PVDF_PVP改进超滤膜用于城_省略_再生时的膜清洗方式与

1、对城市污水处理厂二级出水进行再生利用,可以减少污染物的排放,作为可靠的替代水源,缓解了水资源短缺1,超滤技术用于城市污水的深度处理,可以获得多目标用途的稳定优异的中水水质,因而备受关注,然而,针对城市二级处理水残留污染物的复杂组,膜污染造成的膜通量下降却成为阻碍膜分离技术推广的主要障碍2-3。在超滤技术的实际工程应用中,改善膜性能、改善操作条件可以在一定程度上控制其不可逆污染,合适的水力清洗操作参数可以提高膜和整个系统的使用寿命以及降低膜分离系统的成本4-5。本试验以城市二级出水为处理对象,采用自主设计的全自动膜分离装置,旨在通过改变不同的水力清洗条件与加药反洗方式,寻找改善PVDF/PVP

2、改性超滤膜的抗污染能力和用于污水再生时的运行操作条件和方法,为实际工程的运用提供一定的参考。1试验部分1.1试验方法1.1.1试验水源及预处理方式试验原水为城市二级出水,在原水进入内压式中空纤维超滤膜之前,对其进行一定的预处理,以满足膜进水的水质要求和保证长期运行的稳定。试验预处理采用混凝沉淀、砂滤方式,试验应用的混凝剂采用聚合氯化铝(PAC ,投药量为50mg/L 、助凝剂为聚丙烯酰胺(PAM ,投药量为0.75mg/L ,均为优化研究后的结果。试验采用西安市某污水处理厂生物处理二级出水。水质见表1。1.1.2试验设备超滤试验采用自制的PVDF-500中空纤维超滤膜组件(膜孔平均内外径分别为

3、1mm 和1.5mm ,切割分子质量67k 左右,有效过水膜面积4m 2;膜分离装置为PVDF/PVP 改进膜为核心自主设计的全自动膜分离装置。PVDF/PVP 改进超滤膜用于城市污水再生时的膜清洗方式与调控试验研究李振,王磊,王旭东,张坤(西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西西安710055摘要:对城市污水二级处理水经混凝沉淀、砂滤预处理后,利用自主制备改进的PVDF/PVP 超滤膜和开发的全自动膜分离装置进行再生处理,考察了不同水力清洗操作条件和加药反洗对抑制膜污染的效果及相关参数,并与国内外应用广泛的超滤膜作了比较。结果表明,(1改变水力清洗条件时,反洗流量的改变可以在很大程度上减缓

4、PVDF/PVP 改性膜的膜污染,当反洗流量由产水流量的1.5倍逐渐扩大到2倍时,以跨膜压差增长率所表示的膜污染速率由0.387(kPa ·m 2/d 减少到0.085(kPa ·m 2/d ,膜污染速率减少78%;(2最佳水力清洗方式下跨膜压差增长程度控制在1.111.37kPa 左右时,采用次氯酸钠溶液加药反洗可以使跨膜压差完全恢复,最佳水力清洗方式为反洗时间80s 、流量640L/h ,快洗时间60s 、流量800L/h ,加药反洗周期为120个过滤周期;(3PVDF/PVP 改进膜水力清洗与加药反洗时,清洗压力与耗水量较低于国内外一些主要超滤膜产品的运行参数,表明具

5、有抗污染强、恢复效果好和能耗低的优点关键词:二级出水;水力清洗;加药反洗;超滤;跨膜压差中图分类号:TQ028.8;X799.3文献标识码:A文章编号:1000-3770(201304-0070-005收稿日期:2012-11-19基金项目:国家自然科学基金项目(51008243,51178378,51278408;陕西省科技统筹创新计划项目(2012KTCL03-06作者简介:李振(1987-,男,硕士研究生,研究方向为膜法水处理技术;E-mail :li.zhen2006 联系作者:王磊;E-mail :wl0178第39卷第4期2013年4月水处理技术TECHNOLOGY OF WATE

