浸没式超滤工艺在给水处理中的应用研究

Posted 2023-01-12 超滤

篇首语：没有加倍的勤奋，就既没有才能，也没有天才。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了浸没式超滤工艺在给水处理中的应用研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

采用浸没式超滤系统取代传统工艺中的砂滤系统处理西江原水，对比了新工艺(混凝沉淀+浸没式超滤工艺)与传统工艺(混凝沉淀+砂滤工艺)的出水水质，考察了浸没式超滤系统的对COD、氨氮、浊度和颗粒物的去除，研究了试验期间系统跨膜压力(TMP)变化，最后考察了化学清洗对膜污染的控制。结果表明，混凝沉淀+浸没式超滤工艺出水CODMn和氨氮含量略高于混凝沉淀+砂滤工艺，但均达到了GB5749-2006和CJ94-2005要求；对浊度处理效果优于混凝沉淀+砂滤工艺；系统运行48d，TMP从16kPa升高到34.5kPa；采用HCl和NaClO进行化学清洗，可有效控制膜污染。
由于超滤能很好的去除浊度、全部细菌、病毒、两虫以及藻类，所以是保证水中微生物安全性最有效的技术。而随着超滤膜性能的不断提高、价位的不断降低，国外已逐渐将超滤和其他给水处理技术组合用于城市给水。以超滤为核心技术的组合工艺，将成为第3代城市饮用水净化工艺的主要特征，它将是饮用水净化工艺一个新的发展方向。
与其他超滤系统相比，浸没式超滤系统能耗低，易于与传统工艺相结合。在系统设计上，浸没式超滤系统的超滤膜可被直接浸入到需要处理的水中，系统的占地面积非常小，可以将超滤膜安装到现有的砂滤池，在同样的占地面积下，出水水量比砂滤提高2～4倍。砂滤池的反冲洗设备还可以继续为超滤系统所用，这既减少了占地面积，又降低了系统的复杂性，减少了投资和费用，因此浸没式超滤系统很适合水厂的升级改造。
广州某水厂在西江引水工程完成后，用西江水置换了现有水源。为进一步提升供水水质和供水安全性，拟采用超滤系统取代传统砂滤工艺。本中试以西江(金本段)水为原水，对比了混凝沉淀+砂滤和混凝沉淀+浸没式超滤的出水水质，试验了取代砂滤的浸没式超滤系统工艺参数，包括超滤系统的运行方式、跨膜压力(TMP)变化情况、化学清洗方式等。
1.装置和方法
1.1工艺流程
试验所用原水为西江水，该水源主要指标多数时段能达到或优于GB3838-2002的Ⅱ类水源标准。中试在佛山市某水厂内进行。试验时，西江原水经潜水泵提升，流经穿孔漩流反应器后，进入斜管沉淀池，沉淀池出水分别进入混凝沉淀砂滤池常规处理系统和浸没式超滤系统(见图1)。

1.2超滤系统
浸没式超滤系统使用国内某厂家生产的中空纤维柱状聚偏氟乙烯(PVDF)超滤膜。具体工艺是将浸没式超滤膜组件放置于膜池中，同时膜区内设置曝气装置，对膜进行气水振荡清洗，保持膜表面清洁，原水在虹吸和出水自吸泵的抽吸作用下通过超滤膜组件，经集水管汇集到集水池。该超滤膜的基本参数如表1所示。

1.3中试工艺参数
常规段原水进水体积流量15.3m.3h-1，投加混凝剂聚合氯化铝(PAC)的质量浓度为45～160mg.L-1，沉淀池每天排泥。砂滤池进水量14m.3h-1，滤速约为7.9m.h-1，每天下午用水反冲洗1次，每次15min，反冲洗强度为15L.m-2.s-1。
试验用超滤膜1支，有效膜面积35m2，超滤系统运行方式为：连续产水28min，然后用产水反向清洗和气擦洗60s，接着气擦洗60s。水洗强度为60L.m-2.h-1，气洗强度60L.m-.2h-1。
1.4试验内容
2010年7月16日-2010年9月2日，常规系统运行稳定后超滤系统正式运行，膜通量为35L.m-.2h-1，产水体积流量1.3m.3h-1，对比了混凝沉淀+砂滤和混凝沉淀+浸没式超滤的出水水质，同时获得了超滤系统的跨膜压差(TMP)变化、化学清洗方式。
1.5分析项目及方法
浊度：HACH-2100A浊度仪；颗粒数：HIAC-9703型颗粒计数仪；CODMn：酸性高锰酸钾法；氨氮：纳氏试剂分光光度法；TMP：真空表直接读数。
2.结果与讨论
2.1COD、氨氮的去除效果
试验期间，砂滤出水和超滤出水CODMn、氨氮去除效果分别如图2、图3所示。

