新型陶瓷納濾膜在飲用水安全凈化處理中的應(yīng)用探究

王 瑞

（西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，361021）

1 納濾膜濾速衰減原因

一般而言，造成納濾膜濾速衰減現(xiàn)象可歸納為兩個(gè)原因：一為薄膜表面濾餅形成使得過濾阻抗增加，通常此為可逆現(xiàn)象；此即藉由改變進(jìn)流水方向成為掃流過濾方式，在過濾進(jìn)行中，懸浮液中微粒除受濾液拉曳力作用外同時(shí)也受流場逆?zhèn)鬏斪饔昧ψ饔枚x開薄膜表面，最后濾液拉曳力與流場逆?zhèn)鬏斪饔昧闪_(dá)到平衡時(shí)，使聚積在濾面濾餅厚度不再增加而濾速也能保持穩(wěn)定狀態(tài)但目前掃流過濾方式設(shè)備卻有愈趨復(fù)雜趨勢，且因進(jìn)流水由壓力抽送不斷循環(huán)，而壓濾通過薄膜濾液流量比起掃流回流液流量甚小，因此相對有效作功能量比例甚低且回流液濃度愈來愈高濾液流量愈來愈小，因此顯得不經(jīng)濟(jì)。另一原因?yàn)楸∧?nèi)部孔道阻塞現(xiàn)象使得過濾阻抗增加，此為不可逆現(xiàn)象，而此一阻塞現(xiàn)象與微粒及薄膜特性有關(guān)，因此難以藉由掃流或操作條件變化來控制，但可藉著慎選適當(dāng)?shù)谋∧た讖交驊?yīng)用一些前處理方法或使用多種型式去阻塞設(shè)備：包括進(jìn)出流水和濾液脈沖方式、空氣或?yàn)V液逆洗方式、納濾膜器加裝電場或超音波震蕩方式等，來加以控制及克服，然根據(jù)過去文獻(xiàn)所做研究，顯示以濾液逆洗方式最為經(jīng)濟(jì)且效果最佳。

綜合以上MF 過濾效率及經(jīng)濟(jì)性考量，著者在前期研究以改善傳統(tǒng)垂直流過濾方式，研發(fā)以活塞為動力并圓管型無機(jī)薄膜處理設(shè)備，并結(jié)合進(jìn)流水掃流及濾液逆洗等去阻塞設(shè)備優(yōu)點(diǎn)，能有效地節(jié)省能源且提高薄膜處理成效。然由前期研究結(jié)果顯示其使用有機(jī)薄膜雖具有過濾阻抗小優(yōu)點(diǎn)，但卻易受酸堿侵蝕及不能再生使用、拆裝麻煩等缺點(diǎn)，而無法廣泛的應(yīng)用于各種工業(yè)廢水處理。是以本研究改以高機(jī)械強(qiáng)度及穩(wěn)定性、高耐溫性、耐化學(xué)藥性、有較大的pH 操作范圍、易清洗再生與較佳生物穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)無機(jī)薄膜取代前研究所使用有機(jī)薄膜，并探討最佳過濾-逆洗時(shí)間周期與最佳濃縮液排放頻率。本設(shè)備也以XX污水廠廢水為水樣，分別以直接過濾和以混凝為前處理二種處理方式，于實(shí)驗(yàn)中藉由處理前后水質(zhì)濁度、懸浮固體物、COD 與TOC 質(zhì)監(jiān)測及濾液流量量取，來探討各種處理成效。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

本計(jì)劃實(shí)驗(yàn)配置圖如圖1 所示，其主要設(shè)備分述如下：

2.1 管狀型納濾膜裝置

采用法國Tech-set Company 的Micro-Carbosep 20 system 外管為不銹鋼套管制成，管長為27.5 公分，管內(nèi)徑為2公分，管二端設(shè)有過濾進(jìn)流水與出流水進(jìn)出口，另外管身亦設(shè)有濾液出口可收集濾液。不銹鋼套管內(nèi)可套裝長20 公分、內(nèi)徑0.6公分陶瓷薄膜圓管，進(jìn)流水由陶瓷薄膜圓管內(nèi)部進(jìn)入壓力透過薄膜，待充滿內(nèi)、外管間隙后經(jīng)由濾液出口收集至天平稱重，再傳訊至電腦記錄繪圖。

