導(dǎo)讀:：浸沒式連續(xù)微濾工藝恒流量出水。需要通過化學(xué)清洗來恢復(fù)跨膜壓差。根據(jù)氣水反沖洗過程中的加藥工藝對(duì)化學(xué)清洗效果的影響。

關(guān)鍵詞：浸沒式連續(xù)微濾，工藝參數(shù)優(yōu)化，化學(xué)清洗，加藥工藝

天津市是開展城市污水深度處理最早的城市之一，是淡水資源嚴(yán)重匱乏的城市。對(duì)污水進(jìn)行深度處理再生回用，利用充裕的污水資源，有效地提高水資源的重復(fù)利用率，是解決水資源短缺的有效途徑[1]。由于膜材料和膜技術(shù)的發(fā)展，以及浸沒式連續(xù)微濾工藝自身的優(yōu)點(diǎn)[2]使其在再生水處理領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[3]。浸沒式連續(xù)微濾工藝恒流量出水，膜通量保持不變，但膜表面積累的污染物使跨膜壓差TMP不斷增大，而采用定時(shí)氣水反沖洗的連續(xù)運(yùn)行方式可緩解膜污染，降低跨膜壓差。當(dāng)膜運(yùn)行到一定時(shí)間，膜表面氣水反沖洗不能去除的污染物累計(jì)到一定程度時(shí)，需要通過化學(xué)清洗來恢復(fù)跨膜壓差。目前浸沒式連續(xù)微濾工藝在再生水處理中存在一些問題：如進(jìn)水水質(zhì)條件下，工藝的運(yùn)行參數(shù)(過濾周期、氣水反沖洗方式等)并非最佳;膜化學(xué)清洗效率不高等。

本文針對(duì)天津市某再生水廠的浸沒式微濾工藝，結(jié)合該工藝的運(yùn)行情況以及化學(xué)清洗效果，提出了微濾工藝的最佳過濾周期和氣水反沖洗方式，并分析研究造成化學(xué)清洗效果不佳的原因，為水廠改進(jìn)現(xiàn)有工藝、提高清洗效果、減少運(yùn)行費(fèi)用提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 工藝流程及裝置介紹

試驗(yàn)中使用的原水為再生水廠的微濾工藝進(jìn)水，即污水廠二級(jí)出水經(jīng)過混凝沉淀和500μm格柵后的出水。試驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

原水經(jīng)原水泵提升至中間水箱后依靠自身重力進(jìn)入微濾膜池，微濾膜池內(nèi)的水位通過中間水箱的溢流作用保持恒定。微濾的部分出水收集到反洗水箱，作為氣水反沖洗的水源。

試驗(yàn)裝置包括：膜組件、變頻出水/反沖洗泵、氣水管路、反沖洗用曝氣泵。裝置中設(shè)置6個(gè)閥門，通過閥門控制微濾膜的過濾和氣水反沖洗過程：開啟閥門a、c、d，關(guān)閉閥門b、e、f，為微濾膜的過濾過程;開啟閥門e、f，關(guān)閉閥門a、c、d，進(jìn)行氣水反沖洗，反洗廢水通過打開閥門b排放。在運(yùn)行過程中，浸沒式微濾膜利用出水泵的抽吸作用過濾，底部設(shè)有曝氣頭，利用曝氣泵提供反洗時(shí)的曝氣。

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)分為兩個(gè)部分：過濾與氣水反沖洗參數(shù)優(yōu)化研究;根據(jù)氣水反沖洗過程中的加藥工藝對(duì)化學(xué)清洗效果的影響，對(duì)該加藥工藝進(jìn)行優(yōu)化研究。

1.2.1過濾與氣水反沖洗參數(shù)優(yōu)化

膜分離采用恒流出水，流量為3.15m3/h，膜組件的工作通量為31.5 m3/(m2·h)，試驗(yàn)記錄膜運(yùn)行過程中的跨膜壓差TMP。

微濾工藝的過濾與氣水反沖洗參數(shù)優(yōu)化采用正交試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)設(shè)計(jì)方式來確定[4]。再生水廠微濾工藝過濾、氣水反沖洗主要運(yùn)行參數(shù)為(A)單獨(dú)氣洗30s，(B)氣水聯(lián)合反洗15s，(C)過濾周期30min，以此三參數(shù)作為微濾工藝過濾與氣水反沖洗正交試驗(yàn)的影響因素，每個(gè)因素選擇三個(gè)水平，見表1。

