高强度浸没式膜过滤的中试优化研究

李忠华, 王海涛, 陈董根, 许以农, 金铁瑛,郭紫阳, 金 京, 常 娜*

(1. 天津工业大学 环境科学与工程学院, 天津 300387;2. 浙江津膜环境科技有限公司, 绍兴 312000;3. 浙江省先进印染制造创新中心, 绍兴 312000)

工业革命后,随着各国二氧化碳排放,温室气体排放量猛增,生态系统遭到严重破坏.中国提出碳达峰和碳中和的伟大目标,力争2030年前二氧化碳排放达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和目标[1].我国印染废水排放量约占整个工业废水排放量的35%,因此纺织印染领域的节能减排对双碳目标的实现具有重要意义.

纺织印染主要包括纺纱、织造、预处理、染色、印花、整理等工序,每个过程都会产生相应的废水[2].印染废水属难处理废水[3],成分复杂[4],具有难降解、有机物含量多、色度大、COD高、碱度高、含盐量高、毒性大等特点[5-9].目前印染废水多采用“格栅+混凝沉淀+厌氧水解+AO(Anoxic/Oxic)”组合工艺进行预处理,采用“MBR+RO/NF”为代表的双膜法进行废水深度处理[10-11].运行过程中,主要能耗环节为生化处理及MBR工艺的曝气阶段以及RO或NF等膜工艺的高压泵增压阶段.

MBR工艺被广泛运用于生活污水、工业水处理[12-13],具有出水水质高、占地面积小等优点,但运行能耗高[14],通常为3～4 (kW·h)/m3,浸没式MBR运行能耗为0.6～2 (kW·h)/m3[15].在前期的研究中,针对印染综合废水提出一种新型的废水处理工艺[16]——高强度浸没式膜过滤技术(high-strength submerged membrane filtration,简称HMF).与MBR相比,HMF在运行能耗、出水水质及跨膜压差等方面具有一定的优势,其中MBR多设置为生化处理的末端好氧池中,产水率一般小于50%且池中污泥浓度高,需加大曝气强度以保持足够的传氧速率,能耗较高.HMF多为深度处理前段处理二沉池出水,产水率为70%～80%,进水水质稳定且SS较低,保证了较低的膜污染和较好的产水水质.但膜污染问题和能耗问题依旧是HMF工艺运行的难点[17-18].曝气可有效控制膜污染累积[19],使膜池中的水质稳定,同时空气的冲刷效果可以在膜丝的表面产生局部紊流条件,减少膜丝的滤饼层沉积速率,促进污染物脱落,延长膜寿命[20-22],使HMF工艺长期稳定运行.Wang等[23]通过改变曝气孔的结构,提高了MBR曝气的均匀程度和废水处理效率.

本研究采用HMF工艺对浙江绍兴某印染厂区内印染废水的二沉池出水开展中试实验,分别考察了曝气孔分布方式、单帘膜面积、通气量及膜架层数等影响因素对HMF工艺节能效果的影响,为降低印染废水处理过程中的运行能耗提供新的思路.

1 实验部分

1.1 进水及工艺

实验用水为浙江绍兴某印染厂区二沉池出水,HMF进水与出水水质如表1所示.

表1 HMF进水与出水水质

HMF的运行工艺如图1所示.主要包括产水、停歇、水反洗、离线清洗等阶段.

图1 HMF运行工艺图Fig.1 HMF operation process diagram

HMF产水工艺通常采用开八停二(产水8 min,停歇2 min)、间歇产水、连续曝气的运行模式.曝气风机处于常开状态,这样使得膜池内污水处于紊流状态,悬浮物由于曝气作用不会在膜丝表面长时间停留,避免出现表面富集,甚至膜孔堵塞的现象[24-25].

