磁絮凝-膜過濾工藝中膜清洗的研究

龐治邦，姚吉倫，劉　波，周　振

(后勤工程學院　a.國防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系； b.國家救災應急裝備工程技術研究中心，重慶　401331)

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磁絮凝-膜過濾工藝中膜清洗的研究

龐治邦a，姚吉倫b，劉波a，周振a

(后勤工程學院a.國防建筑規(guī)劃與環(huán)境工程系； b.國家救災應急裝備工程技術研究中心，重慶401331)

摘要：采用孔徑為200 nm的陶瓷膜處理微污染水，研究了試驗工藝和常規(guī)工藝在不同條件下的膜清洗恢復情況，分析了反沖洗壓力、反沖洗時間以及化學藥劑對膜通量恢復的影響，并對試驗工藝進行了長期、連續(xù)運行。結(jié)果表明：該試驗工藝清洗情況運行良好；當反沖洗壓力為0.60 MPa、反沖洗時間為40 s時，使用檸檬酸進行清洗時效果最好。

關鍵詞：陶瓷膜；膜清洗；膜通量

磁絮凝技術是常規(guī)絮凝與磁化技術有機結(jié)合的強化混凝技術，具有水源適應性好、出水水質(zhì)穩(wěn)定、易于自動化管理等優(yōu)點，被譽為新興的水處理技術[1-3]。近些年來出現(xiàn)了磁絮凝技術與膜分離技術的組合工藝進行給水處理的研究，取得了很好的效果[4-5]。由于磁絮凝-膜過濾工藝占地面積小、處理效果好，且易于實現(xiàn)自動化控制,使其在一體化凈水裝備中應用前景廣闊。但同時膜在使用過程中會受到污染，使膜的產(chǎn)水通量降低，跨膜壓差升高，導致產(chǎn)水量減少和動力費用成本增加。此外，膜污染還會直接影響膜的使用壽命，增加制水成本，影響裝備的高效性、安全性和可靠性[6-7]。

本試驗所用陶瓷膜采用凈水車微濾膜組件。研究了不同條件下陶瓷膜的清洗效果，并對膜的清洗條件進行了優(yōu)化，為磁絮凝和膜分離組合工藝的應用提供了借鑒和參考。

1材料與方法

1.1試驗裝置

試驗裝置由南京慧城公司加工，主體試驗裝置包括混凝預處理裝置、膜分離裝置和膜清洗裝置。裝置框架支撐結(jié)構(gòu)由不銹鋼制作，管道采用U-PVC管材。試驗裝置核心組件為多孔道式陶瓷膜，由南京慧城公司生產(chǎn)，材質(zhì)為Al2O3，膜孔徑為200 nm，孔道數(shù)為19，長度為0.5 m，單根有效過濾面積為0.11 m2。原水在進入膜組件之前在磁絮凝反應單元進行預處理。膜系統(tǒng)共包括2套膜過濾組件，采用串聯(lián)的連接方式。膜過濾試驗流程見圖1。

1.2清洗方法

按照清洗方案，當膜通量下降到一定程度后，調(diào)節(jié)閥門，開啟空壓機將反沖洗水箱中的濾后水壓入膜組件進行反沖洗，反沖洗結(jié)束后用清水循環(huán)過濾清洗。當膜污染嚴重時，先進行反沖洗再進行化學清洗。化學清洗時為在線清洗，即在不停機狀態(tài)下，將進水泵和濃水回水管放入提前配好的試劑池內(nèi)進行循環(huán)清洗?；瘜W清洗結(jié)束后用清水進行清洗。每組試驗結(jié)束后將陶瓷膜用藥劑進行清洗。

1.原水箱；2.原水泵；3.壓力表；4.止回閥；5.閘閥；6.管道混合器；7.接觸絮凝池；8.加壓泵；9.膜組件；10.流量計；11.反沖洗水箱；12.濾后水箱；13.空壓機；14.氣壓控制閥；15.濃水及清洗水排放。

圖1膜過濾試驗流程

1.3試驗藥劑

試驗用清水選用自來水，電導率為400～600 μs/cm；一水合檸檬酸，分子式為C6H8O7·H2O，分析純，含量≥99.5%；次氯酸鈉，化學式為NaClO，活性氯≥5.5%；片狀氫氧化鈉，化學式為NaOH，含量≥96.0%。

1.4效果評價

陶瓷膜的清洗效果采用膜通量恢復率Y來表征：

(1)

