陶瓷膜技術(shù)處理低溫低濁排泥水的研究進(jìn)展

黃 瑜,許鐵夫,趙路陽,陳悅佳,王 曼,葉文飛,宋曉曉

(1.黑龍江大學(xué)建筑工程學(xué)院,哈爾濱150080; 2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院, 哈爾濱150080; 3.上海勘測設(shè)計院,上海200120)

0 引言

以地表水為水源的水廠在水處理過程中會產(chǎn)生大量廢水,主要以濾池反沖洗水和沉淀池排泥水為主,一般占水廠總凈水量的2%～10%[1],年排放量達(dá)55×108m3。排泥水已成為挖掘可利用水資源不可忽視的組成部分,因此提升排泥水利用率十分重要。尤其是對于水資源匱乏地區(qū),對排泥水處理回用是剛性需求。目前已有的排泥水處理工藝成本過高,處理后的水質(zhì)很難滿足凈水廠回用要求,回收率達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)。

傳統(tǒng)的排泥水處理工藝存在很多問題。郭文娟等[2]分析典型排泥水處理工藝發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)工藝存在占地面積大、出水水質(zhì)差、回收率低等問題。Roberta等[3]發(fā)現(xiàn)用混凝、絮凝等傳統(tǒng)工藝處理高懸浮固體濃度水質(zhì)時會受到限制,沉降速率大幅下降。高密度澄清、微漩渦澄清、磁分離等傳統(tǒng)的分離技術(shù)仍存在絮體被破碎的可能,希望在處理過程中分離時絮體不被破壞,處理后的出水能夠被回收,因此需要一種集污泥分離濃縮處理于一體的技術(shù)。基于已有技術(shù),只有膜技術(shù)能夠達(dá)到此要求,故應(yīng)用膜技術(shù)處理排泥水成為研究熱點。

1 低溫低濁排泥水的特性

排泥水水質(zhì)復(fù)雜,包含原水中存在的懸浮物、有機物物質(zhì)及部分溶解物,還存在大量的絮體物質(zhì)及投藥過程中的二次污染物,其中污泥成分較為復(fù)雜(見圖1),使得排泥水處理難度變大[4]。對于低溫低濁排泥水而言,雖然其濁度變低,但由于其水溫低使得水體中的膠體顆粒布朗運動減小、水體黏滯系數(shù)增大、膠體顆粒間的排斥力變大、Zeta絕對電位升高、有機物含量升高。這些水質(zhì)特性令其絮凝效果很差,沉降難度變大,研究表明[5-6],混凝劑最適宜的反應(yīng)溫度約為10 ℃,低溫對絮凝作用的反應(yīng)速率影響較大,當(dāng)水體溫度降低10 ℃,絮凝反應(yīng)速率降低33%～50%。

圖1 排泥水中污泥的主要成分

2 陶瓷膜技術(shù)

膜技術(shù)作為一種高效分離技術(shù),以其分離效率高、操作簡便、能耗低、占地小、減少化學(xué)及添加劑添加等優(yōu)勢[7]在水處理中得到了廣泛應(yīng)用,與傳統(tǒng)的過濾不同,膜可以在分子范圍內(nèi)進(jìn)行分離,且是一種物理過程,不發(fā)生相的變化,不用添加其他助劑。根據(jù)材料分類,膜分離技術(shù)可分為無機膜和有機膜兩大類。

有機膜雖然具有耐熱、耐酸堿等優(yōu)點,但一般的有機膜材料易受到化學(xué)試劑和有機料液的侵蝕,降低了抗污性能、適用范圍及使用壽命。無機膜有陶瓷膜、金屬膜、沸石膜等,其中無機陶瓷膜分離的基本原理是允許水源水中的某些物質(zhì)通過膜,選擇性地限制其他物質(zhì)[8]。相較于有機膜,其主要優(yōu)勢體現(xiàn)為熱穩(wěn)定性好、機械強度高、耐污能力強、易于再生清洗、壽命長、分離效率高等,在極端操作條件下可正常使用。