在运行过程中,每24个产水周期后进行120 s的在线反冲洗.当跨膜压差达到35 kPa时,可认为阶段实验结束,膜进行离线清洗.离线清洗采用物理清洗和化学清洗相结合的方法[26],物理冲洗去除膜丝表面的污垢,再进行化学清洗,采用质量浓度2 g/L的氢氧化钠和质量分数0.2%的次氯酸钠溶液[27]进行浸泡.静置24 h后取出膜丝,清洗阶段结束.

1.2 设备与试剂

1.2.1膜组件

膜组件为浙江津膜环境科技有限公司生产的BP系列-织物增强型聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜,详细参数如表2.在增强织物上制膜,采用深层渗透涂覆工艺使功能层与编织管形成独特的铆钉式稳定结构,实现膜分离与膜强度功能的统一,断裂强度大于300 N,具有抗拉强度高、使用寿命长、出水水质好等特点.

表2 膜组件信息表

1.2.2其他设备与试剂

中试设备搭建于浙江绍兴某印染厂区内的污水处理车间内,HMF中试膜架装置由浙江津膜环境科技有限公司制备,由钢板焊接而成,设备占地为L×W×H=1.05 m×0.9 m×1.5 m,装载4帘膜片,每帘膜下方对应一根620 mm曝气管,曝气管正下方开孔直径2 mm曝气圆孔.产水自吸泵25SFBX-8,江苏博禹泵业有限公司.曝气风机,绍兴银森机电有限公司的森森气泵HJB-550.

清洗设备所用试剂为氢氧化钠固体,济南润辉化工有限公司;次氯酸钠溶液,新疆中泰化学股份有限公司.

1.3 测定

实验过程数据:实验时间、跨膜压差、产水流量、通气量等数据通过设备智能终端自动记录,记录频次为每分钟1次,在设备上安装电表实时测定开始结束消耗电量.

实验产水水质测定:pH、电导率、色度、浊度分别使用上海雷磁pHSJ-4F仪、上海雷磁DDSJ-308A电导率仪、上海昕瑞SD9012A水质色度仪、哈希2100Q便携式浊度仪进行测定;COD使用兰州连华5B-1F(VB)仪器,采用快速消解分光光度法(HJ/T 399—2007)进行测定;SS和总硬度分别采用水质悬浮物的测定-重量法(GB/T 11901—1989)和水质钙和镁总量的测定-EDTA滴定法(GB7477—1987)进行测定.

1.4 实验方法

采用单一变量控制法,逐一改变运行过程中的各个影响因素,探究各个因素对装置节能效果的影响.

1.4.1曝气孔实验

通过改变曝气孔眼数量进而改变曝气孔面积及孔眼位置.设置单管曝气孔眼数量分别为3个、6个、9个,其他参数条件如下,单帘膜面积11 m2,通气量为10 m3/h,初始产水流量0.8 m3/h.

1.4.2单帘有效膜面积实验

设置单帘膜面积分别为8.25、11、13.75 m2,由于膜面积发生改变,为保证单位膜面积对应的产水流量与通气量与其他组实验一致,需进行等比例改动,即通气量分别为7.5、10和12.5 m3/h,初始产水流量分别为0.6、0.8和1.0 m3/h.单管曝气孔眼数量为6个.

1.4.3通气量实验

通过改变风机的变频器,调节设备的曝气风量,依次设置为3、6、10和14 m3/h.其他条件均相同,单帘膜面积11 m2,单根曝气管底部为6个曝气孔,初始产水流量0.8 m3/h.

1.4.4单双层膜架实验

以浙江省绍兴市A、B两印染处理厂为实验对象,通过使用HMF工艺的不同膜架层数,开展对比实验.两厂的污水处理工艺类似,均为印染废水经生化处理后过HMF和RO进行深度处理和中水回用的工艺流程.

1.5 数据处理

实验过程的总产水量按式(1)进行计算.

(1)

式中:V为实验总产水量,m3;t为实验时间,min;i为每个时刻记录的产水流量,m3/h;60为时间单位换算系数.

实验过程的单位面积膜通量按式(2)进行计算.

