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超滤膜在水处理应用中的工艺
发布时间:2010-9-2   浏览次数:3756次

1  前处理

      超滤法在水处理及其他工业净化、浓缩、分离过程中,可以作为工艺过程的预处理,也可以作为工艺过程的深度处理。在广泛应用的水处理工艺过程中,常作为深度净化的手段。根据中空纤维超滤膜的特性,有一定的供水前处理要求。因为水中的悬浮物、胶体、微生物和其他杂质会附于膜表面,而使膜受到污染。由于超滤膜水通量比较大,被截留杂质在膜表面上的浓度迅速增大产生所谓浓度极化现象,更为严重的是有一些很细小的微粒会进入膜孔内而堵塞水通道。另外,水中微生物及其新陈代谢产物生成粘性物质也会附着在膜表面。这些因素都会导致超滤膜透水率的下降以及分离性能的变化。同时对超滤供水温度、 PH 值和浓度等也有一定限度的要求。因此对超滤供水必须进行适当的预处理和调整水质,满足供水要求条件,以延长超滤膜的使用寿命,降低水处理的费用。

A 、微生物(细菌、藻类)的杀灭:

      当水中含有微生物时,在进入前处理系统后,部分被截留微生物可能粘附在前处理系统,如多介质过滤器的介质表面。当粘附在超滤膜表面时生长繁殖,可能使微孔完全堵塞,甚至使中空纤维内腔完全堵塞。微生物的存在对中空纤维超滤膜的危害性是极为严重的。除去原水中的细菌及藻类等微生物必须重视。在水处理工程中通常加入 NaClO 、 O 3 等氧化剂,浓度一般为 1 ~ 5mg/l 。此外,紫外杀菌也可使用。在实验室中对中空纤维超滤膜组件进行灭菌处理,可以用双氧水( H 2 O 2 )或者高锰酸钾水溶液循环处理 30 ~ 60min 。杀灭微生物处理仅可杀灭微生物,但并不能从水中去除微生物,仅仅防止了微生物的滋长。

B 、降低进水混浊度:

      当水中含有悬浮物、胶体、微生物和其他杂质时,都会使水产生一定程度的混浊,该混浊物对透过光线会产生阻碍作用,这种光学效应与杂质的多少,大小及形状有关系。衡量水的混浊度一般以蚀度表示,并规定 1mg/lSiO 2 所产生的浊度为 1 度,度数越大,说明含杂量越多。在不同领域对供水浊度有不同的要求,例如,对一般生活用水,浊度不应大于 5 度。由于浊度的测量是把光线透过原水测量被水中颗粒物反射出的光量、颜色、不透明性,颗粒的大小、数量和形状均影响测定,浊度与悬浮物固体的关系是随机的。对于小于若干微米的微粒,浊度并不能反映。

      在膜法处理中,精密的微结构,截留分子级甚至离子级的微粒,用浊度来反映水质明显是不精确的。为了预测原水污染的倾向,开发了 SDI 值试验。

      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 0.45μ m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胶体污染程度。井水的 SDI < 3 ,地表水 SDI 在 5 以上, SDI 极限值为 6.66 …… ,即需进行预处理。

      超滤技术对 SDI 值的降低最为有效,经中空纤维超滤膜处理水的 SDI=0 ,但当 SDI 过大时,特别是较大颗粒对中空纤维超滤膜有严重的污染,在超滤工艺中,必须进行预处理,即采用石英砂、活性炭或装有多种滤料的过滤器过滤,至于采取何种处理工艺尚无固定的模式,这是因为供水来源不同,因而预处理方法也各异。

      例如,对于具有较低浊度的自来水或地下水,采用 5 ~ 10μ m的精密过滤器(如蜂房式、熔喷式及 PE 烧结管等),一般可降低到 5 左右。在精密过滤器之前,还必须投加絮凝剂和放置双层或多层介质过滤器过滤,一般情况下,过滤速度不超过 10m/h ,以 7 ~ 8m/h 为宜,滤水速度越慢,过滤水质量越好。  

C 、悬浮物和胶体物质的去除:

      对于粒径 5μ m以上的杂质,可以选用 5μ m过滤精度的滤器去除,但对于 0.3 ~ 5μ m间的微细颗粒和胶体,利用上述常规的过滤技术很难去除。虽然超滤对这些微粒和胶体有绝对的去除作用,但对中空纤维超滤膜的危害是极为严重的。特别是胶体粒子带有电荷,是物质分子和离子的聚合体,胶体所以能在水中稳定存在,主要是同性电荷的胶体粒子相互排斥的结果。向原水中加入与胶体粒子电性相反的荷电物质(絮凝剂)以打破胶体粒子的稳定性,使带荷电的胶体粒子中和成电中性而使分散的胶体粒子凝聚成大的团块,而后利用过滤或沉降便可以比较容易去除。常用的絮凝剂有无机电解质,如硫酸铝、聚合氯化铝、硫酸亚铁和氯化铁。有机絮凝剂如聚丙稀酰胺、聚丙稀酸钠、聚乙稀亚胺等。由于有机絮凝剂高分子聚合物能通过中和胶粒表面电荷,形成氢键和 “ 搭桥 ” 使凝聚沉降在短时间内完成,从而使水质得到较大改善,故近年来高分子絮凝剂有取代无机絮凝剂的趋势。

      在絮凝剂加入的同时,可加入助凝剂,如 PH 调节剂石灰、碳酸钠、氧化剂氯和漂白粉,加固剂水下班及吸附剂聚丙稀酰胺等,提高混凝效果。

      絮凝剂常配制成水溶液,利用计量泵加入,也可使用安装在供水管道上的喷射器直接将其只入水处理系统。

D 、可溶性有机物的去除:

     可溶性有机物用絮凝沉降、多介质过滤以及超滤均无法彻底去除。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( O 3 )和高锰酸钾( KMnO 4 )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 、供水水质调整:

( 1 )供水温度的调整

      超滤膜透水性能的发挥与温度高低有直接的关系,超滤膜组件标定的透水速率一般是用纯水在 25 ℃条件下测试的,超滤膜的透水速率与温度成正比,温度系数约为 0.02/1 ℃,即温度每升高 1 ℃,透水速率约相应增加 2.0 %。因此当供水温度较低时(如< 5 ℃),可采用某种升温措施,使其在较高温度下运行,以提高工作效率。但当温度过高时,同样对膜不利,会导致膜性能的变化,对此,可采用冷却措施,降低供水温度。

( 2 )供水 PH 值的调整

      用不同材料制成的超滤膜对 PH 值的适应范围不同,例如醋酸纤维素适合 pH=4 ~ 6 , PAN 和 PVDF 等膜,可在 PH=2 ~ 12 的范围内使用,如果进水超过使用范围,需要加以调整,目前常用的 PH 调节剂主要有酸( HCl 和 H 2 SO 4 )等和碱( NaOH 等)。

      由于溶液中无机盐可以透过超滤膜,不存在无机盐的浓度极化和结垢问题,因此在预处理水质调整过程中一般不考虑它们对膜的影响,而重点防范的是胶质层的生成、膜污染和堵塞的问题。

2  操作参数

      正确的掌握和执行操作参数对超滤系统的长期和稳定运行是极为重要的,操作参数一般主要包括:流速、压力、压力降、浓水排放量、回收比和温度。

A 、流速:

      流速是指原液(供给水)在膜表面上的流动的线速度,是超滤系统中的超滤一项重要操作参数。流速较大时,不但造成能量的浪费和产生过大的压力降而且加速超滤膜分裂性能的衰退。反之,如果流速较小,截留物在膜表面形成的边界层厚度增大,引起浓度极化现象,既影响了透水速率,又影响了透水质量。最佳流速是根据实验来确定的。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。必须指出两方面问题,其一是流速不能任意确定,由进口压力与原液流量有关,其二是对于中空纤维或毛细管膜而言,流速在进口端是不一致的,当浓缩水流量为原液的 10 %时,出口端流速近似为进口端的 10 %,此外提高压力增加了透过水量,对流速的提高供献极微。因此增加毛细管直径,适当提高浓缩水排量(回流量),可以使流速获得提高,特别是在超滤浓缩过程中,如电泳漆的回收时可有效提高其超滤速率。

      在允许的压力范围内,提高供给水量,选择最高流速,有利于中空纤维超滤膜性能的保证。

B 、压力和压力降 :

      中空纤维超滤膜的工作压力范围为 0.1 ~ 0.6MPa ,是泛指在超滤的定义域内,处理溶液通常所使用的工作压力。分离不同分子量的物质,需要选用相应截留分子量的超滤膜,则操作压力也有所不同。一般塑壳中空纤维内压膜,外壳耐压强度小于 0.3MPa ,中空纤维耐压强度一般也低于 0.3MPa ,因而工作压力应低于 0.2MPa ,而膜的两侧压差应不大于 0.1MPa 。外压中空纤维超滤膜耐压强度可达 0.6MPa ,但对于塑壳外压膜组件,其工作压力亦为 0.2MPa 。必须指出,由于内压膜直径较大,当用作外压膜时,易于压扁并在粘结处切断,引起损坏,因此内外压膜不能通用。

      当需要超滤液具有一定压力以供下一工序使用时,应采用不锈钢外壳超滤膜组件,该中空纤维超滤膜组件,使用压力达到 0.6MPa ,而提供超滤液的压力可达 30m 水柱,即 0.3MPa 压强,但必须保持中空纤维超滤膜内外两侧压差不大于 0.3MPa 。

      在选择工作压力时除根据膜及外壳耐压强度为依据外,必须考虑膜的压密性,及膜的耐污染能力,压力越高透水量越大,相应被截留的物质在膜表面积聚越多,阻力越大,会引起透水速率的衰减。此外进入膜微孔中的微粒也易于堵塞通道。总之,在可能的情况下,选择较低工作压力,对膜性能的充分发挥是有利的。

      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 、回收比和浓缩水排放量:

      在超滤系统中,回收比与浓缩水排放量是一对相互制约的因素。回收比是指透过水量与供给量之比率,浓缩水排放量是指未透过膜而排出的水量。因为供给水量等于浓缩水与透过水量之和,所以如果浓缩水排放量大,回收比较小。为了保证超滤系统的正常运行,应规定组件的最小浓缩水排放量及最大回收比。在一般水处理工程中,中空纤维超滤膜组件回收比约为 50 ~ 90 %。其选择根据为进料液的组成及状态,即能被截留的物质的多少,在膜表面形成的污垢层厚度,及对透过水量的影响等多种因素决定回收比。在多数情况下,也可以采用较小的回收比操作,而将浓缩液排放回流入原液系统,用加大循环量来减少污垢层的厚度,从而提高透水速率,有时并不提高单位产水量的能耗。

D 、工作温度:

      超滤膜的透水能力随着温度的升高而增大,一般水溶液其粘度随着温度而降低,从而降低了流动的阻力,相应提高了透水速率。在工程设计中应考虑工作现场供给液的实际温度。特别是季节的变化,当温度过低时应考虑温度的调节,否则随着温度的变化其透水率有可能变化幅度在 50 %左右,此外过高的温度亦将影响膜的性能。通常情况下中空纤维超滤膜的工作温度应在 25±5 ℃ ,需要在较高温度状态下工作则可选用耐高温膜材料及外壳材料。