表1過濾與氣水反沖洗正交試驗(yàn)的因素與水平

1.2.2氣水反沖洗過程中的加藥工藝優(yōu)化

目前，再生水廠浸沒式微濾工藝未二十四小時(shí)連續(xù)運(yùn)行，在氣水反沖洗過程中定時(shí)向反洗儲(chǔ)池進(jìn)水管道上投加2~5ml次氯酸鈉期刊網(wǎng)，其作用是對(duì)反洗水儲(chǔ)池以及反洗管道進(jìn)行殺菌，但該加氯過程可能是導(dǎo)致微濾膜氯化學(xué)清洗效果不理想的主要原因。

氣水反沖洗能在一定程度上緩解膜污染，但隨著過濾時(shí)間的延長，不可逆膜污染物質(zhì)會(huì)逐漸累積，導(dǎo)致跨膜壓差逐漸增加，這時(shí)需要用化學(xué)溶液對(duì)膜進(jìn)行清洗。目前再生水廠的化學(xué)清洗包括氯化學(xué)清洗和酸化學(xué)清洗，氯化學(xué)清洗溶液為500ppm的次氯酸鈉溶液，酸化學(xué)清洗溶液為鹽酸與檸檬酸按一定比例配置成pH為2的清洗液。氯化學(xué)清洗效果不理想，清洗前后的跨膜壓差恢復(fù)率較低，根據(jù)再生水廠現(xiàn)有工藝分析，是由于微濾工藝氣水反沖洗過程中間歇投加定量的次氯酸鈉緩解了膜表面的微生物和有機(jī)物等污染，減弱了次氯酸鈉化學(xué)清洗所針對(duì)的膜污染物質(zhì)積累，從而使得氯化學(xué)清洗效果不佳。

根據(jù)以上分析，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了三種不同加藥方式的試驗(yàn)方案, 分別為過濾過程中不投加藥劑、間歇投加定量NaClO、間歇投加定量HCl。當(dāng)跨膜壓差增大到一定值時(shí)停止運(yùn)行，對(duì)微濾摸進(jìn)行氯化學(xué)清洗，記錄氯化學(xué)清洗前后的跨膜壓差值。每種加藥方式下分別進(jìn)行三次連續(xù)試驗(yàn)，即分別進(jìn)行三次氯化學(xué)清洗，每三次氯洗后進(jìn)行一次酸洗以較大程度地恢復(fù)跨膜壓差，再進(jìn)入下一個(gè)加藥方式下的過濾過程，試驗(yàn)方案見表2。

表2 氣水反沖洗過程中的加藥工藝優(yōu)化試驗(yàn)方案

1.3 跨膜壓差恢復(fù)率

在浸沒式微濾膜分離過程中，原水中的懸浮物顆粒和溶解性有機(jī)物、無機(jī)物會(huì)形成濾餅層和濃差極化，還可能吸附、沉積在膜孔內(nèi)[5]，有效的氣水反沖洗可以去除膜表面濾餅層和破壞濃差極化，恢復(fù)膜的透水性能[6]，減小跨膜壓差。

跨膜壓差恢復(fù)率η，是指氣水反沖洗或化學(xué)清洗前后的跨膜壓差降低的程度，定義如式(1)所示 ：

η=(TMP1-TMP2)/TMP1×100%(1)

式中η—跨膜壓差恢復(fù)率;

TMP1—系統(tǒng)結(jié)束運(yùn)行時(shí)的跨膜壓差(-MPa);

TMP2—系統(tǒng)初始運(yùn)行時(shí)的跨膜壓差(-MPa)。

試驗(yàn)中的膜出水流量不變即膜通量維持恒定期刊網(wǎng)，而跨膜壓差TMP隨著運(yùn)行時(shí)間的增長而增大，因此以跨膜壓差恢復(fù)率η來評(píng)價(jià)氣水反沖方式對(duì)膜污染的影響，并以此反映上述三種試驗(yàn)方案下濾化學(xué)清洗的效果差異。同時(shí)結(jié)合膜污染速率δ來說明操作條件對(duì)膜污染的影響，δ表示單位時(shí)間內(nèi)跨膜壓差的變化，反映了膜污染的速率，其定義見式(2)。

δ=(TMP1-TMP2)/t(2)

式中δ—膜污染速率(KPa/h);

t —累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，h。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 過濾與氣水反沖洗參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)表1設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)方案，共進(jìn)行了9次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3過濾與氣水反沖洗參數(shù)優(yōu)化的正交試驗(yàn)結(jié)果