(2)

式中:J为单位面积膜通量,L/(m2·h);A为膜丝表面积,m2;0.8为开八停二模式下的产水系数,其余常数为单位换算系数.

实验过程中的单位产水能耗按式(3)进行计算.

(3)

式中:Qp为单位产水能耗,kW·h/m3;Q为实验总电量消耗,kW·h.

实验过程中的单位产水药剂费按式(4)进行计算.

(4)

式中:Cp为单位产水药剂费,元/m3;Cw为单次化学清洗费用,元.

2 结果与讨论

2.1 曝气孔分布对节能效果的影响

合理地曝气能够通过物理冲刷降低膜污染,延长膜使用寿命.在实际运行过程中,曝气孔的分布及曝气面积也对工艺运行有一定的影响.在本实验中,设置单个曝气孔面积为12.57 mm2,改变曝气孔分布数量来实现对曝气总面积的调控.分别设置孔眼数量3孔、6孔、9孔,孔眼布置如图2所示,孔眼直径4 mm,孔眼距端点均为10 mm,3孔、6孔、9孔孔眼间距分别为300、120和75 mm.

图2 曝气孔眼分布图Fig.2 Aeration hole distribution

实验数据如表3所示,其中运行时长和终止阶段产水流量数据在智能终端电子设备记录读取.当曝气孔增为6孔时,产水量和终止阶段产水流量相对最大,达108.13 m3和0.69～0.63 m3/h,优于3孔与9孔实验,此时膜性能较优良,运行更高效.曝气孔的分布影响曝气均匀度和单个孔眼的曝气强度,孔过多或过少都会降低HMF装置的长期高效运行.

曝气孔实验运行跨膜压差如图3所示.可知适当的曝气孔分布可有效延长装置运行时间.孔眼过少,装置运行时长明显减少,3孔的HMF装置仅运行了8 h,3孔的曝气方式虽然提高了曝气冲刷强度,但由于曝气孔数目较少,曝气分布不均匀,仅能对孔眼上方的部分区域进行冲刷,难以完成对所有膜丝的清洗过程,导致跨膜压差大幅上升至终值;9孔的曝气方式,增加了膜架底部曝气点位,曝气相对均匀,但削弱了单个曝气点的曝气强度,无法对膜丝表面附着的滤饼层进行有效冲刷,使运行时长相对短且单位膜通量过低,仅为11.54 L/(m2·h),如表4所示.对于出现的跨膜压差波动,由于曝气强度较低引起的,只有持续一定时间内的曝气,才可以将形成的滤饼块进行去除,总体上跨膜压差呈上升趋势.综上6孔曝气分布既保持了曝气均匀度又满足单个孔眼曝气强度,是HMF装置运行最优选择.

图3 曝气孔对HMF跨膜压差的影响Fig.3 Effect of aeration hole area on HMF transmembrane pressure difference

表4 单帘膜面积实验条件运行数据

2.2 单帘有效膜面积对节能效果的影响

单帘有效膜面积与单帘膜丝根数相关,会改变膜-水两相接触面积,影响处理污水运行效率及膜污染清洗等问题.改变单帘膜面积,实验数据如表4所示,其中终止阶段产水流量根据膜面积比例调整为同一水平.膜面积为11 m2的HMF装置运行达到35 kPa时,膜性能相对保持良好,终止产水流量为0.69～0.63 m3/h和12.54 L/(m2·h)的膜通量都明显优于其余组,同时总产水量最大为108.13 m3.单帘膜面积过高或过低都会导致单位膜通量的相对下降,当膜面积增大时,污染物快速累积附着于膜丝表面,使膜产水性能降低;当膜面积减少时,虽形成膜污染速度降低,但膜-水两相接触面积相应减少,即使运行时间较长产水总量也相对较低.

