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【实验证明】解决膜污染提高饮用水处理技术

北极星环保网来源:2016/11/18 15:39:28我要投稿
所属行业: 水处理  关键词:水处理 水处理技术 超滤

北极星环保网讯:随着水质标准的提高,超滤技术在饮用水处理中应用愈加广泛.然而,膜污染的存在限制了该技术的使用.为解决该问题,近年来,许多关于膜应用的研究集中于膜污染,对膜污染进行了包括膜污染机理及影响膜污染的因素等多方面的研究,希望能解决膜污染对超滤技术的限制,增强该工艺的应用性.

1 .引言

膜污染层的定性、定量及结构分析是膜污染研究中的重要部分.不同种类的污染物在膜上形成污染层的性质及结构均有差异,会造成不同的过滤特性如不同的过滤阻力.污染层的结构很大程度上决定了其过滤特性(发现腐殖酸、海藻酸及高岭土单独过滤形成的污染层阻力小于其共同作用形成的污染层阻力,认为NOM的存在会影响颗粒物形成的污染层结构,增加过滤阻力.

饮用水处理过程中造成膜污染的主要物质包括多糖等胶体物质、混凝剂絮体等颗粒物质及富里酸等溶解性有机物等.许多研究表明,超滤膜上被截留的胶体层主要是水中普遍存在的多糖,而水中的金属离子如钙离子和铁离子会连接不同的多糖分子,使其在膜表面形成比滤饼层结构更加紧密的凝胶层,形成的凝胶层具有与滤饼层不同的过滤特性.而由于Fe(Ⅲ)普遍存在于天然水体中,亦常被用作混凝剂投加到水处理工艺中,以离子及颗粒形式存在的Fe(Ⅲ)会影响凝胶层的结构,进而影响凝胶层的过滤特性.Katsoufidou(2007)、Jermann(2007)和van  den  Brink(2009)等均认为Ca2+与海藻酸钠形成的凝胶层会加重膜污染,污染程度与Ca2+浓度有关.Zhang(2014)等认为二价铁离子亦会与海藻酸钠形成凝胶层,加重膜污染,但当其形成氢氧化铁后会阻止凝胶层形成,从而减轻膜污染.但现在关于Fe(Ⅲ)对凝胶层产生的膜污染影响及对凝胶层过滤特性的定量描述研究较少,多集中于FeCl3作为混凝剂对膜污染的影响.研究Fe(Ⅲ)对凝胶层产生的膜污染影响及对凝胶层特性定量描述有助于我们进一步了解饮用水处理中膜污染的特点,从而控制膜污染.

凝胶层具有自身的污染特点,研究凝胶层的结构及特性,对解决饮用水处理中膜污染问题具有指导作用.本研究主要以海藻酸钠多糖作为模型污染物,通过加入Ca2+及不同浓度的FeCl3溶液,进行恒压过滤实验.根据不同溶液恒压过滤过程中膜通量的变化情况,考察Fe(Ⅲ)对凝胶层过滤特性的影响,并采用Wang  and Waite(2008)的模型通过压缩性及渗透性方程对凝胶层过滤特性进行定量描述.

2 过滤理论

当在膜表面形成的污染层可压缩时,其在空间上是不均一的:污染层最表层处(即过滤液-污染层界面)的含固率()最低(也即孔隙率最高),而污染层最底层处(即污染层-膜界面)的含固率最高.由于含固率决定透水性能,故污染层在不同深度处的过滤性能不同.为了对污染层进行定量分析,可将污染层沿深度方向分层(以下称为“切分层”).对某一深度处的切分层,其过滤性能可用达西定律进行描述,即:

式中,pl为液相压力(Pa),ps为固相压力(Pa,即固体与固体相互挤压所导致的压力),z为切分层的深度(m;z=0即为污染层最底层),μ为水的粘度(Pa•s),J为水通量(m3˙m-2˙s-1),K为该污染层的渗透系数(m2).渗透系数与比阻力(α)之间的关系为:

公式(1)指出,在污染层内,为了维持力的平衡,液相压力的降低必然会导致固相压力的等量上升.在污染层最表面处,液相压力等于操作压力(ΔP),固相压力为0;在污染层最底层处,固相压力达到最大,并且满足:

式中,Rm为膜的自身阻力(m-1).

对公式(1)积分,可得:

式中,L为整个污染层的物理厚度(m),Kav为整个污染层的平均渗透系数(m2).将公式(2)代入公式(4),可得:

式中,W为整个污染层的固相厚度(m;

),αav为整个污染层的平均比过滤阻力(m-2),Rf为由污染层导致的过滤阻力(m-1).污染层固相厚度与物理厚度的关系为W=Lav(其中av为污染层的平均含固率).公式(3)和公式(5)合并,即为最简单的达西定律表达式ΔP=μJ(Rm+Rf).

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