雙膜法污水尾水處理工藝

目前，膜技術(shù)大多應(yīng)用于飲用水處理領(lǐng)域。隨著對(duì)城市污水處理廠出水水質(zhì)要求的不斷提高，將膜技術(shù)應(yīng)用于城市污水廠的出水標(biāo)準(zhǔn)已成為一種趨勢(shì)。City 污水處理工廠大多采用生化處理去除有機(jī)物，一些水中難以生物降解的有機(jī)物仍殘留在出水中。常用的污水廠二級(jí)出水深度處理方法有:增加活性炭或臭氧裝置、氧化塘、氧化溝、曝氣生物濾池等生物技術(shù)。但存在占地面積大、建設(shè)成本高、污水廠二級(jí)出水中殘留有機(jī)物難以降解等缺點(diǎn)。膜技術(shù)占用空間小，結(jié)構(gòu)緊湊，有利于污水廠尾水升級(jí)。納濾膜直徑1nm，納濾膜表面多帶電荷，能有效截留水中各種有機(jī)物、二價(jià)以上無(wú)機(jī)物和微量污染物。出水水質(zhì)穩(wěn)定，能滿足更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。超濾膜的孔徑介于微濾和納濾之間。作為納濾膜的預(yù)處理工藝，可以有效防止納濾膜的污染。然而，運(yùn)行過(guò)程中不可避免的膜污染限制了膜技術(shù)的應(yīng)用，因此有必要對(duì)污水處理廠二級(jí)出水的膜再生進(jìn)行研究。

一.材料和方法

1.1測(cè)試設(shè)備

測(cè)試流程如圖1所示。

試驗(yàn)在污水處理工廠的深度處理車間進(jìn)行。原水經(jīng)進(jìn)水泵加壓后進(jìn)入砂濾池，去除懸浮物、膠體、藻類等不溶性污染物。經(jīng)超濾增壓泵加壓后進(jìn)入超濾膜單元，超濾出水作為納濾進(jìn)水，再經(jīng)納濾增壓泵加壓后進(jìn)入納濾單元。采用超濾內(nèi)壓膜殼一體式超濾膜，兩個(gè)并聯(lián)，一個(gè)外形尺寸為φ90mmx590mm，使用合金PAN膜絲。安全運(yùn)行時(shí)，pH值范圍為2 ~ 11，運(yùn)行溫度為5 ~ 40℃。納濾采用DF-400納濾膜，兩個(gè)并聯(lián)，濃水與第三個(gè)串聯(lián)。單個(gè)膜芯尺寸為φ70mmx340mm，膜材料為芳香族聚酰胺。

1.2測(cè)試水

實(shí)驗(yàn)以城市污水廠高效沉淀池生化處理后的廢水為原水。具體水質(zhì)為:COD為21~52mg/L，平均值為29mg/L；TP為0.43-0.84mg/L，平均值為0.6mg/L；NH3-N為0.24-0.77mg/L，平均值為0.4mg/L；電導(dǎo)率為870-890μS/cm，平均值為881μS/cm。

1.3測(cè)試方法

裝置間歇運(yùn)行，超濾產(chǎn)水進(jìn)入超濾儲(chǔ)水箱。當(dāng)達(dá)到設(shè)定水位上限時(shí)，超濾停止運(yùn)行，納濾開(kāi)始運(yùn)行。當(dāng)超濾儲(chǔ)水箱水位降至設(shè)定水位下限時(shí)，超濾開(kāi)始運(yùn)行，納濾停止運(yùn)行。入口流速由入口閥調(diào)節(jié)，入口和出口流速由轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量，使得超濾入口流速為10、15、20、25、30和35L/min，而納濾入口流速分別為2.75、3.25、3.5、3.75和4L/min。記錄每個(gè)入口流速下的產(chǎn)水流速、跨膜壓差以及超濾和納濾的電導(dǎo)率。在超濾進(jìn)水流速為25L/min、納濾進(jìn)水流速為4L/min的條件下，每隔110min記錄一次跨膜壓差、電導(dǎo)率、COD、TP和NH3-N值，考察累積過(guò)濾水量對(duì)膜性能的影響。當(dāng)跨膜壓差增大，膜被污染時(shí)，超濾膜進(jìn)行物理清洗(反洗30分鐘，沖洗20分鐘)，用pH 11的NaOH浸泡14h，用2.7%-3.3%的H2O2浸泡6h，用pH 3的HCl浸泡6h。納濾膜分別在pH值為10的NaOH和pH值為3的HCl中浸泡6小時(shí)進(jìn)行清洗和再生，記錄清洗前后跨膜壓差的變化。物理清洗在無(wú)壓力或低壓大流量的條件下，利用水流的剪切力將膜表面污染物去除。化學(xué)浸泡清洗時(shí)，關(guān)閉膜組件的進(jìn)出口閥門(mén)，清洗每種化學(xué)藥劑后用清水沖洗，直至出水PH值呈中性。

