短流程浸没式超滤膜工艺的膜污染控制研究

　收稿日期：２０１５０５１３　基金项目：２０１３年石家庄市科学技术研究与发展计划项目（１３１２４０２１３Ａ）；２０１４年河北省建工新产品试制费计划项目（２０１４－１２１）。　作者简介：张小燕（１９８５—），女，山东济南人，讲师，主要从事水资源开发利用及水污染控制研究工作。　Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]【水环境与水生态】短流程浸没式超滤膜工艺的膜污染控制研究张小燕１，王　刚２，崔俊蕊１，刘俊良１（１．河北农业大学城乡建设学院，河北保定０７１００１；２．河北农业大学理工学院，河北沧州０６１１００）摘　要：为了确定短流程浸没式超滤膜运行的最佳条件及清洗参数，通过试验考察操作条件的变化对浸没式超滤膜污染程度的影响。试验根据黄河水的水质特点，通过考察运行过程中跨膜压差的变化，分析了混凝剂投加量、膜通量、排污周期及膜清洗等操作条件对膜污染控制的影响。试验结果表明：超滤膜污染速率最低时的最佳混凝剂投加量为６ｍｇ／Ｌ，最佳通量为３０～４０Ｌ／（ｍ２·ｈ），最佳排污周期为５ｈ／次；同时，为了恢复正常的膜通量，需６０ｍｉｎ进行１次物理性清洗，７ｄ进行１次维护性清洗，当物理性及维护性清洗难以恢复膜原有的处理能力时，需要采用化学药剂清洗消除膜表面的不可逆污染物。关键词：超滤；膜污染速率；膜通量；排污周期；膜清洗中图分类号：ＴＵ９９１．２　　　文献标志码：Ａ　　　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００⁃１３７９．２０１６．０３．０１９　　近年来，饮用水源受到的污染日趋严重，加之新的国标《生活饮用水卫生标准》（ＧＢ５７４９—２００６）对水质要求的提高，常规水处理工艺已愈发难以满足要求［１］。超滤膜工艺因其可有效截留水体中的污染物和病菌、出水水质好、占地少、能耗低、易于与其他工艺结合［２－３］、维护管理方便等，成为替代或强化传统水处理工艺的最佳选择［４－６］。但在实际应用中，浸没式超滤膜工艺存在一个突出问题，即膜污染以及由此导致的膜通量的降低和操作费用的增加［７］。因此，如何有效地减缓膜污染［８－１０］，成为水处理领域研究的重点。笔者以河北省某地表水厂为例，对不同操作条件下短流程浸没式超滤工艺的膜污染状况进行分析，以期为水厂的升级改造提供参考。１　试验装置与方法１．１　试验用水试验用水来自大浪淀水库，为“引黄济冀”的黄河水。试验时间为２０１４年６—１２月，经历了水源水的高温高藻期和正常水质期，试验期间水源水的主要水质指标见表１。表１　水源水的主要水质指标水质期水温／℃浊度／ＮＴＵｐＨ值ＣＯＤＭｎ浓度／（ｍｇ·Ｌ－１）藻类／（万个·Ｌ－１）高温高藻期（６月１１日至１０月１０日１８．７～３０．０７．１１～３３．４０７．９０～８．６９２．６７～６．０４２４４０～１３６８７正常水质期（１０月１１日至１２月１０日）４．２～１８．４１３．５０～３２．７０８．２１～８．３３３．２９～６．５４６２５～２８７７１．２　试验用膜试验用膜采用海南立升净水科技有限公司生产的复合ＰＶＣ浸没式超滤膜，型号为ＬＪ２Ａ－２０００－ＰＶ２，膜孔径０．０２μｍ，最高进水温度为４０℃，耐受ｐＨ值为１～１３，具有较好的耐酸碱性。１．３　试验方法本研究选取的地表水厂采用常规水处理工艺，试验所采用的浸没式超滤膜处理与常规处理工艺平行进行，流程见图１。试验进行时，将常规工艺混凝后的水经过提升泵打入浸没式超滤膜池过滤，滤后水进入清水箱，为保证供水水质稳定，将清水箱中的清水与常规工艺沉淀后的水一起过滤后送至清水池。对超滤膜池定时进行清洗，清洗后的浓液定期排放（返回沉淀池重新处理）。图１　工艺流程根据达西定律，在恒流过滤模式下，跨膜压差（ＴＭＰ）的变化可以反映膜过滤阻力的变化情况，跨膜压差可以直观显示膜污染的程度。因此，通过考察跨膜压差的变化，探求混凝剂投加量、膜通量、排空周期及膜清洗等操作条件的变化对膜污染的影响。·８６·第３８卷第３期　　　　　　　　　　　　　　　　　　人　民　黄　河　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．