圖1 納濾膜系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.2 動力設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)動力設(shè)備系以空壓機(jī)壓縮空氣，并藉油壓裝置（直徑為10cm、高30cm 二槽）來推進(jìn)活塞做往復(fù)式運(yùn)動，活塞直徑為6cm，活塞最大推進(jìn)路徑為30cm（不銹鋼制），并連接管狀型陶瓷納濾膜設(shè)備。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 最佳過濾與逆洗時(shí)間間距

當(dāng)納濾膜時(shí)間間距設(shè)定較長時(shí)，在120 分鐘濾程中活塞往復(fù)次數(shù)較少，如此可減少因活塞往復(fù)時(shí)所造成壓力泄降現(xiàn)象，但相對同時(shí)，薄膜卻因隨著過濾時(shí)間增長而過濾阻抗增加，使得濾液流量減少，因此過濾時(shí)間間距有最佳值存在。而在逆洗時(shí)間間距方面；當(dāng)薄膜逆洗時(shí)間間距設(shè)定愈長時(shí)，則薄膜逆洗愈完全阻抗愈低，可獲得愈大濾液流量，但相對也使因逆洗所損失濾液量增加，且使過濾時(shí)間減短，因此逆洗時(shí)間間距亦有其最佳值存在。由圖2 結(jié)果顯示，當(dāng)過濾與逆洗時(shí)間周期設(shè)定為90sec，而其中過濾與逆洗時(shí)間間距分別設(shè)定為85sec 及5sec 時(shí)可獲得最大濾液流量。

圖2 最佳過濾與逆洗時(shí)間的間距

3.2 最佳濃縮液排放周期

隨過濾進(jìn)行，薄膜內(nèi)管進(jìn)流水濃度漸增，造成濾液流量漸減最后趨近于零，此即為垂直流過濾方式最大缺點(diǎn)。因此為提高過濾成效，應(yīng)在適當(dāng)時(shí)機(jī)將濃縮液排放或回流回儲槽。本實(shí)驗(yàn)配合活塞壓縮時(shí)以掃流方式將濃縮液排放，而排放周期愈頻繁愈可減低薄膜表面濃縮液濃度增加濾液流量，但也造成過濾時(shí)間減短濾液流量減少現(xiàn)象，是以濃縮液排放周期有其最佳值存在。由圖3所示，當(dāng)濃縮液排放周期為每三個(gè)過濾循環(huán)排放一次時(shí)，可獲得最大濾液流量。

圖3 最佳濃縮液排放周期

3.3 廢水處理

于實(shí)驗(yàn)中所用薄膜孔徑大小分別為：去除分子量（Molecular cut off，MWCO）15 萬（M9）、30 萬（M1）及 0.14、0.20、0.45μm等五種，由表1 與表2 結(jié)果顯示，在濾液流量方面︰以直接過濾處理方式當(dāng)薄膜孔徑為0.14μm 時(shí)所獲得濾液流量為最大，而當(dāng)薄膜孔徑為0.20μm 時(shí)所獲得濾液流量為最??；另以膠凝為前處理處理方式當(dāng)薄膜孔徑為MWCO 15 萬 時(shí)所獲得濾液流量為最大，而仍以薄膜孔徑為0.20μm 時(shí)所獲得濾液流量為最小。

表1 廢水直接過濾后濾液水質(zhì)

表2 廢水混凝過濾后濾液水質(zhì)

4 結(jié)論

本研究往陶瓷復(fù)式無機(jī)膜過濾系統(tǒng)，最佳過濾周期時(shí)間為90 秒、每一過濾周期最佳逆洗時(shí)間為5 秒及濃縮液每三周期排放1 次可獲得最大濾液流量。另將本過濾系統(tǒng)應(yīng)用于廢水處理，并分別以直接過濾和以混凝為前處理二種處理方式，在濾液流量方面：以直接過濾處理方式當(dāng)薄膜孔徑為0.14μm 時(shí)所獲得濾液流量為最大，而當(dāng)薄膜孔徑為0.20μm 時(shí)所獲得濾液流量為最?。涣硪曰炷秊榍疤幚硖幚矸绞疆?dāng)薄膜孔徑亦以去除分子量MWCO 15 萬時(shí)所獲得濾液流量為最大，而仍以薄膜孔徑為0.20μm時(shí)所獲得濾液流量為最小，這個(gè)部分視懸浮液中粒徑分布情形而定，因此在選擇薄膜孔徑時(shí)應(yīng)先分析欲處理廢水中粒徑大小與分布，方能選取最佳薄膜孔徑。在過濾水質(zhì)方面：混凝過濾對于濁度去除效果佳，但在TOC 和COD 的去除效果則不佳。

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