3 陶瓷膜處理排泥水研究現(xiàn)狀

陶瓷膜的高效分離性能使其具有巨大的市場應(yīng)用前景,除氣體分離外,陶瓷膜在水處理中的應(yīng)用也越來越廣泛,如油水分離、有機廢水、新興污染物等。與傳統(tǒng)的過濾工藝相比,膜技術(shù)可提供高質(zhì)量的廢水處理。因此面對低溫低濁排泥水黏度大、沉降性差、污染物含量高等復(fù)雜水質(zhì)情況及出水水質(zhì)及回收率的高標(biāo)準(zhǔn)要求,無機陶瓷膜是最為適用于低溫低濁排泥水處理的技術(shù)。

基于陶瓷膜的高效分離性能,研究者開始將陶瓷膜應(yīng)用于凈水廠排泥水處理中,姚吉倫等[9]從優(yōu)化操作參數(shù)角度出發(fā),討論了跨膜壓差和反洗壓力對陶瓷膜處理低溫低濁排泥水的影響,結(jié)果表明,跨膜壓差為0.2 MPa,反洗壓力0.5 MPa,反洗時間為4 s最適宜。

Li等[10]利用多腔整體式的陶瓷膜處理排泥水,只處理反洗廢水時,陶瓷膜過濾在4 m/d的過濾通量下運行非常穩(wěn)定,當(dāng)處理反洗廢水與沉淀污泥混合時,膜過濾在2 m/d的過濾通量下運行非常穩(wěn)定。進(jìn)水中懸浮物、濁度、有機物及鐵、錳、鋁等金屬的濃度很高,但膜濾液中這些物質(zhì)含量很低,符合飲用水標(biāo)準(zhǔn),反沖洗廢水處理每3～4個月進(jìn)行一次化學(xué)洗滌,混合廢水每2～3個月進(jìn)行一次化學(xué)洗滌,使跨膜壓力小于100 kPa,整個膜過濾的凈回收率達(dá)到98%。

陳麗等[11]研究的不單單是通過平板陶瓷膜處理排泥水,而是將排泥水經(jīng)過混凝、臭氧氧化等一些預(yù)處理手段,將經(jīng)過處理后的排泥水排入陶瓷膜裝置進(jìn)行處理,在膜處理后端增加活性炭過濾,這種工藝組合方式經(jīng)過中試試驗驗證得出對金屬、濁度、色度等去除率較高,能夠進(jìn)一步提高污泥濃縮倍數(shù),緩解膜污染的速率。

劉彤[12]研究了平板陶瓷膜組件來處理排泥水,排泥水經(jīng)過前期加藥混凝試驗后進(jìn)入膜裝置處理,通過單因素試驗找到了膜裝置的最佳運行參數(shù),當(dāng)初始出水速度為40 L/h、曝氣量為1 L/min時,膜裝置能夠較長時間穩(wěn)定運行,當(dāng)系統(tǒng)負(fù)壓達(dá)到0.04 MPa時進(jìn)行1 min反洗,可在一定程度上延緩膜污染速率。

Lucheng Li等[13]在排泥水中添加硅藻土,即對污泥預(yù)脫水和反沖洗廢水循環(huán)利用的動態(tài)膜技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),用于反沖洗污泥預(yù)脫水,并對過濾后的反沖洗廢水進(jìn)行回用。硅藻土增強膜過濾與常規(guī)沉淀和添加PACl或PAM的沉淀相比,提高了污泥脫水效率,降低了膜過濾的能量消耗,是一種可行的低化學(xué)性、低能耗技術(shù)。

瞿志晶等[14]研究了原水濁度、曝氣、投加的絮凝劑等對跨膜壓差的影響,得出的結(jié)論是陶瓷膜在處理排泥水過程中主要是可逆污染,投加的絮凝劑對于膜污染有一定的減緩作用,試驗得出陶瓷膜最適宜的處理工況為膜初始通量<60 L/m2·h、曝氣量達(dá)到150 L/min、處理的原水濁度為2000 NTU。

Afshin等[15]通過中試試驗包括預(yù)沉淀、混凝、絮凝、澄清和超濾(UF),研究了不同絮凝劑對后期處理過程中膜工藝運行情況的影響,得出在PAFCl和FeCl3的最佳劑量下,混濁度分別達(dá)到99.6%和99.4%。PAFCl的最佳UV254去除率與TOC和DOC去除率分別為80%、83.6%和72.7%,FeCl3導(dǎo)致這些參數(shù)的去除率分別為76.7%、80.9%和65.9%。PAFCl比FeCl3更好地除去了親水性和親和性成分,但FeCl3在某種程度上對疏水性部分具有更高的親和力,得出PAFCl在大多數(shù)情況下表現(xiàn)出更好的混凝性能,導(dǎo)致較低的膜污染率。