３　　２０１６年３月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＹＥＬＬＯＷ　ＲＩＶＥＲ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｍａｒ．，２０１６　　２　结果及讨论目前，控制膜污染的主要方法包括科学的预处理、操作条件的优化和膜改性等［１１］，试验前应对水源水预先进行混凝处理。２．１　不同混凝剂投加量对膜污染的影响试验采用混凝剂为聚合氯化铝铁，混凝方式采用机械三级搅拌，投加量根据不同水质时期在６～２０ｍｇ／Ｌ之间变化，跨膜压差的变化见图２。通过图２可以看出，运行过程中跨膜压差随着混凝剂投加量的提高逐渐升高，混凝剂投加量超过１５ｍｇ／Ｌ后，ＴＭＰ增速加快，考虑到膜污染速率及出水中铝离子浓度，确定该混凝剂的最佳投加量为６～１０ｍｇ／Ｌ。图２　跨膜压差随加药量变化为了进一步研究最佳投加范围内膜污染速率的变化，分析投加量为６、８、１０ｍｇ／Ｌ时跨膜压差的变化，见图３。可以看出，过滤时间较短时，混凝剂投加量越小，ＴＭＰ增大越快；混凝剂投加量越大，跨膜压差越小，且增大速率缓慢。原因是，混凝剂的投加量加大，可以改善沉积在膜表面滤饼层的过滤性能，降低膜过滤阻力，从而减缓膜污染［１２］。随着过滤时间的延长，低投加量状况下的ＴＭＰ与之前保持相同的变化趋势，ＴＭＰ值略有增大，而高投加量状况下的ＴＭＰ呈现快速增大的趋势，且反洗后跨膜压差恢复不明显。原因是，随着过滤时间的延长，膜表面的滤饼层变得密实，膜过滤阻力增大，而且反冲洗不易清洗掉密实的滤饼层［１３］，从而导致跨膜压差快速增大。因此，综合考虑混凝剂成本及膜污染状况，该水质较适宜的混凝剂投加量为６ｍｇ／Ｌ。图３　不同投加量下跨膜压差变化２．２　不同膜通量对膜污染的影响选择合适的膜通量是优化操作条件的主要方法［１３－１７］。膜通量越小，产水量越小，处理相同水量需要的膜组件越多；膜通量越大，产水量越大，但是能耗也大，膜污染越迅速，需频繁地采用物理和化学方法来清除污染物，恢复膜的通量，从而使运行费用增加，因此确定合理的膜通量十分必要。试验进行时，分别控制膜通量为２５、３０、３５、４０、４５Ｌ／（ｍ２·ｈ），跨膜压差的变化情况见图４。图４　不同膜通量下跨膜压差的变化由图４可知，随着膜通量的增大，跨膜压差呈现增大趋势，膜通量为２５Ｌ／（ｍ２·ｈ）时，超滤膜ＴＭＰ较小，且随着过滤时间的延长，ＴＭＰ增加不明显；膜通量为３０～３５Ｌ／（ｍ２·ｈ）时，ＴＭＰ稍有增大，但是随着过滤时间的延长，ＴＭＰ变化不大；膜通量为４０Ｌ／（ｍ２·ｈ）时，初期ＴＭＰ值略有增加，但后期超滤膜ＴＭＰ增加明显；膜通量为４５Ｌ／（ｍ２·ｈ）时，跨膜压差增大速率明显加快，膜污染速度加快。通过观察不同膜通量下的ＴＭＰ变化发现，膜通量越大，膜运行初期跨膜压差增大越快，但是由于膜通量大小决定了产水量的高低，因此，根据产水量、膜污染速率、运行成本等因素综合考虑［１８］，选取较佳膜通量值为３０～４０Ｌ／（ｍ２·ｈ）。２．３　不同排污周期对膜污染的影响超滤膜运行过程中，随着污染物被截留，膜孔径逐渐堵塞，ＴＭＰ值逐渐升高，必须定期对膜进行反洗，但是随着反洗水浓度的逐渐升高，膜堵塞的速率也会加快，因此应将膜池反洗水定期排放，以减缓膜污染的速率。排污频率关系到膜污染速率及水量节约：排污频率低，可节约水量，但是不利于缓解超滤膜污染；排污频率高，在一定程度上可以减缓膜污染速率，但是会造成水量的浪费及运行成本的增加。本试验以通量为３０Ｌ／（ｍ２·ｈ）、过滤时间为９０ｍｉｎ为例，分析不同排污周期对膜污染速率的影响，见图５。由图５可以看出，过滤时间较短时，３种工况下跨膜压差的恢复效果相差不大，但是随着过滤时间的延长，５ｈ排空１次跨膜压差的恢复效果明显优于另外两种工况。原因可能是排空周期越短，膜表面的滤饼越松散，反冲洗对膜表面沉积物的去除效果越好，膜污染·９６·人民黄河　２０１６年第３期速率越慢。图５　不同排污周期跨膜压差的变化２．４　膜清洗对膜污染的影响随着超滤过程的进行，膜堵塞日益加重，ＴＭＰ逐渐增大，若要恢复正常膜通量，必须定期对膜进行清洗，本试验中对膜采取的清洗方式有物理性清洗、维护性清洗及恢复性清洗。