6、R TREATMENT Vol.39No.4Apr.,201370李振等,PVDF/PVP 改进超滤膜用于城市污水再生时的膜清洗方式与调控试验研究1.1.3试验控制方式与分析方法影响本试验装置恒流过滤(回收率为90%、在线水力清洗(反洗和表面冲洗、加药反洗3种试验流程,均采用全自动控制方式实现。超滤系统在线水力反清洗水为膜出水,表面快洗水为预处理出水,加药反洗药液通过隔膜泵从超滤膜反洗端随反洗液混合注入,注入后的混合液为有效率0.03%的次氯酸钠溶液,加药反洗时间由在线反洗时间确定。膜分离装置过滤周期为30min ,过滤周期后进行水力清洗,先反洗后快洗,每24h 运行40个过滤周期;超滤过程中

7、膜污染导致的跨膜压差TMP 的变化由电脑自动记录。试验工艺如图1所示。1.2试验数据处理方法1.2.1周期产水率周期产水率的计算涉及到膜系统的多个运行条件,计算方法可参照式(1:=Q F -QB F +Q FF×100%。(1式中,为周期产水率;Q F 为周期产水量;Q B 为周期反洗耗水量;Q FF 为周期快洗耗水量。1.2.2清洗恢复率6FR =p fw -p wfw -iw×100%。(2式中,FR 为跨膜压差恢复率;p fw 为膜污染后的TMP ;p w 为清洗后膜的TMP ;p iw 为膜过滤水样时的初始TMP 。2结果与讨论2.1预处理与超滤联用系统对污染物的去

8、除效果试验期间检测二级出水原水与膜进水常规水质指标,经混凝沉淀、砂滤处理及膜分离工艺单元后的原水污染物质的去除变化如表2所示。由表2可知,城市二级出水经预处理后,原水浊度、UV 254、COD 及氨氮磷酸盐均有所下降,预处理对COD 和UV 254的平均去除率分别为24.16%和20.62%,在一定程度上降低了膜进水有机物含量;预处理对小分子的氨氮磷酸盐也有一定的去除效果,平均去除率分别为28.33%和30.11%,在一定程度上减轻了吸附作用对超滤膜的污染;预处理尤其对浊度具有较高的去除率,达到了80%,进膜浊度稳定在12NTU 以下,为后续超滤膜提供了稳定的进水水质条件。由上表还可以得出,膜

9、进水经超滤后对浊度物质完全去除,膜分离技术对浊度的去除效果十分理想,高达100%。预处理与超滤联用系统对COD 和UV 254平均去除率分别为35.8%和40.2%,对小分子的氨氮和磷酸盐的去除率分别为32.55%和34.6%,试验表明针对城市污水二级处理水复杂的残留污染物特性,用以超滤膜为核心的再生工艺可以实现城市污水的深度处理。2.2水力清洗的水量消耗与膜TMP 变化的条件优化试验超滤系统运行过程中,进料液中的颗粒、胶体粒子、乳浊液、溶质大分子、盐等物质与膜发生机械作用或物理化学作用,从而使这些物质在膜表面或膜孔内堵塞、吸附沉积,造成膜的渗透通量持续下降7。图1试验工艺流程Fig.1Tes

10、t process flow diagramPACPAM 参数二级出水膜进水浊度/NTU UV 254/cm -1COD/(mg ·L -1(氨氮/(mg ·L -1(磷酸盐/(mg ·L -1pH6.8111.060.140.15421.631.460.771.231.091.867.107.250.342.020.0890.1114.425.540.650.840.531.567.157.250.0820.09212.1120.280.540.770.521.287.17.258020.6224.1628.3330.11-10040.235.832.5534.