Reissmann等[16]在浸沒式超濾中試裝置上對澄清和未澄清的SFBW進(jìn)行實驗研究。兩種實驗均獲得了超過40 L/(m2·h)的高通量和6 g/L的最大TSS濃度。因此回收率有可能達(dá)到90%。但與未經(jīng)澄清的SFBW相比,在沉淀過程后使用澄清的SFBW并沒有顯示出任何操作優(yōu)勢。因此對于浸沒膜系統(tǒng),不需要在超濾處理前進(jìn)行耗時和占用空間的沉淀過程。經(jīng)過超濾后的排泥水出水水質(zhì)達(dá)到了回用要求。

Raffin M等[17]主要研究了反洗、溫度和通量對于用膜處理排泥水時污染情況的影響,發(fā)現(xiàn)不可逆污染與操作通量及反沖洗間隔有關(guān),但與測量的給水水質(zhì)無關(guān)。但可逆污染與反沖洗間隔無關(guān),而與操作通量、濁度和溫度有關(guān)。對于不可逆污垢和可逆污垢,通量、反沖洗間隔及濁度的增加與溫度降低導(dǎo)致兩種污垢速率增加。因此對于大型裝置而言,可持續(xù)通量是比臨界通量更有代表性和有用的參數(shù),因此臨界通量不考慮過程經(jīng)濟(jì)性。

基于現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)陶瓷膜適用于處理排泥水,出水水質(zhì)能達(dá)到回用要求,但也有不少研究者發(fā)現(xiàn)陶瓷膜工藝運行時不同的操作參數(shù)會對分離效果及抗污染性能產(chǎn)生影響,找到最佳的膜工藝運行參數(shù)對于減輕膜污染和提高出水水質(zhì)有一定的間接作用。

4 陶瓷膜處理排泥水存在的問題及發(fā)展趨勢

目前應(yīng)用陶瓷膜處理排泥水的出水水質(zhì)較好,但組件形式大多用于廢水處理中,缺少對凈水處理組件形式的設(shè)計,缺乏對應(yīng)工藝的匹配,致使陶瓷膜無法發(fā)揮其預(yù)期的通量優(yōu)勢,陶瓷膜的單位造價成本偏高。對陶瓷膜長周期處理后的水質(zhì)變化、生化指標(biāo)、毒毒理學(xué)指標(biāo)、天然有機污染物等缺乏機理表征,忽略了這些指標(biāo)的前后變化情況,導(dǎo)致此工藝沒有得到廣泛的實際應(yīng)用。實際上,陶瓷完全具備替代濾池的能力,出水水質(zhì)更好,具有更大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。陶瓷膜在處理中膜污染問題未得到很好的解決,為了提高分離效率,必須采取有效的膜污染控制策略,如預(yù)處理、膜清洗和膜表面改性等,以減輕膜操作單元的負(fù)擔(dān)。Cyeong等[18]將混凝法和陶瓷膜聯(lián)用,前期的混凝能夠極大程度地去除懸浮顆粒和交替污垢,緩解膜污染速率。Tze等[19]利用納米TiO2涂層和梯度剖面的頂部設(shè)計增強了膜的機械穩(wěn)定性和過濾性能。改善膜污染的最根本方法是對膜進(jìn)行表面改性,增強其親水性以提高其耐污能力和使用壽命。需進(jìn)一步完善膜污染機制研究,將先進(jìn)的預(yù)處理技術(shù)與膜處理技術(shù)相結(jié)合,形成完善的工藝鏈條,將排泥水的處理效率有效提高至85%。

5 展望

陶瓷膜作為發(fā)展較快的廢水處理技術(shù),未來在凈水處理行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景,低溫低濁排泥水采用陶瓷膜技術(shù)處理回收具有很大的優(yōu)勢。研究表明,利用陶瓷膜技術(shù)處理在回收率、出水水質(zhì)及運行管理維護(hù)方面均優(yōu)于水廠現(xiàn)有的濾池,能夠完全替代水廠濾池,在排泥水回收上有不可替代的價值。