基于铝形态影响分析的混凝超滤过程膜污染控制机制研究

发布时间：2020-05-12 16:47

【摘要】：随着供水安全可靠性要求越发严格,超滤应用增多。而限制超滤应用的关键因素为膜污染。混凝对于减缓膜污染具有很好地实用性。其中,铝盐混凝剂为现阶段广为应用的混凝剂,其铝形态对混凝超滤过程的效能具有较大影响。本文研究了水中污染物的组成对膜污染的影响。在此基础上对不同铝形态条件下的混凝超滤过程加以研究,并确定不同铝形态对膜表面滤饼层特性的影响。同时采用机械混凝变速沉淀工艺对不同铝形态条件下的膜污染加以研究。无机颗粒膜污染能力较低且多为可逆污染,污染最重时第三周期末端比通量为0.876,颗粒总数相近时粒度分形维数的减小致使膜污染加重。而有机物膜污染能力较强且多为不可逆污染,污染最轻时第三周期末端比通量为0.418。其中30-50kDa分子量范围有机物膜污染能力最强,10kDa分子量范围内有机物膜污染能力最弱。水中无机颗粒与有机物共存时,无机颗粒吸附有机物使有机物浓度降低,同时有机物使无机颗粒自聚集作用减弱粒度分形维数较小。二者作用使膜污染增大但可逆性增强,可逆污染从0.396增大至0.470。探究不同水溶液条件下铝形态对混凝超滤过程的作用。发现不同铝形态各有其使膜污染减缓最佳条件,故可确立不同铝形态各自适用的水溶液条件。采用破碎重组过程优化颗粒特性以控制膜污染,发现对于多种铝形态均有任一阶段更大的速度梯度不利于生成大而疏松的絮凝体。但由于絮凝体破碎重组使有机物去除率有所上升,故在中间聚合态铝及胶体态铝条件下,絮凝体破碎重组使膜污染减缓。对比不同铝形态条件下结果,表明絮凝体破碎前及重组后中间聚合态铝均能引起最低膜污染,三周期末端比通量分别为0.770及0.791。这是由于中间聚合态铝形成的絮凝体虽然小而密实,但其对50kDa各分子量范围内有机物的去除率均较高。建立粒度分形维数及二维分形维数与滤饼层孔隙分形维数关系并验证。首先,采用扫描电镜图像建立滤饼层特性分析方法,发现5000倍放大倍数扫描电镜图像最适于计算滤饼层特性,相对误差小于5%。而后,采用Carman-Kozeny等式计算滤饼层孔隙率并与扫描电镜图像法孔隙率对比分析,确定扫描电镜图像法计算孔隙率确实可行。进而利用扫描电镜图像法所得孔隙分形维数验证絮凝体对滤饼层影响模型。在此基础上,确认不同铝形态条件下,减小的二维分形维数及增大的粒度分形维数有利于孔隙率更大的滤饼层形成。絮凝体破碎重组时,胶体态铝条件生成二维分形维数最小为1.803且粒度分形维数最大为1.005的絮凝体,其导致滤饼层孔隙率最大为7.183%。探究预混凝方式对膜污染的控制,确立在不同铝形态条件下均有混凝超滤具有最低的不可逆膜污染,为最佳混凝超滤组合形式。但混凝沉淀超滤也具有其优势,即总的膜污染最小。而后采用机械混凝变速沉淀反应器进行研究。在混凝过程最佳速度梯度组合59-48-17s~(-1)条件下,不同铝形态条件下均有混凝超滤不可逆膜污染仍低于混凝沉淀超滤及微絮凝超滤的不可逆膜污染,与静态试验一致。但随着变速沉淀过程中动态悬浮层的形成,混凝沉淀超滤较混凝超滤膜污染更轻。探究铝形态在形成动态悬浮层过程中的作用,胶体态铝最有利于悬浮层的形成但其初始出水效果较好,颗粒数仅1013个/ml,悬浮层拦截能力较低。而中间聚合态铝形成悬浮层能力处于中间,但其初始出水颗粒较多为1862个/ml,悬浮层拦截能力最高。采用污泥回流强化动态悬浮层,发现不同铝形态条件下污泥一次回流能使出水水质进一步优化,而污泥二次回流会致使出水水质恶化,尤其是溶解性残余铝高于0.2mg/L。对污泥回流强化混凝超滤过程的悬浮层累计机制进行分析,发现同向混凝为主要累积机制。
【图文】：

错流过滤,死端,超滤,方式

该种方式污染物会累积于膜的表面，因此膜更易于受到污染，通常用于实验室对膜污染机理研究的过程中。如图1-1（b）所示，错流过滤又称横向过滤，是料液平行于超滤膜进行流动而滤过液垂直于超滤膜流动的一种过滤方式，该种方式平行于膜表面流动的料液提供一定的剪切力可以部分去除易于沉积于膜表面的污染物，因此更能稳定运行较长工艺周期，实际超滤工艺中多采用该种过滤方式，当然实验室小试及中试也常有采用。由于错流过滤为实际超滤工艺过程中常采用方式，关于膜工艺优化常以错滤过率反应器进行研究。Madaeni 等[66]研究发现临界通量随着错流速率的增大而增大，这有利于更长时间稳定的运行超滤工艺。Chang 等[67]进一步研究发现在料液中污泥颗粒粒径过大时不宜增大错流速率，这是由于较大污泥颗粒易于被错率速率引发的膜表面剪切力所打碎，而较小的污泥颗粒反而易于沉积于膜表面，引发严重的膜污染。尽管错流速率的变化对超滤膜污染有着一定的控制作用，，但不能使膜污染完全避免，因此膜清洗过程势在必行。因此关于膜清洗过程对膜污染的影响也是膜工艺优化中一部分非常重要的内容。Liu 等[68]采用三种不同的化学清洗剂

路线图,研究技术,路线图,学位论文

研究技术路线图
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU991.22

【参考文献】