管式微/超濾膜在工程應(yīng)用中的影響因素

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(中電環(huán)保股份有限公司，江蘇 南京 210008)

面對(duì)水污染嚴(yán)重和水資源短缺雙重困境，國(guó)家倡導(dǎo)“污水回用”政策,很多企業(yè)響應(yīng)“節(jié)水減排”，一方面將大部分水深度處理回用作循環(huán)水補(bǔ)充水和工藝與產(chǎn)品用水，但廢水經(jīng)生化、石灰軟化、過(guò)濾后回用難以滿足濁度、硬度、氯離子、溶解性總固體等水質(zhì)指標(biāo)要求；另一方面，廢水采用石灰軟化、生化過(guò)濾、離子交換與膜濃縮技術(shù)，最終蒸發(fā)結(jié)晶來(lái)達(dá)到"零排放"，但是由于廢水中的成份復(fù)雜，有機(jī)物與無(wú)機(jī)結(jié)垢污染物對(duì)濃縮膜、蒸發(fā)器造成清洗頻繁，特別是有機(jī)物膜、硬度、二氧化硅等結(jié)垢物對(duì)濃縮膜與蒸發(fā)器造成運(yùn)行不穩(wěn)定。管式膜憑借其錯(cuò)流的過(guò)濾方式，不需要投加絮凝劑等聚合物，分離液體中的高濃度(固體物重量含量5%)懸浮固體而不會(huì)在膜表面堆積固體顆粒，可以代替常規(guī)系統(tǒng)中的重力沉淀、介質(zhì)過(guò)濾和微/超濾，而且通量可達(dá)到300～500 LMH，所以很多項(xiàng)目在設(shè)計(jì)或改造中增加了管式膜，通過(guò)加藥軟化反應(yīng)與濃縮分離沉淀物的管式膜結(jié)合，在充分利用藥品效果的同時(shí)，軟化和降低進(jìn)水硬度、二氧化硅等結(jié)垢物的含量，滿足反滲透等濃縮膜和蒸發(fā)器的進(jìn)水水質(zhì)要求。但目前應(yīng)用的項(xiàng)目中多存在膜通量衰減率高，膜清洗頻繁等問(wèn)題，為此，本文通過(guò)試驗(yàn)來(lái)探討管式膜在應(yīng)用中的影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)原水取自某電廠煙氣脫硫廢水(水質(zhì)1)和某化工廠經(jīng)生化后的生產(chǎn)廢水(水質(zhì)2)，兩種水質(zhì)見(jiàn)表1和表2。

表1 水質(zhì)1水質(zhì)指標(biāo)

表2 水質(zhì)1水質(zhì)指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)流程及主要設(shè)備

流程一：采用反應(yīng)濃縮池、管式膜、產(chǎn)水箱、在線監(jiān)測(cè)儀表組成的系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。

流程二：采用反應(yīng)沉淀池、管式膜、產(chǎn)水箱、在線監(jiān)測(cè)儀表組成的系統(tǒng)，見(jiàn)圖2。

管式膜采用4支進(jìn)口I5型膜面積2.4 m2、反應(yīng)濃縮池和反應(yīng)沉淀池容積同為2m3，產(chǎn)水箱容積1m3，進(jìn)、出及回流管上設(shè)有流量計(jì)；進(jìn)、出及回流管上設(shè)濁度儀、壓力表、COD儀。管式膜實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3。

圖1 流程一

圖3 管式膜實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

兩種水質(zhì)分別按兩種流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)每種流程按管式微/超膜的錯(cuò)流速度2，2.5，3m/s ，在膜通量相同條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 錯(cuò)流流速對(duì)通量、壓差的影響

采用流程2，用水質(zhì)1做試驗(yàn)，反應(yīng)池投加同種等量藥劑、控制進(jìn)水壓力2bar，研究不同錯(cuò)流流速2，2.5，3m/s條件下管式微/超濾膜的通量隨時(shí)間的變化，變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。結(jié)果表明：起始通量隨錯(cuò)流速度的增大而增高，通量隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低；錯(cuò)流速度2.5m/s與3m/s下的通量相差不多，通量衰減率基本相近，較錯(cuò)流速度2m/s條件下??；3天后錯(cuò)流速度3m/s下的通量衰減率較2.5m/s更小些。

圖4 通量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

同等實(shí)驗(yàn)條件下，控制膜通量180 lmh，研究不同錯(cuò)流速度下壓差隨時(shí)間的變化，變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。結(jié)果表明：隨著錯(cuò)流速度的提高，運(yùn)行阻力倍速加大，運(yùn)行壓差隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；錯(cuò)流速度2m/s下的壓差3天后增大較快；錯(cuò)流速度2.5m/s下的壓差5天后增大較快；錯(cuò)流速度3m/s的壓差在6天后增加較快。

