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超濾膜在水處理應用中的應用工藝

发布时间:2019-10-02 来源:未知

超濾膜在水處理應用中的應用工藝,超濾膜的透水能力隨著溫度的升高而增大,一般水溶液其粘度隨著溫度而降低,從而降低了流動的阻力,相應提高了透水速率。在工程設計中應考慮工作現場供給液的實際溫度。 
 
前處理超濾法在水處理及其他工業淨化、濃縮、分離過程中,可以作爲工藝過程的預處理,也可以作爲工藝過程的深度處理。在廣泛應用的水處理工藝過程中,常作爲深度淨化的手段。根據中空纖維超濾膜的特性,有一定的供水前處理要求。因爲水中的懸浮物、膠體、微生物和其他雜質會附于膜表面,而使膜受到汙染。
 
由于超濾膜水通量比較大,被截留雜質在膜表面上的濃度迅速增大産生所謂濃度極化現象,更爲嚴重的是有一些很細小的微粒會進入膜孔內而堵塞水通道。另外,水中微生物及其新陳代謝産物生成粘性物質也會附著在膜表面。這些因素都會導致超濾膜透水率的下降以及分離性能的變化。同時對超濾供水溫度、PH值和濃度等也有一定限度的要求。因此對超濾供水必須進行適當的預處理和調整水質,滿足供水要求條件,以延長超濾膜的使用壽命,降低水處理的費用。
 
 
 
A微生物(細菌、藻類)的殺滅:
 
當水中含有微生物時,在進入前處理系統後,部分被截留微生物可能粘附在前處理系統,如多介質過濾器的介質表面。當粘附在超濾膜表面時生長繁殖,可能使微孔完全堵塞,甚至使中空纖維內腔完全堵塞。微生物的存在對中空纖維超濾膜的危害性是極爲嚴重的。除去原水中的細菌及藻類等微生物必須重視。
 
在水處理工程中通常加入NaClO、O3等氧化劑,濃度一般爲1~5mg/l。此外,紫外殺菌也可使用。在實驗室中對中空纖維超濾膜組件進行滅菌處理,可以用雙氧水(H2O2)或者高錳酸鉀水溶液循環處理30~60min。殺滅微生物處理僅可殺滅微生物,但並不能從水中去除微生物,僅僅防止了微生物的滋長。
 
 
 
B降低進水混濁度:
 
當水中含有懸浮物、膠體、微生物和其他雜質時,都會使水産生一定程度的混濁,該混濁物對透過光線會産生阻礙作用,這種光學效應與雜質的多少,大小及形狀有關系。衡量水的混濁度一般以蝕度表示,並規定1mg/lSiO2所産生的濁度爲1度,度數越大,說明含雜量越多。
 
在不同領域對供水濁度有不同的要求,例如,對一般生活用水,濁度不應大于5度。由于濁度的測量是把光線透過原水測量被水中顆粒物反射出的光量、顔色、不透明性,顆粒的大小、數量和形狀均影響測定,濁度與懸浮物固體的關系是隨機的。對于小于若幹微米的微粒,濁度並不能反映。
 
在膜法處理中,精密的微結構,截留分子級甚至離子級的微粒,用濁度來反映水質明顯是不精確的。爲了預測原水汙染的傾向,開發了SDI值試驗。
 
 
 
SDI值主要用于检测水中胶体和悬浮物等微粒的多少,是表征系统进水水质的重要指标。SDI值的确定方法一般是用孔径为0.45μm微孔滤膜在0.21MPa恒定水流压水力下,首先记录通水开始滤过500ml水样所需的时间t0,然后在相同条件下继续通水15min,再次记录滤过500ml 水样所需时间t15,然后根据下式计算:    SDI=(1-t0/t15)×100/15
 
水中SDI的值的大小大致可反映膠體汙染程度。井水的SDI<3,地表水SDI在5以上,SDI極限值爲6.66……,即需進行預處理。
 
 
 
超濾技術對SDI值的降低最爲有效,經中空纖維超濾膜處理水的SDI=0,但當SDI過大時,特別是較大顆粒對中空纖維超濾膜有嚴重的汙染,在超濾工藝中,必須進行預處理,即采用石英砂、活性炭或裝有多種濾料的過濾器過濾,至于采取何種處理工藝尚無固定的模式,這是因爲供水來源不同,因而預處理方法也各異。
 
例如,對于具有較低濁度的自來水或地下水,采用5~10μm的精密過濾器(如蜂房式、熔噴式及PE燒結管等),一般可降低到5左右。在精密過濾器之前,還必須投加絮凝劑和放置雙層或多層介質過濾器過濾,一般情況下,過濾速度不超過10m/h,以7~8m/h爲宜,濾水速度越慢,過濾水質量越好。 
 