1.4分析項(xiàng)目和方法

COD用鋸酸鹽法測(cè)定，TP用扣鎖分光光度法測(cè)定，NH3-N用納氏試劑分光光度法測(cè)定。電導(dǎo)率由CCT-3320V電導(dǎo)率儀測(cè)量。

二。結(jié)果和討論

2.1進(jìn)水流量對(duì)膜性能的影響

2.1.1進(jìn)水流量對(duì)膜產(chǎn)水流量和跨膜壓差的影響

圖2顯示了進(jìn)水流速對(duì)膜產(chǎn)水流速和跨膜壓差的影響。可以看出，隨著進(jìn)水流量的增加，超濾膜和納濾膜的產(chǎn)水流量和跨膜壓差都呈增加趨勢(shì)。

電導(dǎo)率反映水中溶解離子的含量，通過(guò)電導(dǎo)率的變化分析進(jìn)水流量對(duì)膜分離性能的影響。結(jié)果如圖3所示?？梢?jiàn)超濾膜對(duì)電導(dǎo)率的去除效果并不顯著，保持在1%以下。超濾只能去除少量附著在不溶性大顆粒上的離子，水中的游離離子仍然可以通過(guò)超濾膜。超濾采出水的電導(dǎo)率與進(jìn)水電導(dǎo)率有關(guān)，隨著進(jìn)水電導(dǎo)率的降低而降低。而納濾對(duì)電導(dǎo)率有很好的去除效果，平均去除率在88%左右，出水電導(dǎo)率穩(wěn)定。納濾膜對(duì)電導(dǎo)率的去除率隨著進(jìn)水流速和跨膜壓差的增加略有增加，去除率僅從86%增加到90%。納濾膜孔徑小，表面帶電，唐南效應(yīng)，高價(jià)離子具有較高的勢(shì)能，與膜的相互作用力大，容易被膜截留，所以納濾可以更好的降低原水的電導(dǎo)率。

綜合考慮水流量、電導(dǎo)率去除效果、耗電量等因素。在超濾膜進(jìn)水流量為25L/min、納濾膜進(jìn)水流量為4L/min的條件下，考察了累積過(guò)濾水量對(duì)膜性能的影響。

2.2累計(jì)過(guò)濾水量對(duì)膜性能的影響

2.2.1累積過(guò)濾水量對(duì)跨膜壓差的影響

累積的過(guò)濾水對(duì)跨膜壓差的影響如圖4所示。

從圖4可以看出，測(cè)試中的進(jìn)水溫度為10 & # 12316；15℃時(shí)，隨著累積濾水的增加，超濾膜的跨膜壓差明顯增加，從0.29MPa增加到0.4MPa，由于原水污染程度的波動(dòng)，中間部分壓差略有下降。從累積濾水對(duì)納濾膜跨膜壓差的影響可以看出，納濾膜的跨膜壓差在0.4MPa左右波動(dòng)，沒(méi)有明顯的上升趨勢(shì)。為超濾膜和納濾膜提供了相對(duì)穩(wěn)定的進(jìn)水條件，有效減少了納濾膜的污染。

2.2.2累計(jì)過(guò)濾水量對(duì)膜分離性能的影響

雙膜法對(duì)COD的去除效果如圖5所示?？梢钥闯觯S著累積濾水量的增加，超濾膜對(duì)COD的去除率總體呈上升趨勢(shì)，從37%上升到59%。在過(guò)濾的初期，超濾膜是干凈的，可以透過(guò)粒徑較大的污染物。隨著累積濾水的增加，膜表面被污染，膜的孔隙被堵塞，膜的有效孔徑減小，可以截留粒徑較小的污染物，從而提高COD去除率。原水經(jīng)超濾膜處理后，COD濃度為9~21mg/L，為納濾膜提供了穩(wěn)定的進(jìn)水條件。納濾膜對(duì)COD的去除率為83%~94%，出水平均COD為3.8 mg/L，納濾膜具有良好的COD去除能力，可進(jìn)一步降低廢水的COD，可作為提高COD去除率的保障措施。

