陶瓷膜技術處理低溫低濁排泥水的研究進展

黃 瑜,許鐵夫,趙路陽,陳悅佳,王 曼,葉文飛,宋曉曉

(1.黑龍江大學建筑工程學院,哈爾濱150080; 2.黑龍江省科學院高技術研究院, 哈爾濱150080; 3.上海勘測設計院,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,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,處理后的水質很難滿足凈水廠回用要求,回收率達不到預期目標。

傳統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現,傳統工藝存在占地面積大、出水水質差、回收率低等問題。Roberta等[3]發現用混凝、絮凝等傳統工藝處理高懸浮固體濃度水質時會受到限制,沉降速率大幅下降。高密度澄清、微漩渦澄清、磁分離等傳統的分離技術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。基于已有技術,只有膜技術能夠達到此要求,故應用膜技術處理排泥水成為研究熱點。

1 低溫低濁排泥水的特性

排泥水水質復雜,包含原水中存在的懸浮物、有機物物質及部分溶解物,還存在大量的絮體物質及投藥過程中的二次污染物,其中污泥成分較為復雜(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溫度約為10 ℃,低溫對絮凝作用的反應速率影響較大,當水體溫度降低10 ℃,絮凝反應速率降低33%～50%。

圖1 排泥水中污泥的主要成分

2 陶瓷膜技術

膜技術作為一種高效分離技術,以其分離效率高、操作簡便、能耗低、占地小、減少化學及添加劑添加等優勢[7]在水處理中得到了廣泛應用,與傳統的過濾不同,膜可以在分子范圍內進行分離,且是一種物理過程,不發生相的變化,不用添加其他助劑。根據材料分類,膜分離技術可分為無機膜和有機膜兩大類。

有機膜雖然具有耐熱、耐酸堿等優點,但一般的有機膜材料易受到化學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通過膜,選擇性地限制其他物質[8]。相較于有機膜,其主要優勢體現為熱穩定性好、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狀

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

基于陶瓷膜的高效分離性能,研究者開始將陶瓷膜應用于凈水廠排泥水處理中,姚吉倫等[9]從優化操作參數角度出發,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定,當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定。進水中懸浮物、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含量很低,符合飲用水標準,反沖洗廢水處理每3～4個月進行一次化學洗滌,混合廢水每2～3個月進行一次化學洗滌,使跨膜壓力小于100 kPa,整個膜過濾的凈回收率達到98%。

陳麗等[11]研究的不單單是通過平板陶瓷膜處理排泥水,而是將排泥水經過混凝、臭氧氧化等一些預處理手段,將經過處理后的排泥水排入陶瓷膜裝置進行處理,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,能夠進一步提高污泥濃縮倍數,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,排泥水經過前期加藥混凝試驗后進入膜裝置處理,通過單因素試驗找到了膜裝置的最佳運行參數,當初始出水速度為40 L/h、曝氣量為1 L/min時,膜裝置能夠較長時間穩定運行,當系統負壓達到0.04 MPa時進行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,即對污泥預脫水和反沖洗廢水循環利用的動態膜技術進行改進,用于反沖洗污泥預脫水,并對過濾后的反沖洗廢水進行回用。硅藻土增強膜過濾與常規沉淀和添加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性、低能耗技術。

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導致這些參數的去除率分別為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在大多數情況下表現出更好的混凝性能,導致較低的膜污染率。

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到90%。但與未經澄清的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勢。因此對于浸沒膜系統,不需要在超濾處理前進行耗時和占用空間的沉淀過程。經過超濾后的排泥水出水水質達到了回用要求。

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,發現不可逆污染與操作通量及反沖洗間隔有關,但與測量的給水水質無關。但可逆污染與反沖洗間隔無關,而與操作通量、濁度和溫度有關。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致兩種污垢速率增加。因此對于大型裝置而言,可持續通量是比臨界通量更有代表性和有用的參數,因此臨界通量不考慮過程經濟性。

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

4 陶瓷膜處理排泥水存在的問題及發展趨勢

目前應用陶瓷膜處理排泥水的出水水質較好,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計,缺乏對應工藝的匹配,致使陶瓷膜無法發揮其預期的通量優勢,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變化、生化指標、毒毒理學指標、天然有機污染物等缺乏機理表征,忽略了這些指標的前后變化情況,導致此工藝沒有得到廣泛的實際應用。實際上,陶瓷完全具備替代濾池的能力,出水水質更好,具有更大的經濟優勢。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,如預處理、膜清洗和膜表面改性等,以減輕膜操作單元的負擔。Cyeong等[18]將混凝法和陶瓷膜聯用,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計增強了膜的機械穩定性和過濾性能。改善膜污染的最根本方法是對膜進行表面改性,增強其親水性以提高其耐污能力和使用壽命。需進一步完善膜污染機制研究,將先進的預處理技術與膜處理技術相結合,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

陶瓷膜作為發展較快的廢水處理技術,未來在凈水處理行業具有廣闊的應用前景,低溫低濁排泥水采用陶瓷膜技術處理回收具有很大的優勢。研究表明,利用陶瓷膜技術處理在回收率、出水水質及運行管理維護方面均優于水廠現有的濾池,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。