 
 
C懸浮物和膠體物質的去除:
 
對于粒徑5μm以上的雜質,可以選用5μm過濾精度的濾器去除,但對于0.3~5μm間的微細顆粒和膠體,利用上述常規的過濾技術很難去除。雖然超濾對這些微粒和膠體有絕對的去除作用,但對中空纖維超濾膜的危害是極爲嚴重的。
 
特別是膠體粒子帶有電荷,是物質分子和離子的聚合體,膠體所以能在水中穩定存在,主要是同性電荷的膠體粒子相互排斥的結果。向原水中加入與膠體粒子電性相反的荷電物質(絮凝劑)以打破膠體粒子的穩定性,使帶荷電的膠體粒子中和成電中性而使分散的膠體粒子凝聚成大的團塊,而後利用過濾或沈降便可以比較容易去除。
 
常用的絮凝劑有無機電解質,如硫酸鋁、聚合氯化鋁、硫酸亞鐵和氯化鐵。有機絮凝劑如聚丙稀酰胺、聚丙稀酸鈉、聚乙稀亞胺等。由于有機絮凝劑高分子聚合物能通過中和膠粒表面電荷,形成氫鍵和“搭橋”使凝聚沈降在短時間內完成,從而使水質得到較大改善,故近年來高分子絮凝劑有取代無機絮凝劑的趨勢。
 
在絮凝劑加入的同時,可加入助凝劑,如PH調節劑石灰、碳酸鈉、氧化劑氯和漂白粉,加固劑水下班及吸附劑聚丙稀酰胺等,提高混凝效果。
 
絮凝劑常配制成水溶液,利用計量泵加入,也可使用安裝在供水管道上的噴射器直接將其只入水處理系統。
 
 
 
D可溶性有機物的去除:
 
可溶性有機物用絮凝沈降、多介質過濾以及超濾均無法徹底去除。目前多采用氧化法或者吸咐法。
 
(1)氧化法 利用氯或次氯酸钠(NaClO)进行氧化,对除去可溶性有机物效果比较好,另外臭氧(O3)和高锰酸钾(KMnO4)也是比较好的氧化剂,但成本略高。
 
(2)吸附法 利用活性炭或大孔吸附树脂可以有效除去可溶性有机物。但对于难以吸附的醇、酚等仍需采用氧化法处理。
 
 
 
E供水水質調整:
 
供水溫度的調整
 
超濾膜透水性能的發揮與溫度高低有直接的關系,超濾膜組件標定的透水速率一般是用純水在25℃條件下測試的,超濾膜的透水速率與溫度成正比,溫度系數約爲0.02/1℃,即溫度每升高1℃,透水速率約相應增加2.0%。因此當供水溫度較低時(如<5℃),可采用某種升溫措施,使其在較高溫度下運行,以提高工作效率。但當溫度過高時,同樣對膜不利,會導致膜性能的變化,對此,可采用冷卻措施,降低供水溫度。
 
 
 
供水PH值的調整
 
用不同材料制成的超濾膜對PH值的適應範圍不同,例如醋酸纖維素適合pH=4~6,PAN和PVDF等膜,可在PH=2~12的範圍內使用,如果進水超過使用範圍,需要加以調整,目前常用的PH調節劑主要有酸(HCl和H2SO4)等和堿(NaOH等)。
 
由于溶液中無機鹽可以透過超濾膜,不存在無機鹽的濃度極化和結垢問題,因此在預處理水質調整過程中一般不考慮它們對膜的影響,而重點防範的是膠質層的生成、膜汙染和堵塞的問題。
 
操作參數正確的掌握和執行操作參數對超濾系統的長期和穩定運行是極爲重要的,操作參數一般主要包括:流速、壓力、壓力降、濃水排放量、回收比和溫度。
 
 
 
A、流速:
 
流速是指原液(供給水)在膜表面上的流動的線速度,是超濾系統中的超濾一項重要操作參數。流速較大時,不但造成能量的浪費和産生過大的壓力降而且加速超濾膜分裂性能的衰退。反之,如果流速較小,截留物在膜表面形成的邊界層厚度增大,引起濃度極化現象,既影響了透水速率,又影響了透水質量。最佳流速是根據實驗來確定的。
 
中空纤维超滤膜,在进水压力维持在0.2MPa以下时,内压膜的流速仅为0.1m/s,该流速的流型处在完全层流状态。外压膜可获得较大的流速。毛细管型超滤膜,当毛细管直径达 3mm时,其流速可适当提高,对减少浓缩边界层有利。
 