不同膜面积实验跨膜压差变化曲线如图4所示,可知运行时长随膜面积增大而减少,膜面积13.75 m2的装置仅运行56 h便达到跨膜压差35 kPa.由于单帘膜丝根数增加,相邻膜丝间距变小,膜丝之间相互阻挡并且会形成一个较大的多孔介质区域,废水中的悬浮物容易在膜丝中间聚集成团,曝气无法将膜表面大量的污染物快速去除,使跨膜压差迅速上升,膜污染程度加剧,清洗频率随之增加,使运行成本增大;当膜丝根数减少时,跨膜压差呈现先迅速增长再缓慢增长达到终点的趋势,膜丝间隙增大,区域流畅水力学条件得到优化,曝气能够有效带动膜丝振动避免污染物聚集[28].综上膜面积为11 m2时膜具有较好的膜通量和膜性能,装置能够长久高效运行.

图4 单帘膜面积对HMF跨膜压差的影响Fig.4 Effect of single curtain membrane area on transmembrane pressure of HMF

2.3 通气量对节能效果的影响

曝气强度影响整体工艺的膜污染程度,改变设备的曝气流量,实验数据如表5所示,其中产水总量随通气量的增加而增大,最高达165.35 m3,通气量增加可加强膜池内曝气强度,减缓污染物在膜表面的累积速度,运行时长增加,产水总量也随之增加.产水流量随膜污染累积而下降,当跨膜压差均达到35 kPa时,不同通气量的终止产水流量出现差异,3 m3/h实验的终止产水流量最低,仅为0.63～0.53 m3/h,膜产水性能较差;随着通气量的逐渐增加,终止阶段的产水流量逐渐增大,14 m3/h实验可达到0.69 m3/h,产水性能增强.

表5 通气量实验条件运行数据

不同通气量下的实验跨膜压差如图5所示.跨膜压差随着运行时间呈现增大趋势,由于污染物在每根膜丝上的附着污染程度不同,其受曝气的冲击效果也有所不同,故会出现上下波动的现象.整体运行时长随通气量增加延长,在3 m3/h的实验中,由于通气量较少,物理冲刷程度弱,对膜表面的污染物去除效果有限,跨膜压差变化曲线在短时间内达到峰值.随着通气量的逐渐加大,膜丝表面的物理冲刷作用随之增强,跨膜压差上升速度减缓,运行时长延长,14 m3/h的实验可运行300 h.运行时,膜丝经过初期污染和累积污染两个阶段.初期污染阶段,水中胶体和溶解性物质等堵塞膜孔,在膜表面形成污染层,跨膜压差快速上升;随运行时间的增加污染逐渐加剧,膜丝达到累积污染阶段,跨膜压差不断上升[29].

图5 通气量对HMF跨膜压差的影响Fig.5 Effect of aeration rate on HMF transmembrane pressure difference

此外,通气量的变化将会影响废水中的溶解氧含量,通过回流进而可能影响HMF进水水质.本中试通过改变通气量测定了溶解氧含量及水质变化情况,考察了通气量的变化对进水水质的影响.结果如表6所示:由于印染废水二沉池出水水质较好且水温较高,为32～38 ℃,在不同通气量条件下,废水中的溶解氧含量变化不大,并未对水质造成明显效果,COD均在420～440 mg/L范围内,且进水水质其他参数亦变化不大,而产水由于膜孔筛分作用都可达到优良水质.综上所述,通气量的改变直接影响膜池内冲刷膜丝的强度等,当通气量为14 m3/h时,试验运行的时间最长且膜产水性能较好.