试验期间，西江原水CODMn为0.56～2.24mg.L-1，经过混凝沉淀，砂滤池和浸没式超滤系统出水CODMn分别为0.08～1.2和0.8～2.16mg.L-1；西江原水氨氮的质量浓度0.057～0.245mg.L-1，砂滤池和浸没式超滤系统出水氨氮的质量浓度分别为0.021～0.089和0.031～0.073mg.L-1。砂滤和超滤出水都达到了达到GB5749-2006和CJ94-2005的要求[5-6]。
超滤对COD和氨氮的去除，是通过对某些大分子有机物的截留，同时在去除悬浮物的同时，截留了悬浮物表面吸附的有机分子和氨氮实现的。但是超滤对水中物质的去除是一个纯粹的过滤过程，几乎无法去除水中低相对分子质量的溶解性有机物和氨氮，而砂滤池能去除一部分溶解性有机物和氨氮，所以可以从图2和图3中看出，超滤系统出水CODMn、氨氮含量高于砂滤出水CODMn、氨氮含量。
2.2浊度和颗粒数的去除效果
超滤的高效物理截留作用，将全部细菌及悬浮物截流在膜池中。试验期间，西江原水浊度2.13～67.7NTU，沉淀池、砂滤池和超滤出水浊度分别为0.42～3.94、0.12～0.18和0.024～0.074NTU。这表明超滤工艺对浊度具有更好的去除效果。
浊度主要反映小于1μm的颗粒含量，但对大于1μm的颗粒，检测精度就显著下降，因此浊度很低的水并不意味着水中不存在致病微生物。而颗粒计数检测技术可分析出水中各种颗粒物质的总体数量和粒径分布等数据，是监测和控制水质的有效方法。有研究表明，当水中粒径大于2μm的颗粒数超过100个.mL-1时，水中存在贾第虫、隐孢子虫的几率很大。试验期间，对砂滤出水和浸没式超滤系统出水，进行了3次颗粒数检测，结果如表2所示。

超滤系统出水中粒径小于2μm的颗粒数少于100个.mL-1，超滤系统出水中的颗粒数远远少于砂滤池出水中的颗粒数，超滤能够大大提高出水的微生物安全保障能力和水平。
2.3超滤系统TMP变化
超滤系统膜通量为35L.m-.2h-1，产水体积流量1.3m.3h-1，进水温度29.5～33.8℃，系统基本做到恒流量变压力，TMP的变化如图4所示。

2010年7月16日超滤系统开始运行，到2010年9月1日共计48d。超滤系统TMP从16kPa升高到34.5kPa，每个产水周期反洗前后，压力变化1～4kPa。由于混凝剂改变了悬浮颗粒的尺寸和表面电性，混凝沉淀出水的浊度和有机污染物都比较低，超滤膜受到的污染少，用混凝沉淀作为超滤的预处理工艺，缓解了超滤膜污染，所以系统TMP增长得相对缓慢。在试验运行方式下，超滤系统的TMP与系统运行时间大致成线性关系，因此可以从理论上推断TMP的增长趋势，从而制定超滤膜的化学清洗周期。
2.4超滤膜的化学清洗
由于进水中的微粒、胶体、粒子和溶质大分子与超滤膜存在物理和化学相互作用或机械作用，超滤膜表面或者膜孔内吸附、沉积这些微粒，造成膜孔径变小或堵塞，从而引起超滤系统跨膜压力升高和膜通量下降。为了解决超滤膜污染与清洁问题，须定期对膜进行化学清洗。
9月2日，超滤系统TMP升至34.5kPa，膜通量从开始的108L.m-.2h-1降低到97L.m-.2h-1，于是对系统进行在线化学清洗，清洗方式为：以质量分数0.2%的HCl曝气浸泡膜丝1h后，用产水反向清洗20min，同时曝气，排干膜池，充水时加质量浓度为500mg.L-1的NaClO，浸泡膜丝1h后产水反向清洗20min。
化学清洗时，主要是用HCl和NaClO对膜丝外侧进行浸泡。由于观察到膜丝表面附着一层略带粘性的泥状物质，估计是混凝剂裹着原水中的无机物，鉴于酸洗能有效去除无机物，碱洗主要针对有机物，所以先用HCl浸泡膜丝，同时不断曝气抖动膜丝，从而去除膜丝最外面的无机物，然后再用NaClO浸泡膜丝，去除膜表面附着的有机物。化学清洗后，系统TMP从34.5kPa降低到18kPa，最大膜通量恢复97.2%，达到105L.m-.2h-1。这种化学清洗方式效果明显，能有效控制膜污染。
3.结论
混凝沉淀+浸没式超滤用于处理西江原水，其出水CODMn、氨氮含量、浊度都达到了GB5749-2006和CJ94-2005的要求。混凝沉淀+砂滤对CODMn、氨氮的去除效果略高于混凝沉淀+浸没式超滤。
与混凝沉淀+砂滤相比，混凝沉淀+浸没式超滤出水浊度更低，基本<0.1NTU，粒径小于2μm的颗粒数少于100个.mL-1，超滤能够大大提高出水的微生物安全保障能力和水平。
在设定运行方式下，当过滤膜通量为35L.m-.2h-1时，超滤系统运行48d后，TMP从16kPa大致成线性关系升高到34.5kPa，每个产水周期反洗前后，压力变化1～4kPa。在线化学清洗，最大膜通量恢复97.2%。