雙膜法對(duì)TP的去除效果如圖6所示。超濾膜對(duì)TP的去除率隨著濾水累積量的增加先增大后趨于平緩，再呈下降趨勢(shì)。當(dāng)累計(jì)過(guò)濾水量為450~2250L時(shí)，超濾膜對(duì)TP的去除率從47%提高到71%。當(dāng)累計(jì)過(guò)濾水量為2250-5850L時(shí)，超濾膜對(duì)TP的去除率穩(wěn)定在64%左右。當(dāng)累計(jì)濾水量為5850~7200L時(shí)，TP去除率從68%下降到56%。納濾膜對(duì)TP的去除效果較好，基本穩(wěn)定在96%左右。這是因?yàn)槌瑸V膜的孔徑較大，主要起篩選作用。在過(guò)濾初期，膜的有效孔徑較大，更多的污染物顆粒通過(guò)。過(guò)濾中期，超濾膜吸附的污染物顆粒趨于飽和，去除率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。過(guò)濾后期，超濾膜吸附的污染物離開(kāi)膜，由于濃差極化的影響，去除率下降。污水中磷主要以磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機(jī)鹽的形式存在。由于唐南的作用，納濾膜與水溶液之間形成電位差，阻止了同價(jià)離子通過(guò)納濾膜，而異價(jià)離子則吸附在納濾膜上，所以納濾膜對(duì)TP有很好的去除效果。

雙膜法對(duì)NH3-N的去除效果如圖7所示。

從圖7可以看出，超濾膜對(duì)NH3-N的去除率平均為27%，超濾膜產(chǎn)水曲線的變化趨勢(shì)與原水基本一致，說(shuō)明超濾膜對(duì)NH3-N的去除效果與進(jìn)水NH3-N的濃度有關(guān)，雙膜法對(duì)NH3-N的平均去除率為68%，去除效果與進(jìn)水水質(zhì)呈正相關(guān)。超濾膜對(duì)NH3-N的去除主要是通過(guò)篩分，原水濁度較高時(shí)去除效果較好。原因是水中顆粒多，通過(guò)顆粒的碰撞和吸附可以去除部分NH3-N。納濾膜的孔徑約為超濾膜的1/10，可以通過(guò)超濾膜進(jìn)一步去除NH3-N。水中的NH3-N主要以離子的形式存在，納濾膜與污水有靜電相互作用，可以有效去除溶解態(tài)氮。

2.3濾膜的再生

超濾主要是通過(guò)篩分達(dá)到去除污染物的效果。在分離過(guò)程中，懸浮物、膠體、微生物、無(wú)機(jī)鹽等。在水中會(huì)造成膜孔堵塞，晶體在膜表面沉積，導(dǎo)致跨膜壓差增大，產(chǎn)水量降低，從而導(dǎo)致膜污染。施崇格等人認(rèn)為，運(yùn)行過(guò)程中膜表面污染物濃度引起的濃差極化現(xiàn)象導(dǎo)致跨膜壓差增大，出水水質(zhì)惡化。篩分、粒徑排阻和唐南作用是納濾膜分離污染物的主要原理。⑼劉瑞等人認(rèn)為，膜孔堵塞、濃差極化、濾餅層形成等因素造成了納濾膜污染。由于超濾膜孔徑較大，物理清洗可以有效去除過(guò)濾初期不溶性顆粒堵塞膜孔造成的膜污染。過(guò)濾后期濃差極化嚴(yán)重，形成的濾餅層需要化學(xué)清洗才能有效再生濾膜。因此，本實(shí)驗(yàn)采用物理清洗和化學(xué)浸泡的方法對(duì)超濾膜進(jìn)行清洗和再生。納濾膜孔徑較小，運(yùn)行中跨膜壓差沒(méi)有明顯增大，可以通過(guò)酸堿清洗對(duì)納濾膜進(jìn)行再生。

膜分離的基本表達(dá)式如公式(1)所示?？梢钥闯觯?dāng)控制J為常數(shù)時(shí)，通過(guò)觀察△P的變化可以反映出膜阻力R的變化，進(jìn)而可以分析膜污染。