11、6-膜出水平均去除率/%预处理联用系统表2预处理前后水质变化及去除率Tab.2Water quality changes and removal rate through the pretreatment表1原水水质Tab.1The quality of raw water 参数pH(氨氮/(mg·L -1COD/(mg ·L -1(磷酸盐/(mg·L -1浊度/NTU UV 254/cm -1(TOC/(mg·L -16.37.90.142.291.072.4319.244.32.112.20.1120.1778.814.2数值71根据国内外一些超滤膜

12、厂家产品针对给水处理时的工艺运行参数,超滤膜在线水力清洗时反洗水流量是膜过滤时产水流量的1.5至4倍,反洗压力0.060.2MPa ,时间12min 左右;快洗水流量为膜过滤时产水流量的13倍,时间0.51.5min 左右,但对城市污水再生时复杂污染物的试验尚未报导。本试验处理城市污水,在线反冲洗水为膜出水,表面快洗水为预处理出水,在保持较高产水率的情况下,采用反洗流量控制在产水流量的1.5至2倍、快洗流量最大值为产水流量的2.5倍,采用的参数值均在给水处理参数值的较低范围内。试验中超滤膜产水通量为80L/(m 2·h,膜组件产水流量为320L/h ,则反洗流量设计为480640L/

13、h ,反洗端压力5055kPa 。不同运行方式见表3。由图2可知,(1采用方式a 运行时,周期平均TMP 由最初的27.64kPa 增长到29.19kPa ,膜污染速率为0.387(kPa ·m 2/d ;采用运行方式b 时,表面快洗流量由2.5倍扩大到3倍,TMP 由26.86kPa 增加到28.23kPa ,膜污染速率为0.342(kPa ·m 2/d ,由方式a 与方式b 可知,通过增加表面快洗流量,超滤膜的膜污染速率在一定程度上得到减轻,其结果与Bian 8认为的无论在理论还是实践中,可通过提高流体切向剪切力来减轻膜污染的结果一致。(2反洗采用运行方式c 时,与方式

14、a 相比,流量由产水流量的1.5倍增加到1.8倍,TMP 的变化由27.64kPa 增加到28.75kPa ,膜污染速率为0.278(kPa ·m 2/d ,表明反洗流量的改变可以有效的抑制膜污染、降低污染速率,与表面快洗的改变相比较,其抗污染效果更明显;(3反洗采用方式d 运行时,流量由方式c 的1.8倍增大到2倍,相应的TMP 变化由27.37kPa 增加到27.71kPa ,膜污染速率由0.278(kPa ·m 2/d 减少到0.085(kPa ·m 2/d ,膜污染速率有较大程度的减轻;采用运行方式e 时,反洗时间较方式d 减少的情况下,其TMP 由26.

15、17kPa 增加到26.68kPa ,膜污染速率为0.127(kPa ·m 2/d ,相较与方式d 污染速率增加0.042(kPa ·m 2/d 。综上所述,5种运行方式的膜污染速率依次为0.387、0.342、0.278、0.085、0.127(kPa ·m 2/d ,产水率分别为86.15%、84.85%、84.92%、84.11%和84.62%。虽然运行方式d 与方式a 、b 和c 相比,产水率分别减少了2.04%、0.74%和0.81%,但膜污染速率却分别仅为三者的21.96%、24.85%和30.63%。运行方式d 与e 相比较,方式d 的产水率相较与e

16、 减少了0.51%,但膜污染速率却相应的减少了33%,从水力条件控制膜污染的角度出发,运行方式d 在保证产水率的同时具有节能的优点。2.3加药反洗对跨膜压差恢复效果的分析在超滤膜的实际运行过程中,不可避免的会产生膜的不可逆污染,导致跨膜压差的升高,加药反洗的运用可以有效提高水力反洗的效率,减轻膜污染,延长化学清洗周期9。本试验条件下,通过从反洗端注入次氯酸钠溶液,以考察加药反洗对跨膜压差TMP 的恢复效果,根据表3中最佳水力清洗方式d 的运行条件,试验记录了超滤过程中多种膜压差增长程度下的加药反洗恢复效果,如表4所示。表4表征了平均TMP 不同增长程度下的恢复效果,当膜污染导致的平均TMP 增

17、长量从0.51kPa 增加到2.06kPa 时,其恢复率从100%逐渐减少到66.5%。从表4中可以看出,跨膜压差增长量控制在1.11kPa 至1.37kPa 左右时进行加药反洗跨膜压差能够完全恢复。这表明在较短的清洗时间内,为确保运行方式a b c d e80808080751.51.51.822反洗时间/s V (Q B :V (Q F 快洗时间/s V (Q FF :V (Q F 60606060602.532.52.52.5表3不同水力清洗操作方式Tab.3Different hydraulic cleaning operation conditions 28.6629.229.192

