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正渗透膜浓缩生活污水效果及膜过程特性
更新时间:2017-03-17 来源:《中国给水排水》 作者:方舟,高悦,梁鹏,张潇源,黄霞

摘要:针对低浓度模拟生活污水,构建了正渗透膜污水浓缩系统,并开展了对污染物和其他离子的截留和浓缩效果试验和膜过程特性研究。在体积浓缩至10 倍的过程中,膜对污水中的有机物和营养元素具有良好的截留和浓缩效果。随着驱动液浓度的上升,正渗透膜水通量逐渐增加,膜污染发展速度也变快。在错流流速大于一定程度后,膜水通量受错流流速的影响不明显。正渗透膜具有较轻的膜污染潜势,可通过清洗手段实现超过96%的通量恢复。

污水是一种可再生利用的资源,有效地开展污水资源化可以增加城市再生水供给,同时减少污水排放对生态环境的破坏,是解决城市缺水问题的重要手段之一。同时,污水中蕴含大量的能量和资源,具有再利用的潜力。

正渗透( FO) 是指水在半透膜两侧渗透压差驱动下,自发从膜一侧穿过膜迁移到另一侧的过程[1]。作为一种新型膜工艺,正渗透近年来受到了广泛的关注,低能耗、高截留率以及低膜污染潜势等诸多优点使其成为膜法水处理工艺中的新热点[2]。

尽管针对正渗透的研究日渐增多,但利用正渗透直接处理污水的研究目前较少。Lutchmiah 等人提出“sewage mining”的概念,利用FO 耦合反渗透(RO)直接处理污水,并将FO 浓水导入厌氧反应器进行能源回收[3]; 张高旗等人[4]以实际海水为驱动液( DS) 处理实际污水,FO 对TOC、氨氮和TP 的截留率分别为98%、70% 和99%。现有的研究结果表明,利用FO 直接处理污水可以同时得到高质量的膜出水和浓缩污水。然而,FO 处理污水过程中,膜通量的影响因素( 驱动液浓度和错流流速等) 、膜污染特性以及浓缩污水的水质等还有待进一步考察。笔者搭建FO 污水浓缩系统,以氯化钠为驱动液溶质,考察了FO 对模拟生活污水中污染物和其他离子的截留和浓缩效果、驱动液浓度和错流流速对膜通量的影响以及FO 膜污染特性。

1 材料和方法

1. 1 FO 膜污水浓缩系统

FO 膜污水浓缩系统如图1 所示,由FO 膜组件、驱动液、原料液三部分组成。平板膜组件采用错流操作模式,驱动液和原料液分别在膜组件内的膜两侧错流循环,有效膜面积为56 cm2,流道深度为7 mm。原料液和驱动液有效容积均为2 L,驱动液置于电子天平上,通过连接计算机来读取驱动液质量变化,计算水通量。原料液和驱动液均通过电导率仪测定电导率,连接计算机记录,并通过电导率和氯化钠浓度曲线换算氯化钠浓度。溶液温度通过恒温槽控制在30 ℃。为了保证正渗透过程中渗透压差不随着驱动液的稀释而下降,采用电导率自控系统来控制驱动液电导率值基本恒定,容许误差范围为± 1%。

1. 2 FO 膜

FO 膜是由美国HTI 公司提供的CTA - ESFO膜,其由致密层和支撑层构成,属于不对称膜。致密层材质为三羧酸纤维素( CTA) ,支撑层材质为聚酯。膜总厚度为115 μm,膜孔径范围为0. 3 ~ 1.0nm[5]。按照膜厂家提供的使用要求,在使用前采用超纯水对新膜浸泡2 ~ 3 次以彻底去除膜表面甘油保护层,然后将膜储存在超纯水中,存放于4 ℃环境下备用。

在使用FO 膜进行污水浓缩前,首先对FO 膜的清水通量进行测试。结果表明,以超纯水为原料液,在氯化钠驱动液浓度为0. 5 ~ 4 mol /L 的范围下,FO的清水通量为7. 8 ~ 25. 1 L /( m2·h) ,盐反渗通量为5. 4 ~ 15. 8 g /( m2·h) 。在FO 研究中,常用盐反渗通量和水通量的比值Js /Jw来表征FO 膜的性能,比值越高,说明单位水通量导致的盐反渗现象越严重,也就是FO 膜的水透过性和盐截留能力越差。本研究所采用的FO 膜的Js /Jw值范围为0.54 ~0.87 g /L,与其他研究的类似[6]。

1. 3 试验用水

驱动液为氯化钠溶液,浓度范围为0. 5 ~ 4 mol /L。所用氯化钠为分析纯,溶液用水为去离子水。原料液为自配污水,水质参考一般城市污水配制,使用去离子水作为溶剂,具体配方如下: 葡萄糖为400 mg /L,蛋白胨为20 mg /L,KH2PO4为25 mg /L,MgSO4 ·7H2O 为60 mg /L,CaCl2为10 mg /L,NaHCO3为150 mg /L,NH4Cl 为90 mg /L; 实测水质如下: TOC 为163. 4 mg /L,氨氮为21. 6 mg /L,TP 为5. 9 mg /L,多糖为321 mg /L,蛋白质为13. 1 mg /L,腐殖酸为1. 7 mg /L,Na +、K +、Ca2 +、Mg2 +、Cl - 分别为59. 1、8. 385、3. 7、6. 5、108 mg /L。

1. 4 试验运行条件

FO 膜浓缩污水试验主要考察在不同驱动液浓度和错流流速条件下对污染物的截留和浓缩效果以及膜运行特性。浓缩过程的终点设置为原料液体积减少为原来的1 /10,即体积浓缩倍数为10 倍时终止试验。采用单变量控制法设计试验,考察了6 个驱动液浓度和4 个错流流速条件下FO 膜的浓缩特性,具体试验条件见表1。

版权、出处:《中国给水排水》

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