２．４．１　物理性清洗一个完整的物理性清洗过程包括气冲与气水联合反冲，每次清洗先气冲３０ｓ，再气水反洗６０ｓ。清洗周期为６０ｍｉｎ／次。清洗后膜通量得到很大程度的恢复，但是随着过滤时间的延长，物理性清洗后膜通量的恢复效果逐渐变差，因此除了对滤膜进行物理性清洗外，还应对污染严重的滤膜进行维护性清洗及恢复性清洗。２．４．２　维护性清洗维护性清洗就是使用低浓度的酸性或氧化性碱液清洗膜丝，以减缓膜污染速率、延迟恢复性清洗。清洗药剂为０．０２％～０．０５％钠溶液。试验考察了不同运行通量、药剂浓度、浸泡时长的清洗效果，见表２。通过对比不同清洗参数下跨膜压差的变化，确定清洗药剂浓度为０．０５％，浸泡时长为２．５～３．０ｈ，清洗周期为７ｄ。２．４．３　恢复性清洗当反冲洗及维护性清洗难以恢复膜原有的处理能力时，需要采用化学药剂清洗膜组件来消除膜表面的不可逆污染物。本试验采用先碱洗后酸洗的顺序进行恢复性清洗。清洗时水温为１０．４℃，运行初ＴＭＰ为１４．２１ｋＰａ，碱洗前ＴＭＰ为３３．３７ｋＰａ，碱洗采用０．１％的ＮａＣｌＯ和０．５％的ＮａＯＨ，浸泡时长为２２ｈ，碱洗后ＴＭＰ为１５．００ｋＰａ。酸洗采用０．５％的ＨＣｌ，浸泡时长为２０ｈ，酸洗后ＴＭＰ为１４．６０ｋＰａ。恢复性清洗后压力降为１８．７７ｋＰａ，跨膜压差恢复率为９７．９６％。表２　超滤膜维护清洗状况温度／℃通量／（Ｌ·ｍ－２·ｈ－１）药剂浓度／％浸泡时间／ｈＴＭＰ／ｋＰａ运行初清洗前清洗后压力降／ｋＰａ跨膜压差恢复率Ｋ／％２７．９２５０．０２０．５４．４６９．６０５．０２４．５８０８９．１１２６．１３００．０２０．５５．７３３３．００１４．６０１８．４０６７．４７２３．１３００．０５４．０８．１０１８．００６．５０１１．５０１１６．１６１９．７３００．０５３．０６．５０２２．００８．６５１３．３５８６．１３３　结　论（１）对于本试验水源水，采用聚合氯化铝铁作为混凝剂时，综合考虑混凝剂成本及膜污染变化速率，确定最佳混凝剂投加量为６ｍｇ／Ｌ。（２）通过考察不同膜通量状况下的跨膜压差变化情况，综合考虑产水量、膜污染速率、运行成本等因素，确定较佳膜通量值为３０～４０Ｌ／（ｍ２·ｈ）。（３）以膜通量为３０Ｌ／（ｍ２·ｈ）、过滤时间为９０ｍｉｎ为例，考察了不同排污周期对膜污染速率的影响，综合考虑水量节约与膜污染防治，确定最佳排污周期为５ｈ／次。（４）根据本试验运行工况下跨膜压差的变化规律，确定了不同清洗方式的清洗参数：物理性清洗周期为６０ｍｉｎ，清洗方式为先气冲３０ｓ再气水联合反冲６０ｓ；维护性清洗周期为７ｄ，清洗药剂（钠溶液）浓度为０．０５％，浸泡时长为２．５～３．０ｈ；恢复性清洗采用先碱洗后酸洗的顺序，碱洗时采用０．１％ＮａＣｌＯ与０．５％ＮａＯＨ浸泡２２ｈ，酸洗采用０．５％ＨＣｌ浸泡２０ｈ。参考文献：［１］　熊作鹏，肖峰，陈莉，等．高效聚合氯化铝对超滤膜污染影响的中试研究［Ｊ］．环境工程学报，２０１２，６（１０）：３３９３－３３９８．［２］　ＨＵＡＮＧＨａｉｏｕ，ＳＣＨＷＡＢＫ，ＪＡＣＡＮＧＥＬＯＪＧ．ＰｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｆｏｒＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＭｅｍｂｒａｎｅｓｉｎＷａｔｅｒＴｒｅａｔｍｅｎｔ：ａＲｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，４３（９）：３０１１－３０１９．［３］　夏圣骥，李圭白，张军，等．混凝／超滤去除地表水中颗粒特性［Ｊ］．哈尔滨工业大学学报，２００８，４０（１０）：１６５７－１６６０．［４］　朱勇，马丽华，戴兴春，等．白腐真菌膜生物反应器对活性染料废水的脱色效果［Ｊ］．中国给水排水，２００７，２３（１５）：３８－４２．［５］　林锦美，唐婉莹，林建清，等．白腐真菌降解黑索今的试验研究［Ｊ］．中国给水排水，２００６，２２（７）：７４－７７．［６］　赵文生，邓锡斌，赵勇胜