表3的試驗(yàn)結(jié)果表明出水濁度受氣水反沖方式的影響很小，比較穩(wěn)定，滿足該工藝的出水要求，因此將跨膜壓差恢復(fù)率作為氣水反沖洗效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。由極差計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)跨膜壓差恢復(fù)率影響最大的因素是單獨(dú)氣洗時(shí)間，其次是過濾周期，影響最小的是氣水聯(lián)合反洗時(shí)間;該浸沒式微濾的最佳過濾周期與氣水反沖洗參數(shù)為：過濾周期為50min，氣水反洗時(shí)單獨(dú)氣洗40s，氣水聯(lián)合反洗15s。在微濾膜過濾過程中，前處理工藝混凝沉淀中形成的未沉降的絮體以及原水中的固體顆粒等在膜表面上產(chǎn)生了致密厚實(shí)的濾餅層，僅靠水反洗不能將濾餅層完全去除，膜元件的底部曝氣能有效地沖刷掉膜表面的污染物，同時(shí)使膜絲產(chǎn)生震蕩從而將已經(jīng)脫離膜表面的污染物質(zhì)從裝填密度高的膜絲之間分離出來[5]，所以單獨(dú)氣洗對(duì)整個(gè)氣水反沖洗的效率起關(guān)鍵作用，這與從正交試驗(yàn)所得結(jié)果相一致。將正交試驗(yàn)得到的最佳運(yùn)行參數(shù)與原有工藝的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4示。

表4最佳運(yùn)行參數(shù)與原工藝運(yùn)行參數(shù)對(duì)比結(jié)果

從表4中可以看出，最佳運(yùn)行參數(shù)下的跨膜壓差恢復(fù)率比原有工藝的跨膜壓差恢復(fù)率提高了46.65%，而膜污染速率降低了50.34%，最佳運(yùn)行參數(shù)的氣水反沖洗效率明顯提高期刊網(wǎng)，而膜污染速率減緩。從運(yùn)行費(fèi)用來看，兩種運(yùn)行參數(shù)的運(yùn)行費(fèi)用差異主要來自于氣水反沖洗所消耗的進(jìn)氣總量和進(jìn)水總量，對(duì)比結(jié)果如表5所示。

表5 兩種運(yùn)行參數(shù)下的氣水反沖洗對(duì)比結(jié)果

與原工藝運(yùn)行參數(shù)相比，最佳運(yùn)行參數(shù)下浸沒式微濾工藝的過濾周期增長，每次氣水反沖洗的進(jìn)氣時(shí)間增大。但從整體上看，反沖洗進(jìn)氣總耗量降低了23.95%，反沖洗進(jìn)水總耗量降低了37.78%，運(yùn)行費(fèi)用有所降低;同時(shí)反沖洗總耗水量的減少，提高了微濾工藝的產(chǎn)水率。

2.2 氣水反沖洗過程加藥工藝優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)表2設(shè)計(jì)的加藥工藝優(yōu)化試驗(yàn)方案，共進(jìn)行了9次試驗(yàn)。當(dāng)微濾膜跨膜壓差增大到一定值時(shí)，停止過濾進(jìn)行濾化學(xué)清洗。用清水浸泡并抖動(dòng)膜絲10min，然后用500ppm的次氯酸鈉溶液以較低流量透過膜并返回到膜池的方式循環(huán)30nin，浸泡30min，循環(huán)30min，浸泡30min(總計(jì)2h)，結(jié)束后用清水浸泡30min后開始過濾。對(duì)污染后的膜組件進(jìn)行肉眼觀察，膜組件表面被厚厚的濾餅層所覆蓋，膜纖維大量粘連。膜面的濾餅層手感膩滑，呈棕黑色(見圖1)，用清水清洗并抖動(dòng)膜絲時(shí)，濾餅層幾乎自動(dòng)脫落。清水清洗后的膜表面顏色呈乳黃色。進(jìn)行氯化學(xué)清洗之后，膜表面的顏色要比清水清洗后的顏色更淡(見圖2)。對(duì)氯化學(xué)清洗前后的膜絲表面進(jìn)行電鏡掃描(見圖3)，可以看出氯洗前膜表面為一層致密的污染物質(zhì)，已經(jīng)不能看出膜表面的孔隙，經(jīng)過氯清后的膜表面能看出膜孔，但沒有清洗徹底，膜表面及膜孔內(nèi)仍有附著的污染物質(zhì)期刊網(wǎng)，需要采用其他種類的化學(xué)清洗藥劑(如酸)清洗。