圖5 運(yùn)行壓力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

采用水質(zhì)2按流程二進(jìn)行相同試驗(yàn)，變化曲線相似。

Ueda等[1]認(rèn)為在錯(cuò)流過(guò)濾時(shí)，提高膜表面的水流紊動(dòng)程度可以有效地減少顆粒物質(zhì)在膜面的沉積，減緩膜污染。Liu等[2]人的研究表明，錯(cuò)流速度存在一個(gè)臨界值，當(dāng)錯(cuò)流速度較低，處于臨界值一下時(shí)，膜污染迅速增加。當(dāng)膜面錯(cuò)流速度達(dá)到一定上限值后，其進(jìn)一步增加將不會(huì)對(duì)膜的過(guò)濾性能有明顯改善作用。而且，過(guò)大的膜面錯(cuò)流速度還有可能因打碎活性污泥絮體而使污泥粒徑減小，上清液中溶解性物質(zhì)的濃度增加，從而加劇膜污染。

當(dāng)錯(cuò)流速度大于2m/s時(shí)，膜面均處于湍流狀態(tài)，但再高的流速靠近管壁處均存在層流層。經(jīng)計(jì)算，對(duì)于膜管5mm的管式膜，錯(cuò)流速度2m/s時(shí)，靠近管壁的層流層厚度約7.4nm；錯(cuò)流速度2.5m/s時(shí)，靠近管壁的層流層厚度約2.5nm;錯(cuò)流速度3m/s時(shí)，靠近管壁的層流層厚度約1.8nm。

由于錯(cuò)流速度與通量和壓差的關(guān)系，建議管式微/超濾膜的錯(cuò)流流速設(shè)定在2.5～3m/s之間，此間速度為管式微/超濾膜的臨界錯(cuò)流速度。

2.2 不同水質(zhì)對(duì)膜通量的影響

采用流程2，設(shè)定錯(cuò)流速度2.5m/s，用水質(zhì)1和2分別進(jìn)行同等實(shí)驗(yàn)條件下的試驗(yàn)，研究處理不同水質(zhì)管式微/超濾膜通量變化，變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6。結(jié)果表明：相同試驗(yàn)條件下，運(yùn)行3天后，水質(zhì)2與水質(zhì)1分別對(duì)應(yīng)的膜通量衰減開(kāi)始出現(xiàn)不同，運(yùn)行4天后膜通量衰減幅度增大且二者間的差距增大。根據(jù)水質(zhì)分析，水質(zhì)1的含鹽量高但COD較低，水質(zhì)2的含鹽量低但COD較高，因此推斷造成水質(zhì)2對(duì)應(yīng)的通量下降較快的原因是水中的較高COD與無(wú)機(jī)鹽的結(jié)合粘附在膜的表面，影響膜通量[3]。

圖6 處理不同水質(zhì)，運(yùn)行通量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

2.3 污泥濃度對(duì)膜通量的影響

設(shè)定錯(cuò)流速度2.5m/s，采用水質(zhì)1和2分別按流程一和流程二進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同運(yùn)行狀況下管式微/超濾的通量變化，變化趨勢(shì)見(jiàn)圖7和圖8。結(jié)果表明：相同條件下，水質(zhì)1和水質(zhì)2采用流程一的對(duì)應(yīng)通量均較流程二下降，運(yùn)行3天后兩者衰減率均較開(kāi)始增加。采用流程一，水質(zhì)1運(yùn)行5.5天后的通量小于130LMH，水質(zhì)2運(yùn)行5天后的通量也小于130LMH；采用流程二，水質(zhì)1運(yùn)行7天后的通量小于130LMH，水質(zhì)2運(yùn)行6天后的通量小于130LMH；這可能與污泥濃度有關(guān)，流程一運(yùn)行時(shí)的污泥濃度較高，達(dá)1.5%～2.5%，而流程二運(yùn)行時(shí)的污泥濃度約1000mg/L。水質(zhì)2采用流程一運(yùn)行時(shí)的通量衰減率更大，主要是由于污泥濃度的增加加上水中COD，粘附在膜表面的機(jī)率增大，影響膜通量[4]。

圖7 處理不同水質(zhì)，運(yùn)行通量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖8 處理不同水質(zhì)，運(yùn)行通量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

3 結(jié)論

(1)針對(duì)本試驗(yàn)水質(zhì)，管式膜的錯(cuò)流臨界流速為2.5m/s，正常運(yùn)行時(shí)將管式膜的錯(cuò)流速度控制在2.5～3m/s，盡可能減少層流層厚度的同時(shí)，減少阻力降。

(2)處理水中有機(jī)物含量不同對(duì)管式膜的運(yùn)行通量造成影響。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，當(dāng)處理水中有機(jī)物濃度高時(shí)，管式膜的設(shè)計(jì)運(yùn)行膜通量可適當(dāng)選擇較低值，當(dāng)有機(jī)物濃度較低時(shí)，管式膜的設(shè)計(jì)運(yùn)行通量可適當(dāng)提高。

(3)管式膜可以承受一定的污泥濃度，但污泥濃度對(duì)管式膜的通量有影響。當(dāng)污泥濃度較大時(shí)，管式膜的通量減少；而且處理水中的有機(jī)物與污泥濃度組合，對(duì)管式膜的運(yùn)行通量影響更大，所以在設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)，管式膜的通量選擇需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的污泥控制濃度和處理水中的有機(jī)物濃度進(jìn)行選擇，當(dāng)污泥濃度高且處理水中有一定量有機(jī)物時(shí)，管式膜的通量宜選擇較低的值。