min作為運行參數。2.5清洗膜組件污染物濃度當膜通量由于不可逆污染的影響下降到一定程度后,即試驗中當跨膜壓差TMP上升到設定的上限5mH2O時,需要進行化學清洗來恢復。在試驗中采用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),恢復為初始SF0的92.7%。試驗階段對化學清洗的洗脫液成分進行了具體分析,為了便于與其他研究比較,將清洗液體積與相應污染物濃度相乘,得到清洗膜組件上特定污染物的總質量,再除以膜組件面積,結果如表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,說明堿洗對有機物的去除效果優于酸洗。酸洗液中金屬離子以及硅的濃度明顯高于堿洗液,說明酸洗對無機物的去除效果優于堿洗。莫罹等的研究也得出了類似的結論。膜受無機離子污染由高到低的順序為: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