磁絮凝-膜过滤工艺中膜清洗的研究

庞治邦，姚吉伦，刘　波，周　振

(后勤工程学院　a.国防建筑规划与环境工程系； b.国家救灾应急装备工程技术研究中心，重庆　401331)



磁絮凝-膜过滤工艺中膜清洗的研究

庞治邦a，姚吉伦b，刘波a，周振a

(后勤工程学院a.国防建筑规划与环境工程系； b.国家救灾应急装备工程技术研究中心，重庆401331)

摘要：采用孔径为200 nm的陶瓷膜处理微污染水，研究了试验工艺和常规工艺在不同条件下的膜清洗恢复情况，分析了反冲洗压力、反冲洗时间以及化学药剂对膜通量恢复的影响，并对试验工艺进行了长期、连续运行。结果表明：该试验工艺清洗情况运行良好；当反冲洗压力为0.60 MPa、反冲洗时间为40 s时，使用柠檬酸进行清洗时效果最好。

关键词：陶瓷膜；膜清洗；膜通量

磁絮凝技术是常规絮凝与磁化技术有机结合的强化混凝技术，具有水源适应性好、出水水质稳定、易于自动化管理等优点，被誉为新兴的水处理技术[1-3]。近些年来出现了磁絮凝技术与膜分离技术的组合工艺进行给水处理的研究，取得了很好的效果[4-5]。由于磁絮凝-膜过滤工艺占地面积小、处理效果好，且易于实现自动化控制,使其在一体化净水装备中应用前景广阔。但同时膜在使用过程中会受到污染，使膜的产水通量降低，跨膜压差升高，导致产水量减少和动力费用成本增加。此外，膜污染还会直接影响膜的使用寿命，增加制水成本，影响装备的高效性、安全性和可靠性[6-7]。

本试验所用陶瓷膜采用净水车微滤膜组件。研究了不同条件下陶瓷膜的清洗效果，并对膜的清洗条件进行了优化，为磁絮凝和膜分离组合工艺的应用提供了借鉴和参考。

1材料与方法

1.1试验装置

试验装置由南京慧城公司加工，主体试验装置包括混凝预处理装置、膜分离装置和膜清洗装置。装置框架支撑结构由不锈钢制作，管道采用U-PVC管材。试验装置核心组件为多孔道式陶瓷膜，由南京慧城公司生产，材质为Al2O3，膜孔径为200 nm，孔道数为19，长度为0.5 m，单根有效过滤面积为0.11 m2。原水在进入膜组件之前在磁絮凝反应单元进行预处理。膜系统共包括2套膜过滤组件，采用串联的连接方式。膜过滤试验流程见图1。

1.2清洗方法

按照清洗方案，当膜通量下降到一定程度后，调节阀门，开启空压机将反冲洗水箱中的滤后水压入膜组件进行反冲洗，反冲洗结束后用清水循环过滤清洗。当膜污染严重时，先进行反冲洗再进行化学清洗。化学清洗时为在线清洗，即在不停机状态下，将进水泵和浓水回水管放入提前配好的试剂池内进行循环清洗。化学清洗结束后用清水进行清洗。每组试验结束后将陶瓷膜用药剂进行清洗。

1.原水箱；2.原水泵；3.压力表；4.止回阀；5.闸阀；6.管道混合器；7.接触絮凝池；8.加压泵；9.膜组件；10.流量计；11.反冲洗水箱；12.滤后水箱；13.空压机；14.气压控制阀；15.浓水及清洗水排放。

图1膜过滤试验流程

1.3试验药剂

试验用清水选用自来水，电导率为400～600 μs/cm；一水合柠檬酸，分子式为C6H8O7·H2O，分析纯，含量≥99.5%；次氯酸钠，化学式为NaClO，活性氯≥5.5%；片状氢氧化钠，化学式为NaOH，含量≥96.0%。

1.4效果评价

陶瓷膜的清洗效果采用膜通量恢复率Y来表征：

(1)

其中：J为清洗后的膜通量(L/(m2·h))；J0为新膜稳定后的膜通量(L/(m2·h))。

2结果与讨论

2.1不同工艺条件下的陶瓷膜清洗效果

图2为相同反冲洗条件下不同试验中陶瓷膜的清洗膜通量恢复情况。由图2可知：经过反冲洗后，膜通量都有显著的提高，均有较高的恢复率。在常规的混凝-膜过滤工艺中，当絮凝剂投加量大时有利于膜通量更好地恢复。通过比较磁絮凝-膜过滤工艺和常规混凝-膜过滤工艺可以看出：磁粉的加入使膜组件在经过反冲洗后，膜通量的恢复情况优于常规工艺，且随着絮凝剂和磁粉投加量的增加，清洗效果更加明显。