必須指出兩方面問題,其一是流速不能任意確定,由進口壓力與原液流量有關,其二是對于中空纖維或毛細管膜而言,流速在進口端是不一致的,當濃縮水流量爲原液的10%時,出口端流速近似爲進口端的10%,此外提高壓力增加了透過水量,對流速的提高供獻極微。因此增加毛細管直徑,適當提高濃縮水排量(回流量),可以使流速獲得提高,特別是在超濾濃縮過程中,如電泳漆的回收時可有效提高其超濾速率。
 
在允許的壓力範圍內,提高供給水量,選擇最高流速,有利于中空纖維超濾膜性能的保證。
 
 
 
B、壓力和壓力降:
 
中空纖維超濾膜的工作壓力範圍爲0.1~0.6MPa,是泛指在超濾的定義域內,處理溶液通常所使用的工作壓力。分離不同分子量的物質,需要選用相應截留分子量的超濾膜,則操作壓力也有所不同。一般塑殼中空纖維內壓膜,外殼耐壓強度小于0.3MPa,中空纖維耐壓強度一般也低于0.3MPa,因而工作壓力應低于0.2MPa,而膜的兩側壓差應不大于0.1MPa。外壓中空纖維超濾膜耐壓強度可達0.6MPa,但對于塑殼外壓膜組件,其工作壓力亦爲0.2MPa。必須指出,由于內壓膜直徑較大,當用作外壓膜時,易于壓扁並在粘結處切斷,引起損壞,因此內外壓膜不能通用。
 
當需要超濾液具有一定壓力以供下一工序使用時,應采用不鏽鋼外殼超濾膜組件,該中空纖維超濾膜組件,使用壓力達到0.6MPa,而提供超濾液的壓力可達30m水柱,即0.3MPa壓強,但必須保持中空纖維超濾膜內外兩側壓差不大于0.3MPa。
 
在選擇工作壓力時除根據膜及外殼耐壓強度爲依據外,必須考慮膜的壓密性,及膜的耐汙染能力,壓力越高透水量越大,相應被截留的物質在膜表面積聚越多,阻力越大,會引起透水速率的衰減。此外進入膜微孔中的微粒也易于堵塞通道。總之,在可能的情況下,選擇較低工作壓力,對膜性能的充分發揮是有利的。
 
中空纤维超滤膜组件的压力降,是指原液进口处压力与浓缩液出口处压力之差。压力降与供水量,流速及浓缩水排放量有密切关系。特别对于内压型中空纤维或毛细管型超滤膜,沿着水流方向膜表面的流速及压力是逐渐变化的。供水量,流速及浓缩水排量越大,则压力降越大,形成下游膜表面的压力不能达到所需的工作压力。膜组件的总的产水量会受到一定影响。在实际应用中,应尽量控制压力降值不要过大,随着运转时间延长,由于污垢积累而增加了水流的阻力,使压力降增大,当压力降高出初始值0.05MPa 时应当进行清洗,疏通水路。
 
 
 
C、回收比和濃縮水排放量:
 
在超濾系統中,回收比與濃縮水排放量是一對相互制約的因素。回收比是指透過水量與供給量之比率,濃縮水排放量是指未透過膜而排出的水量。因爲供給水量等于濃縮水與透過水量之和,所以如果濃縮水排放量大,回收比較小。爲了保證超濾系統的正常運行,應規定組件的最小濃縮水排放量及最大回收比。
 
在一般水處理工程中,中空纖維超濾膜組件回收比約爲50~90%。其選擇根據爲進料液的組成及狀態,即能被截留的物質的多少,在膜表面形成的汙垢層厚度,及對透過水量的影響等多種因素決定回收比。在多數情況下,也可以采用較小的回收比操作,而將濃縮液排放回流入原液系統,用加大循環量來減少汙垢層的厚度,從而提高透水速率,有時並不提高單位産水量的能耗。
 
 
 
D、工作溫度:
 
超濾膜的透水能力隨著溫度的升高而增大,一般水溶液其粘度隨著溫度而降低,從而降低了流動的阻力,相應提高了透水速率。在工程設計中應考慮工作現場供給液的實際溫度。
 
特別是季節的變化,當溫度過低時應考慮溫度的調節,否則隨著溫度的變化其透水率有可能變化幅度在50%左右,此外過高的溫度亦將影響膜的性能。通常情況下中空纖維超濾膜的工作溫度應在25±5℃,需要在較高溫度狀態下工作則可選用耐高溫膜材料及外殼材料。
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