其中：J為清洗后的膜通量(L/(m2·h))；J0為新膜穩(wěn)定后的膜通量(L/(m2·h))。

2結(jié)果與討論

2.1不同工藝條件下的陶瓷膜清洗效果

圖2為相同反沖洗條件下不同試驗中陶瓷膜的清洗膜通量恢復情況。由圖2可知：經(jīng)過反沖洗后，膜通量都有顯著的提高，均有較高的恢復率。在常規(guī)的混凝-膜過濾工藝中，當絮凝劑投加量大時有利于膜通量更好地恢復。通過比較磁絮凝-膜過濾工藝和常規(guī)混凝-膜過濾工藝可以看出：磁粉的加入使膜組件在經(jīng)過反沖洗后，膜通量的恢復情況優(yōu)于常規(guī)工藝，且隨著絮凝劑和磁粉投加量的增加，清洗效果更加明顯。

主要原因在于：陶瓷膜在進行反沖洗時為氣水兩相流體混合清洗；清洗過程中氣體和液體不斷沖刷膜面和膜孔，濾餅層受到高強度的錯流剪切力的作用而脫落，使膜通量得到恢復。在常規(guī)工藝中，當絮凝劑投加量大時，參與吸附、架橋的高分子有機物多，絮體凝聚效果好[8]。這樣就使有機物對膜的不可逆污染減輕，有利于膜通量的恢復。而磁絮凝-膜過濾工藝增大了絮體的粒徑，和改善了絮體的耐剪切性能，這樣就使絮體在膜表面形成了疏松的濾餅層[9-10]；而且由于磁粉的加入使濾餅層孔隙率增加，所受到的流體錯流剪切力增大，更有利于濾餅層的脫落。

圖2　不同實驗條件下膜通量變化情況

2.2反沖洗壓力對清洗效果的影響

圖3為不同反沖洗壓力對磁絮凝-膜過濾的清洗效果?？梢钥闯觯涸诓煌姆礇_洗壓力下，膜通量都有一定程度的恢復，且隨著反沖洗壓力的升高，膜通量也是逐漸增大的；當反沖洗壓力為0.50 MPa和0.55 MPa時，膜通量的恢復情況相差較小；隨著反沖洗壓力升高到0.60 MPa時，膜通量恢復情況有了較大的提高，此時膜通量達到了1 283.12 L/(m2·h)；當反沖洗壓力進一步升高到0.70 MPa時，膜通量恢復的增加量不是很顯著。從經(jīng)濟效益和能耗角度講，可以認為0.60 MPa是最佳的反沖洗壓力。分析原因可知：當反沖洗壓力較小時，水流產(chǎn)生的錯流剪切力較小，膜通量的恢復效果較差；當反沖洗壓力為0.60 MPa時，濾餅層污染物已經(jīng)脫落得差不多了，再增加反沖洗壓力對膜通量的恢復也沒有較大的提升。

圖3　不同反沖洗壓力下膜通量的變化情況

2.3反沖洗時間對清洗效果的影響

圖4為膜通量恢復率隨反沖洗時間的變化情況?？梢钥闯觯弘S著反沖洗時間的延長，膜通量的恢復率逐漸升高；當反沖洗時間為40 s時，膜通量的恢復率可達37.24%；隨著反沖洗時間的增加，膜通量恢復率基本相同，說明再增加反沖洗時間，膜通量的恢復也不會很顯著。因此，可以認為當反沖洗時間為40 s時清洗效果是最好的。這是因為在反沖洗前期，膜面濾餅層受到高強度的錯流剪切力而脫落。當反沖洗時間為40 s時，陶瓷膜表面污染物質(zhì)已經(jīng)脫落得差不多了。在反沖洗壓力一定的情況下，此時的污染主要來源于不可逆污染和部分可逆污染，故再增加反沖洗時間對膜通量的恢復也沒有顯著的改善。

圖4　膜通量恢復率隨反沖洗時間的變化情況

2.4不同藥劑對清洗效果的影響

反沖洗能有效地恢復膜通量，對膜污染初期的清洗效果顯著，但仍不可避免地出現(xiàn)膜通量恢復率降低的現(xiàn)象。因此，需要對陶瓷膜進行化學清洗，用藥劑浸泡或循環(huán)運行，使藥劑與污染物質(zhì)發(fā)生反應而易于清洗，恢復陶瓷膜的滲透通量。

本試驗考察了NaOH、NaClO和檸檬酸3種化學藥劑對膜通量的恢復情況。清洗方式：① 1%的NaOH溶液循環(huán)清洗20 min；② 1%的NaClO溶液循環(huán)清洗20 min；③ 0.5%的檸檬酸溶液循環(huán)清洗20 min。不同方式下膜通量的恢復情況見圖5。

