超滤应用于中水系统反渗透浓水回用的试验研究

1、超滤应用于中水系统反渗透浓水回用的试验研究 河北某电厂采用污水处理厂的中水作为循环水和锅炉补给水水源,其中一部分中水经反渗透处理后送至化学水处理车间。因为该反渗透浓水硬度很小,设计者拟将该浓水处理后回用,考虑到该浓水中较高的含盐量、SiO2和有机物,因此采用了超滤举行反渗透浓水处理实验研究。 1实验装置及水质 1.1中水水质状况 电厂使用的中水为污水处理厂排水,其水质成分复杂,水质分析状况见表1。 从表1中可以看出,电厂使用的中水COD含量较高,SiO2含量偏高,表面活性剂含量较高。 1.2反渗透浓水水质状况 反渗透的预处理部分分为石灰混凝澄清处理,过滤,软化。其中石灰处理能够降低一部分硬度、

2、一部分浊度、少量的色度和表面活性剂,去除50%左右的COD和30%左右的SiO2;过滤处理能够降低一部分浊度;软化处理能够将中水的硬度所有去除。 因此反渗透的进水中含有预处理部分无法降低的氨氮、氯离子、硫酸根以及大量的有机物、SiO2和表面活性剂。因为反渗透采用碱性运行工况,进水中的有机物、SiO2和表面活性剂所有进入浓水中,同时氯离子和硫酸根也在较高脱盐率的状况下大部分进入了浓水,反渗透浓水水质状况见表2。 表2中可以看出,反渗透浓水的硬度很小;氯离子相比原水有数倍的增强;硫酸根因为石灰处理需要加入硫酸以及软化后需要加入硫酸脱CO2,因此相比较原水有上十倍的增强;有机物、SiO2和表面活性剂

3、被反渗透浓缩后,均以数倍增强值存在于浓水中;水中的氨氮在碱性工况下可以通过膜自由移动到产水侧,因此浓水中的氨氮并没有成比例增强。 1.3实验装置和超滤膜 因为反渗透浓水几乎没有硬度,设计者考虑将该浓水处理后回用,而针对该浓水较高的有机物和二氧化硅含量,提出了采用超滤举行浓水处理实验。 超滤(UF)是以孔径为0.0051Lm的不对称多孔性半透膜)超滤膜作为过滤介质,在0.11.0MPa的静压力推进下,溶液中的溶剂、溶解盐类和小分子溶质透过膜,而各种悬浮颗粒、胶体、蛋白质、微生物和大分子等被截留,以达到分别纯化目的的一种膜分别技术1。因此超滤可以将浓水中的硅胶体和大分子有机物去除,留下钠盐等无机盐

4、类。 本实验流程如图1所示。反渗透浓水收集至浓水箱中,用超滤进水泵注入膜组件内,透过膜出水,超滤产水收集至超滤产水箱。待透膜压差达到反洗要求或产水量降至反洗要求后举行反洗。反洗分为排空、加药反洗、静置、空气擦洗、气水混洗、水反洗和快冲等7步。 实验用的超滤膜为DuraFlux-5500,该中空纤维超滤膜具有独特的双层膜结构,具有较好的机械性能、抗拉伸性能和化学稳定性。膜相关参数见表3。 2实验结果与争论 2.1pH值对超滤膜过滤效果的影响 在众多废水处理和回用效果的影响因素中2-4,pH值是给水处理中重要的水质参数,它的变化会转变有机物和无机物的物理化学性能,从而对膜过滤产生影响。研究表明5-

5、7,料液的pH值不仅严峻影响被处理料液中胶体微粒和溶质的物理化学性质,而且也能转变分别膜表面的荷电性能,二者之间的互相作用影响膜的分别效果和膜污染现象。 该进水中含有较高的有机物、表面活性剂和SiO2,但硬度十分小,且pH值在9.59.8。用盐酸调节浓水pH值分离为9.60,7.62,5.57和4.45举行实验,实验中采用循环错流过滤,保持足够的超滤浓水流量(210240m3/h),超滤浓水返回到超滤进水箱,每运行25min反洗1次超滤,实验结果见图2和图3。 从图2中可以看出,进水pH值为7.62时,超滤产水量衰减得最快,从初始的产水54m3/h直线下降至终于产水25m3/h,产水率下降超过

6、50%;进水pH值9.60对超滤产水的影响最小,仅从初始产水54m3/h降至终于的产水45m3/h;进水pH值4.45和5.57对膜通量的影响介于两者之间,其中pH值5.57的产水衰减速度为从初始产水57m3/h降至终于产水36m3/h,略高于pH值4.45的初始产水55m3/h降至终于产水37m3/h。 从图3中可以看出,进水pH值对透膜压差的影响与产水量影响全都,即pH值7.62透膜压差最高,且升高最快,pH值9.60透膜压差最小,pH值4.45和5.57透膜压差介于两者之间,且pH值5.57的透膜压差略高于pH值4.45的。 由此可以看出,进水pH值7.62时膜通量下降最大,即超滤膜阻塞

