低压膜法水处理中表面流体剪切力对混合颗粒污染的影响

发布时间：2018-01-26 11:03

  本文关键词： 低压膜 水处理 混合颗粒污染 流体剪切力 颗粒迁移 剪切力分布　出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：低压膜分离技术,微滤(MF)和超滤(UF),已广泛用于城市给水、城市污水和工业废水等处理领域,但膜污染仍然是限制低压膜技术应用的主要因素。水力作用是减缓膜污染的一种有效途径,其本质是流体剪切力改变作用在颗粒上的返混力(F1),从而对膜表面污染物的迁移产生影响。在水处理领域,膜过滤的物质通常是由无机颗粒物和有机物组成的混合颗粒体系,这些混合颗粒会在膜表面形成混合颗粒污染,同时膜表面流体剪切力的复杂性也加剧了混合颗粒污染形成的多样性。本文采用计算流体力学方法计算膜表面流体剪切力,并结合其分析膜表面混合颗粒污染控制情况,考察流体剪切力对不同物化特性、不同运动状态、不同粒径组成的颗粒物形成混合颗粒污染的影响,最后综合分析流体剪切力分布在实际应用中对混合颗粒污染控制的影响。通过改变无机颗粒和腐殖酸的质量比例形成不同组成的混合颗粒,考察了搅拌方式产生的流体剪切力对不同组成的混合颗粒导致的膜污染的影响。采用流体力学测定方法实时原位监测滤饼成长的厚度,表征不同颗粒组成情况下滤饼结构差异,分析了流体剪切力与不同组成的颗粒物形成的混合膜污染的关系。结果表明,当无机悬浮颗粒和腐殖酸的质量比例较低时,腐殖酸在改变颗粒表面电性的同时填充了颗粒间的空隙,形成了更加密实的滤饼,导致膜表面混合颗粒污染加重。在低通量下,流体剪切力明显减缓混合颗粒污染,主要原因是返混力相对于拖曳力更大,此时增加膜表面流体剪切力(0.630 Pa-3.305 Pa)可导致膜污染明显下降;但较大通量时,影响并不明显。当无机颗粒和腐殖酸的质量比例较低时,颗粒间相互作用较弱,流体剪切力对混合颗粒污染的减缓作用明显;当增加无机颗粒物质量浓度时,流体剪切力不足以克服混合颗粒间的作用,容易形成滤饼。通过泡状流产生的流体剪切力对混合颗粒引起的膜污染进行控制,其中颗粒受力模型用于量化认识膜表面颗粒在不同运动状态时的受力状况,衡量流体剪切力对“流动颗粒”和“沉积颗粒”的作用能力。结果表明,泡状流能够有效地减缓膜污染,当曝气强度增大(0-3.2 L/min)时,膜表面平均剪切力随着增大(0.505-2.110 Pa),对应的膜污染速率下降。值得指出的是,较小的“流动颗粒”易于在滤饼层上沉积形成“沉积颗粒”,且颗粒沉积临界直径随着膜表面平均剪切力的增加而逐渐减小(dc)(2.295-0.785μm)。此外,“沉积颗粒”不能被有限的流体剪切力擦洗去除,因为在有限粒径范围内,总静电力Fe远大于返混力Fl。通过错流方式在膜表面产生分布较为均匀的流体剪切力,研究了流体剪切力对混合颗粒物筛选作用与膜表面混合颗粒污染程度的关系。结果表明,膜表面流体剪切力峰值(0.95 Pa-5.17 Pa)和平均剪切力(0.267 Pa-1.873 Pa)均随平均错流速度的增加(0.05 m/s-0.30 m/s)而增大。短期过滤混合颗粒物形成混合颗粒污染时,存在流体剪切力筛选颗粒物的现象。相对于原液中颗粒的体积分数,滤饼中较小颗粒(2-10μm)的体积分数大,而过滤后原液中较大颗粒的体积分数大。在较低流体剪切力范围内,增加流体剪切力能减缓混合颗粒物污染;在较高流体剪切力范围内,增加流体剪切力会加剧混合颗粒污染,主要原因是较大流体剪切力增加了较小颗粒在膜表面沉积的几率,同时增加了较大颗粒迁移至本体料液中的几率,导致滤饼密实,混合颗粒污染加重。在上述研究的基础上,通过不同形式的两相流(泡状流和弹状流)产生的膜表面分布差异较大的流体剪切力,去除进水中不同特性的颗粒在膜表面形成的混合颗粒污染,探究混凝-微滤过程中流体剪切力分布对混合颗粒污染去除的影响。结果表明,颗粒特性对其形成的滤饼的水力阻力和机械特性的影响均非常大。比较原水中颗粒形成的滤饼和混凝后絮体形成的滤饼,前者的水力阻力远大于后者的水力阻力。而相比于对原水中颗粒形成的滤饼的去除能力,泡状流和弹状流均对混凝预处理后颗粒形成的滤饼有更加明显的去除潜能,主要因为流体剪切力高于絮体形成滤饼的屈服应力,而低于原水中混合颗粒形成滤饼的屈服应力。当曝气量相同时,泡状流和弹状流产生的剪切力峰值,均随膜池料液的水力运动粘滞系数的增大而增大,弹状流产生的剪切力峰值(15 Pa)远大于泡状流产生的剪切力峰值(1.4 Pa)。然而,泡状流能增加膜表面剪切力分布的均匀性,有利于去除膜表面整个区域的絮体颗粒物,而弹状流在膜表面一些区域产生的剪切力数值太低,导致颗粒在对应区域沉积。可见,当考虑曝气量时,泡状流是一种有效的去除膜表面絮体颗粒物的流态。
[Abstract]:In the field of water treatment , the influence of fluid shear force on the contamination of mixed particles is discussed . The effect of fluid shear force on the particle contamination of mixed particles is investigated . The results show that the shear force of the fluid increases with the increase of the average cross - flow velocity ( 0 . 05 m / s - 0.30 m / s ) . however , that bubble flow can increase the uniformity of the shear force distribution on the surface of the membrane , facilitate the removal of the floc particles on the whole area of the membrane surface , and the shear force generated by the elastic flow in some areas of the membrane surface is too low to cause the particles to deposit in the corresponding area .

【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】：2017
【分类号】：X703;TU991.2
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本文编号：1465429