公式中:j為單位膜面積的流速，m/s，a為膜面積，m2，v為滲透體積，m3，t為時(shí)間，s；△P為跨膜壓差，Pa，μ為料液粘度，Pa & # 8226s；r是膜電阻，m-1。

超濾膜的清洗

在輕度污染和重度污染兩種情況下考察了超濾膜的清洗效果，結(jié)果如圖8所示(膜比壓差為污染后的跨膜壓差與初始跨膜壓差之比)。當(dāng)膜污染程度較輕時(shí)(跨膜壓差從0.29MPa增加到0.33MPa)，用超濾水反洗30min，再用低壓沖洗20min，跨膜壓差恢復(fù)到0.29MPa，恢復(fù)效果良好。超濾膜嚴(yán)重污染時(shí)(跨膜壓差從0.29MPa上升到0.4MPa)，停機(jī)重啟后，跨膜壓差部分恢復(fù)，達(dá)到0.39MPa，采用上述物理清洗方法后，跨膜壓差恢復(fù)到0.36MPa，NaOH浸泡14小時(shí)后，跨膜壓差恢復(fù)到0.34MPa，采用。在H2O2中浸泡6h后，超濾膜表面的污垢與膜表面明顯分離，跨膜壓差恢復(fù)到0.32MPa，在HCl中浸泡6h后，跨膜壓差恢復(fù)到0.31MPa。

在超濾膜輕度污染的情況下，主要污染是不溶性濁度。物理清洗方法能有效洗去不溶性顆粒，跨膜壓差恢復(fù)良好。在超濾膜污染嚴(yán)重的情況下，有機(jī)污染和微生物污染在總污染中的比例增加。停機(jī)后，濃差極化影響消除，跨膜壓差略有恢復(fù)。物理清洗方法很難去除有機(jī)物污染和微生物污染造成的綜合污染，而NaOH清洗主要可以去除有機(jī)物和油脂造成的污染。H2O2可以殺菌，鹽酸可以去除沉積在濾膜上的無(wú)機(jī)鹽污染物。

2.3.2納濾膜清洗

超濾出水作為納濾進(jìn)水，可以有效延緩納濾膜污染的發(fā)生。同期納濾膜無(wú)嚴(yán)重污染，納濾跨膜壓差由0.4MPa上升至0.42MPa，NaOH浸泡6小時(shí)后，低壓洗滌至出水pH值恢復(fù)至中性，出水電導(dǎo)率穩(wěn)定后，HCl浸泡6小時(shí)，最終跨膜壓差可恢復(fù)至0.39MPa，低于初始跨膜壓差。原因是進(jìn)水污染程度波動(dòng)，導(dǎo)致納濾膜清洗后的跨膜壓差略低于初始值。堿性清洗可以去除油脂和有機(jī)污染物，而酸性清洗液主要用于去除無(wú)機(jī)雜質(zhì)。在納濾膜輕度污染的情況下，酸堿浸泡清洗效果較好。

三。結(jié)論

①隨著進(jìn)水流量的增加，超濾和納濾的產(chǎn)水流量和跨膜壓差增加。超濾膜電導(dǎo)率去除率小于1%，出水電導(dǎo)率與進(jìn)水電導(dǎo)率呈正相關(guān)。納濾膜對(duì)電導(dǎo)率的去除率隨著進(jìn)水流速和跨膜壓差的增大而增大。

(2)隨著累積濾水的增加，在保持進(jìn)水流速不變的情況下，跨膜壓差會(huì)逐漸增大，濾膜會(huì)被污染。雙膜法對(duì)COD、TP和NH3-N的平均去除率分別為87%、96%和68%。采用雙膜法后，出水COD、TP、NH3-N平均值分別為3.8、0.02、0.12mg/L，遠(yuǎn)低于污水排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)和地表水四類水標(biāo)準(zhǔn)。

③超濾為納濾提供穩(wěn)定的水質(zhì)條件，可有效延緩納濾膜污染的發(fā)生。超濾膜輕度污染后，物理清洗可以達(dá)到很好的恢復(fù)效果。超濾膜污染嚴(yán)重時(shí)，需要進(jìn)行化學(xué)清洗，在進(jìn)水流量不變的情況下，跨膜壓差很難恢復(fù)到初始狀態(tài)。(來(lái)源:沈陽(yáng)建筑大學(xué)遼河流域水污染防治研究所)

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