表6 不同通气量条件下HMF进水水质变化情况

2.4 膜架层数对节能效果的影响

膜架层数是HMF工艺的一个重要参数.由于实际运行中,多数采用单/双层,故本研究仅比较单/双层膜架对节能效果的影响.实验选用水质相似的A、B两厂开展对比,A厂为单层,B厂为双层.两厂的运行情况如表7所示,可知不同膜架层数的产水水质相差不大,皆可满足后续处理要求.经过长期工艺运行,单层膜架的单帘通气量为4.0 Nm3/(h·帘),双层膜架的单帘通气量为2.5 Nm3/(h·帘),相对于单层膜架,双层膜架减少了37.5%的曝气流量,更具优势,曝气孔设置在下层膜架的最底部,上层膜架无需再进行额外设置,曝气的重复利用率得到提高,可达到节能降耗的运行效果.从吨水能耗和药剂费用方面看,双层膜架运行能耗更低,单层膜架清洗药剂花费更少,综合长期考虑,双层膜架更加节能.

在运行过程中,膜架时刻处于浸没状态.当膜架层数较少时,会导致膜池占地面积过大,工艺成本提高;当膜架数过多时,膜架层数变高,增加维修膜架难度,以及出现产水水质恶化时难以及时观测并解决等问题.相对于单层膜架,采用双层膜架可减少1/2工艺占地面积,在用地较为紧张的城市工业区,能够降低废水处理的投资成本.但多层曝气的节能效果并非是线性增加,HMF工艺的总体能耗是多因素共同影响的.由于气泡的冲刷速率在上升时会慢慢降低,当膜架层数变多,需要适当提高通气量,以满足上层膜架对膜丝表面污染物质的冲刷强度.除此之外,随着由下而上的曝气效果不均匀,不同深度的膜架受污染程度也会出现不同,多层膜架在膜清洗环节会相对麻烦,故而导致运行难度加大.在实际生产过程中,需要根据现场多种具体情况进行分析,从而选用最优的工艺方案达到节能效果.

3 经济可行性分析

以浙江绍兴市为例,纺织印染企业的单位用电费用为0.9 元/(kW·h).在清洗过程中,清洗水池容积通常为1.2 m3,按照1.2节中提到的离线清洗方式,单次清洗需要的化学药剂为25 L NaClO溶液和2.5 kg NaOH,其市场价格及生产厂家如表8所示.单次化学清洗的费用为46.75元.

表8 化学品详情表

在实际运行中,需将运行费和清洗药剂费综合考虑,部分运行条件下由于短时间内能够产出相对较多的水量,其吨产水能耗较低,但也由于总运行时长短导致膜清洗频率增加,从而药剂费增大.部分条件虽可长时间运行,但产水总量相对不足,吨水能耗较高.将清洗药剂费和运行费用折合在运行成本中,则前置所有实验的药剂费和运行费如上表9所示.由表9得出:曝气孔眼6孔、单帘膜面积11 m2和通气量14 m3/h的条件下,其运行时长达到165.35 h,吨水处理成本为1.30 元,其中吨产水能耗为1.14 kW·h,吨水药剂费用为0.28元.运行成本相较其余实验组最低,能够长期稳定处理印染废水,具有一定的经济可行性.

4 结语

本研究通过改变HMF工艺处理印染废水时不同的运行条件,得出以下结论:

1) 曝气孔的分布影响曝气强度和均匀度,单帘膜面积的增减会影响膜-水两相接触面积同时影响污染物聚集效果,通气量的大小直接影响膜池内曝气强度,选用适合的运行条件更有益于HMF工艺的长期稳定运行.

2) 通过对实际印染废水生化出水开展的HMF工艺实验,实现了水资源的综合利用.将单层膜架改为双层膜架,提高了曝气的利用效率,同时降低37.5%的通气量,具有一定的节能效果.

3) 运行成本需要综合考虑运行产水能耗费用和清洗药剂费用,当运行条件设定为曝气孔6孔、单帘膜面积11 m2和通气量14 m3/h时,可稳定运行165.35 h,同时吨水运行成本达到最低,折合为1.30 元/t水,其中吨产水能耗为1.14 kW·h,吨水药剂费用为0.28元.

通过对曝气孔的布置、单帘膜面积、通气量、膜架层数进行灵活调节,实现对污水处理的低耗化,为其他工艺方案的节能优化提供一定的借鉴意义.