18、8.2328.7528.5726.6827.2927.8427.7226.6027.6527.3326.05p fw /kPa p w /kPa TMP 增长量/kPaFR /%2.061.911.551.371.110.850.5166.571.291.510099100100试验编号p iw /kPa 123456726.6027.2927.6426.8627.6427.7226.17表4加药反洗对TMP 恢复效果Tab.4TMP recovery effect under the CEB图2不同运行条件下超滤系统周期TMP 平均值变化Fig.2The trends of average

19、TMP under the differentoperation conditions51015202530354026.026.527.027.528.028.529.029.530.0ÁÂÁÁÁÁÁÁÃÁÄÁÁÁÁÁÁÅÁÆT M P k P a水处理技术第39卷第4期72积累在膜表面和膜孔中的污染物质清除,控制膜污染程度是非常重要的。2.4水力清洗与加药反洗组合调节对膜污染控制效果分析在线水

20、力清洗可以在短期内保证超滤的正常运行,但随着超滤的长期运行和水质的变化,超滤膜不可逆污染程度增加,导致跨膜压差的升高,及时对膜污染进行清除,对超滤的稳定运行至关重要。本试验考察了最佳水力清洗条件即反洗时间80s ,反洗流量640L/h 、产水率84.11%,快洗流量800L/h 、时间60s 操控下,与加药反洗联用方式对控制膜污染的效果分析。试验共运行360个周期,分为3个阶段,前后3个阶段各运行120个周期,每阶段运行120个过滤周期后启动加药反洗对超滤膜清洗一次。多个运行周期下,水力清洗与加药反洗对膜污染的控制作用如图3所示。由图3可知,在第一阶段初始运行周期时,超滤膜TMP 平均值为27

21、.42kPa ,随着过滤周期的增加,当运行120个周期左右时,TMP 增长为28.45kPa ,跨膜压差升高将近1kPa ,启动加药反洗,清洗后平均TMP 降低为27.31kPa ,TMP 恢复率100%;第二阶段中超滤膜TMP 从初始值27.31kPa 逐渐升高到28.58kPa ,TMP 增长1.27kPa ,加药反洗后跨膜压差降低为27.33kPa ,TMP 恢复率98.4%;第三阶段中超滤膜TMP 从初始值27.33kPa 逐渐升高至28.52kPa ,TMP 增长1.19kPa ,加药反洗后跨膜压差降低为27.35kPa ,TMP 恢复率将近100%,这表明采用加药反洗对多个周期运行

22、下跨膜压差的增长有很好的抑制作用,对膜污染具有良好的可控性。超滤中试试验连续运行150d ,采用相同的运行调试方法,研究确定了膜过滤通量为50、60、70、80、90、100、110、120L/(m 2·h时最佳水力清洗操作条件与加药反洗周期,研究结果如表5所示。试验研究发现,不同产水通量下,最佳水力清洗时反洗流量与产水流量的比值均在1.82倍之间,50120L/(m 2·h下周期反清洗耗水量为1.385.97L/m 2,清洗压力0.040.08MPa ,加药反洗周期为2472h ,快洗流量最大值为产水流量的2.5倍,时间5060s ,相应的产水率在82.56%88.31%

23、之间,PVDF/PVP 改进膜在清洗压力与耗水量上较低于国内外一些主要超滤膜厂家技术手册中所给出的运行参数,表明PVDF/PVP 改性膜具有抗污染强,耗水量低的优点。3结论针对PVDF/PVP 改进膜为核心的自主研发膜分离装置和控制系统用于城市二级处理水的再生利用,研究了膜污染清洗方式与调控技术,分析了改进膜在应用过程中的现实优势,结果表明:以混凝沉淀砂滤为预处理方式,发现预处理对有机物和浊度物质有良好的去除效果,COD 、UV 254、氨氮和磷酸盐的平均去除率分别为24.16%、20.62%、28.33%、30.11%,预处理对浊度的去除率更高,平均去除率为80%左右,为保证膜进水的稳定和减