7、得最厉害,第二是pH值5.57时,然后是pH值4.45时,pH值9.60对膜通量影响最小,即截污最少。虽然pH值7.62时膜通量下降最大,但并非截污能力最强,对有机物的去除效果并不是最佳,经过分析后,我们认为,此时产水率的快速下降是因为SiO2受pH值影响析出阻塞膜孔造成的。 2.2pH值对浓水中硅的去除效果的影响 纯水在25e时,无定形硅的溶解度约为100mg/L(以SiO2计)。溶解度随温度呈直线变化,这些数据示于图4中。由图5可知,在中性pH值条件下,溶解的是硅酸;在碱性溶液中,pH7.8,无定形硅的溶解度较中性溶液大。 自水中析出的硅沉淀物称硅垢,表现形式可能是无定形SiO2。无定形S

8、iO2的溶解度与下列平衡式有关: 很明显,上述平衡受pH值的影响。无定形SiO2的溶解度在pH=68的范围内保持恒定,在pH=8.5以上趋于增强。无定形SiO2溶解度如表4所示。 由表2可知,超滤进水中的全硅质量浓度为156.2mg/L,其中可溶性硅质量浓度为145.6mg/L,实验时的水温在25e左右。由图4和表4可知,pH值为7.62时进水中析出的硅垢最多,约为40mg/L,第二是pH值为5.57时,pH值为4.45时进水中的硅大部分已处于溶解态,pH值为9.60时进水中全部可溶性硅彻低处于溶解态,超滤仅能去除进水中约10mg/L的胶体硅。 由此可以看出,pH值为7.62时超滤膜通量衰减最

9、快的主要缘由是水中析出大量无定形硅造成超滤膜阻塞过快,并非对水中有机物具有较好的去除能力;而pH值为9.60时对超滤膜通量影响最小,是由于在此pH条件下,可溶性硅彻低处于溶解态,超滤仅去除了少量胶体硅;pH值为5.57时超滤对水中硅有一定去除能力,pH值为4.45时,因为水中的硅大部分已处于溶解态,超滤对硅的去除率不高。 2.3pH值对有机物去除效果的影响 中水回用中主要关怀的是中水中的有机物。Manka9等研究了二级出水中溶解态有机物的组成,发觉有机物中40%50%是腐殖质,包括腐殖酸和富里酸,还有其他一些化合物,富里酸是这类物质的主要成分,剩下的还包括阴离子洗涤剂、多糖、蛋白质、丹宁和木质

10、素等。Manka和Rebhum的研究表明,大多数污水厂出水中溶解态有机物的分子量大于20kDalton。污水二级出水的两种主要成分是腐殖酸和蛋白质。 污水厂排放的中水经石灰混凝处理后,能有效去除大分子有机物,而对小分子有机物去除效果较差。有研究表明10,混凝对于3010kDalton分子量区间的有机物去除效果较差,分析表明这一区间有机物的分子结构或所带电性等有机物本身性质,是混凝效果较差的主要缘由,而腐殖酸、环境荷尔蒙等不易为生物处理除去的有机物大部分以小分子形式存在,混凝处理基本不能有效去除这一部分有机物。 因此,超滤进水即反渗透浓水中的有机物以小分子的腐殖酸为主。有研究表明11,随着pH值

11、的下降,有机物的表观尺寸呈变小的趋势。水中的腐殖酸在中性环境下带负电荷。pH值的下降导致腐殖酸类有机物的质子化,因为羧酸类官能团的电荷被掩蔽,它们之间的相斥作用削弱,表观尺寸变小。 当超滤膜处理pH值为7.62的进水时,膜对有机物去除效果较差,仅能去除一部分小分子量有机物。当pH值降至5.57时,膜对全部的相对分子质量的有机物都显示出较好的去除效果,这进一步说明pH值为7.62时超滤膜通量的衰减并不是有机物的截污形成的,而是因为SiO2大量析出造成的,而pH值5.57在降低一部分SiO2的同时对全部相对分子质量的有机物均有较好的去除作用。 2.4超滤反洗参数实验 我们还对超滤运行周期和反洗参数举行了实验,结果发觉:1超滤运行超过30min后,产水量衰减较快,为保持系统产水量,采用了25min的运行周期;o加药反洗采用加NaOH反洗,务必将反洗水pH值调节至11.0以上;?至少每2次反洗务必加碱1次,倘若2次反洗均不加碱处理,第3次运行时初始产水量偏低,且膜通量衰减很快。 3结论 (1)pH值为5.57时能有效提超群滤对反渗透浓水中有机物的去除效果,且对浓水中的SiO2有一定的去除。 (2)pH值为7.62时超滤膜通量衰减最快,这主要是因为SiO2大量析出造成的,该pH值下对有机物的去除效果不是很好。 (3)pH值为9.6