圖5　不同藥劑對膜清洗效果的影響

由圖5可知：膜清洗效果最好的藥劑是檸檬酸，膜通量恢復率可達到89.91%。NaClO和NaOH的清洗效果也較好，分別達到了78.47%和70.36%。有研究表明，酸性清洗劑(如檸檬酸)可以溶解無機礦物質(zhì)和鹽類，同時還能溶出沉積在凝膠層中的無機金屬離子；堿性清洗劑(如NaOH)可以有效去除蛋白質(zhì)和有機物的污染，從而破壞凝膠層；氧化性清洗劑(如NaClO)對有機物和附著在膜孔內(nèi)的微生物有很好的去除效果[10]。試驗中經(jīng)過檸檬酸清洗后，膜通量的恢復效果最好，這是因為檸檬酸不僅可以去除無機物，而且使密實的濾餅層變得疏松易于清洗。氧化性清洗劑NaClO的清洗效果也較好，說明有機物也是造成膜污染的重要原因。此外，在試驗中發(fā)現(xiàn)，當長時間使用單一藥劑時，清洗效果會下降，此時進行兩種或多種藥劑的混合清洗會取得較好的效果。

2.5連續(xù)運行膜清洗對膜通量的影響

圖6為連續(xù)運行條件下，多次清洗對膜通量的影響情況。磁絮凝-膜過濾工藝連續(xù)運行720 min，每2 h對膜組件進行1次反沖洗，當反沖洗后膜通量小于一定值時用檸檬酸進行化學清洗。由圖6可以看出：經(jīng)過每次反沖洗后，膜通量的恢復效果較好，但每次經(jīng)過反沖洗后膜通量均有一定程度的衰減。在用檸檬酸進行化學清洗后，膜通量得到恢復，運行情況良好。

圖6　連續(xù)運行下膜清洗對膜通量的影響

3結(jié)論

1) 磁絮凝-膜過濾工藝比常規(guī)的混凝-膜過濾工藝膜通量的衰減緩慢，而且清洗效果也明顯優(yōu)于常規(guī)混凝-膜過濾工藝。

2) 在反沖洗壓力為0.60 MPa、反沖洗時間為40 s時有很好的清洗效果，膜通量恢復率最好。當不可逆污染嚴重時采用化學清洗可以有效恢復膜通量，且試驗中檸檬酸的清洗效果最好。當長期使用單一化學試劑進行清洗時清洗效果下降，此時采用藥劑混合清洗通常能取得較好的效果。

3) 在長期連續(xù)運行條件下，經(jīng)過反沖洗后膜通量的恢復效果較好。但每次經(jīng)過反沖洗后膜通量均有一定程度的衰減。在用檸檬酸進行化學清洗后，膜通量得到恢復，運行情況良好。

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(責任編輯楊文青)

Study on Membrane Cleaning in Magnetic Flocculation and Membrane Filtration Process

PANG Zhi-banga, YAO Ji-lunb，LIU Boa，ZHOU Zhena

(a.Department of National Defense Architectural Planning and Environment Engineering；b.Engineering and Technological Research Center of National Disaster Relief Equipment,Logistics Engineering University, Chongqing 401331，China)

Abstract:Membrane cleaning of ceramic membrane with pore size of 200nm was used to treat the micro polluted water. The recovery of membrane cleaning of the test process and conventional processes under different conditions was studied. The effects of backwash pressure, backwash time and chemical reagents on the recovery of membrane flux were analyzed, and the test processed to carry on the long-term continuous operation. Experiment shows that process cleaning situation ran well. When the backwash pressure is 0.60 MPa and the backwash time is 40 s, using citric acid, the cleaning effect is best.

Key words:ceramic membrane; membrane cleaning; membrane flux

收稿日期：2016-03-16

基金項目：國家科技支撐計劃資助項目(2012BAK05B03)

作者簡介：龐治邦(1990—)，男，碩士研究生，主要從事水處理技術研究； 通訊作者 姚吉倫，男，高級工程師，主要從事膜水處理和野營凈水裝備的研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.015

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)06-0091-05

引用格式：龐治邦，姚吉倫，劉波，等.磁絮凝-膜過濾工藝中膜清洗的研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(6):91-95.

Citation format：PANG Zhi-bang, YAO Ji-lun，LIU Bo,et al.Study on Membrane Cleaning in Magnetic Flocculation and Membrane Filtration Process[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(6):91-95.