24、缓膜污染起到积极作用。选择合适的水力清洗条件可以延缓膜污染,本试验中,将反洗流量由产水流量1.5倍调节到2倍图3水力清洗与加药反洗TMP 平均值变化Fig.3The trends of average TMP under the method ofhydraulic cleaning and CEB06012018024030036027.027.528.028.529.0T M P k P a0.71.00.71.10.91.21.11.31.11.31.31.51.31.51.31.5TMP 可控增长量/kPa加药周期/%12012012012010080804088.3187.2786.

25、2384.1183.9782.5682.9883.665050506060606060500600700800900100011001100快洗时间/s快洗流量/(L ·h -1产水通量/(L ·m 2·h -1反洗时间/s反洗流量/(L ·h -1V (Q B :V (Q F 506070809010011012050607080909010010040048056064065080080086022221.821.81.8表5不同产水通量下超滤系统的最佳运行方式Tab.5The best operation mode for the differen

26、t filtrate flux李振等,PVDF/PVP 改进超滤膜用于城市污水再生时的膜清洗方式与调控试验研究73中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会将于2013年5月10-13日在上海市举办。该届研讨会将按照专业化、高规格、高水平的要求,突出“开放性、地域性、产业性、社会性和创新性”特色,针对污泥处理处置的标准实施、成熟工艺及设备运行经验、污泥处置政策等问题进行解答和研讨交流,同时为行业内单位搭建推介城镇污泥处理处置与综合利用新技术、新工艺、新设备的平台。 (王领全THE STUDY ON MEMBRANE CLEANING METHOD AND

27、OPERATION COMMISSIONING TEST AS THE PVDF/PVP IMPROVED ULTRAFILTRATION MEMBRANE USED IN URBAN SEWAGE RECYCLINGLi Zhen,Wang Lei,Wang Xudong,Zhang Kun(School of Environmental and Municipal Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,ChinaAbstract:This paper presents

28、 a pilot study which uses coagulation,sedimentation and sand filtration as pretreatment for the automatic membrane separation device to treat secondary effluent.The aim of this study is to investigate the effect of different operational conditions and chemical enhanced backwash(CEBon the inhibition

29、of membrane fouling.The results show that:(1As the hydraulic cleaning conditions change,the changing of backwash flow can substantially reduce the membrane fouling,when the backwash flow gradually expands from 1.5times of the filtrate flow to 2times under the experimental conditions,the membrane fou

30、ling rate reduces from 0.387(kPa ·m 2/d to 0.085(kPa ·m 2/d,the membrane fouling rate decreases 78%;(2Utilizing one NaClO CEB can fully restore the transmembrane pressure when the increase of the transmembrane pressure is controlled around 1.111.37kPa.In this test,the best hydraulic cleani

31、ng condition is backwash for 80s with a constant permeate back flow around 640L/h and forward flush for 60s with flow 800L/h,the CEB frequency is 120cycles.(3The cleaning pressure and water consumption of the PVDF/PVP improved ultrafiltrationmembrane is lower than some of the major domestic and fore

32、ign film manufacturers operating parameters,It has the advantages of good anti-pollutionand recovery effect and low energy consumption.Keywords :secondary effluent;hydraulic cleaning;chemical enhanced backwash;ultrafiltration;transmembrane pressure时膜污染速率减少78%,最优操作条件下的产水率达到84.11%的较高值。最佳水力清洗方式与加药反洗的联合、并合理的确定加药反洗周期,可以有效控制TMP 的增长。本试验条件下,最佳水力清洗方式为反洗时间80s 、流量640L/h ,快洗时间60s 、流量800L/h ,平均TMP 增长量控制在1.111.37kPa 左右时,加药反洗可以使跨膜压差完全恢复,加药反洗周期为120个过滤周期。采用相同的运行调试方法,试验研究并确定了不同产水通量下的最佳水力清洗操作条件与加药反洗周期,为实际工程中的应