圖2 污染后膜表面和氯化學(xué)清洗后膜表面肉眼觀察圖

圖3 氯化學(xué)清洗前后膜表面的電鏡掃描圖

試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 三種不同加藥方式的氯化學(xué)清洗效果比較

從表6中任一加藥方式下運(yùn)行的三次氯洗效果比較可以看出，氯洗效果逐次減弱。膜初始運(yùn)行階段膜表面污染較輕，用低濃度的次氯酸鈉溶液可以對(duì)膜組件進(jìn)行在線清洗，主要去除膜表面的微生物和有機(jī)物污染，隨著運(yùn)行時(shí)間延長，膜表面聚集的以鈣鹽和氧化鐵水合物為堵塞主體的無機(jī)物結(jié)垢污染越來越嚴(yán)重，需要加入酸浸泡清洗[7]。在膜運(yùn)行過程中定期投加定量的NaClO時(shí)，其氯洗效果比不投加任何藥劑時(shí)的氯洗效果降低了6.7%，這說明在氣水反沖洗過程中間歇投加NaClO降低了氯化學(xué)清洗效果，這與試驗(yàn)前期做的理論分析相一致。第三種加藥方式下的氯化學(xué)清洗效果比另外兩種運(yùn)行方式的清洗效果好，這時(shí)由于在膜運(yùn)行過程中定期投加定量的HCl一定程度上緩解了膜表面的無機(jī)物結(jié)垢污染，膜表面的微生物和有機(jī)物污染占主體，從而使氯化學(xué)清洗效率得到了提高。由以上分析可知再生水廠的氯洗效果不佳的主要原因確實(shí)是浸沒式微濾工藝氣水反沖洗過程中的間歇加氯緩解了膜的有機(jī)物和微生物污染，減緩了該類污染物質(zhì)的積累，降低氯化學(xué)清洗效率�？梢圆扇∫韵赂倪M(jìn)措施對(duì)水廠的氣水反沖洗過程中加藥工藝進(jìn)行優(yōu)化，提高NaClO的利用效率，降低運(yùn)行成本：在控制微濾反洗儲(chǔ)池和反洗管道內(nèi)微生物滋生前提下，反沖洗時(shí)減少NaClO的投加量或延長投加時(shí)間間隔;在間歇投加少量NaClO以控制微濾反洗儲(chǔ)池和反洗管道內(nèi)微生物滋生前提下，反沖洗過程中投加HCl，可以提高氯洗效果，延長酸化學(xué)清洗洗周期，降低酸洗對(duì)膜造成的不可逆損傷，延長膜壽命。

3 結(jié)論

(1)通過正交試驗(yàn)確定在該水廠的進(jìn)水條件下，浸沒式微濾工藝的最佳過濾與氣水反沖洗參數(shù)為：過濾周期為50min，氣水反洗時(shí)單獨(dú)氣洗40s，氣水聯(lián)合反洗15s。與原工藝相比，最佳運(yùn)行參數(shù)下的氣水反沖洗效果提高了46.65%期刊網(wǎng)，膜污染速率降低了50.34%;同時(shí)從整體上減少了總進(jìn)氣量和總進(jìn)水量，降低運(yùn)行費(fèi)用，減少反沖洗的自耗水量，提高了產(chǎn)水率。

(2)再生水廠浸沒式微濾膜的氯化學(xué)清洗效果不佳，主要是由于氣水反沖洗過程中的加氯工藝導(dǎo)致，在NaClO的投加間隔時(shí)間內(nèi)投加定量的HCl，可以提高氯洗效果。根據(jù)水廠的實(shí)際情況可以采取以下措施來提高氯化學(xué)清洗效率：①減小氣水反沖洗時(shí)的NaClO投加量或延長投加時(shí)間，減少了NaClO總投加量，提高氯洗效果，從而提高了次氯酸鈉的有效利用率，降低運(yùn)行費(fèi)用;②在氣水反沖洗過程N(yùn)aClO的投加間隔時(shí)間內(nèi)，選擇合適的加藥點(diǎn)投加定量的HCl，能提高氯洗效果，延長酸化學(xué)清洗的周期，從而延長膜壽命，降低運(yùn)行成本。

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