主要原因在于：陶瓷膜在进行反冲洗时为气水两相流体混合清洗；清洗过程中气体和液体不断冲刷膜面和膜孔，滤饼层受到高强度的错流剪切力的作用而脱落，使膜通量得到恢复。在常规工艺中，当絮凝剂投加量大时，参与吸附、架桥的高分子有机物多，絮体凝聚效果好[8]。这样就使有机物对膜的不可逆污染减轻，有利于膜通量的恢复。而磁絮凝-膜过滤工艺增大了絮体的粒径，和改善了絮体的耐剪切性能，这样就使絮体在膜表面形成了疏松的滤饼层[9-10]；而且由于磁粉的加入使滤饼层孔隙率增加，所受到的流体错流剪切力增大，更有利于滤饼层的脱落。

图2　不同实验条件下膜通量变化情况

2.2反冲洗压力对清洗效果的影响

图3为不同反冲洗压力对磁絮凝-膜过滤的清洗效果。可以看出：在不同的反冲洗压力下，膜通量都有一定程度的恢复，且随着反冲洗压力的升高，膜通量也是逐渐增大的；当反冲洗压力为0.50 MPa和0.55 MPa时，膜通量的恢复情况相差较小；随着反冲洗压力升高到0.60 MPa时，膜通量恢复情况有了较大的提高，此时膜通量达到了1 283.12 L/(m2·h)；当反冲洗压力进一步升高到0.70 MPa时，膜通量恢复的增加量不是很显著。从经济效益和能耗角度讲，可以认为0.60 MPa是最佳的反冲洗压力。分析原因可知：当反冲洗压力较小时，水流产生的错流剪切力较小，膜通量的恢复效果较差；当反冲洗压力为0.60 MPa时，滤饼层污染物已经脱落得差不多了，再增加反冲洗压力对膜通量的恢复也没有较大的提升。

图3　不同反冲洗压力下膜通量的变化情况

2.3反冲洗时间对清洗效果的影响

图4为膜通量恢复率随反冲洗时间的变化情况。可以看出：随着反冲洗时间的延长，膜通量的恢复率逐渐升高；当反冲洗时间为40 s时，膜通量的恢复率可达37.24%；随着反冲洗时间的增加，膜通量恢复率基本相同，说明再增加反冲洗时间，膜通量的恢复也不会很显著。因此，可以认为当反冲洗时间为40 s时清洗效果是最好的。这是因为在反冲洗前期，膜面滤饼层受到高强度的错流剪切力而脱落。当反冲洗时间为40 s时，陶瓷膜表面污染物质已经脱落得差不多了。在反冲洗压力一定的情况下，此时的污染主要来源于不可逆污染和部分可逆污染，故再增加反冲洗时间对膜通量的恢复也没有显著的改善。

图4　膜通量恢复率随反冲洗时间的变化情况

2.4不同药剂对清洗效果的影响

反冲洗能有效地恢复膜通量，对膜污染初期的清洗效果显著，但仍不可避免地出现膜通量恢复率降低的现象。因此，需要对陶瓷膜进行化学清洗，用药剂浸泡或循环运行，使药剂与污染物质发生反应而易于清洗，恢复陶瓷膜的渗透通量。

本试验考察了NaOH、NaClO和柠檬酸3种化学药剂对膜通量的恢复情况。清洗方式：① 1%的NaOH溶液循环清洗20 min；② 1%的NaClO溶液循环清洗20 min；③ 0.5%的柠檬酸溶液循环清洗20 min。不同方式下膜通量的恢复情况见图5。

图5　不同药剂对膜清洗效果的影响

由图5可知：膜清洗效果最好的药剂是柠檬酸，膜通量恢复率可达到89.91%。NaClO和NaOH的清洗效果也较好，分别达到了78.47%和70.36%。有研究表明，酸性清洗剂(如柠檬酸)可以溶解无机矿物质和盐类，同时还能溶出沉积在凝胶层中的无机金属离子；碱性清洗剂(如NaOH)可以有效去除蛋白质和有机物的污染，从而破坏凝胶层；氧化性清洗剂(如NaClO)对有机物和附着在膜孔内的微生物有很好的去除效果[10]。试验中经过柠檬酸清洗后，膜通量的恢复效果最好，这是因为柠檬酸不仅可以去除无机物，而且使密实的滤饼层变得疏松易于清洗。氧化性清洗剂NaClO的清洗效果也较好，说明有机物也是造成膜污染的重要原因。此外，在试验中发现，当长时间使用单一药剂时，清洗效果会下降，此时进行两种或多种药剂的混合清洗会取得较好的效果。

2.5连续运行膜清洗对膜通量的影响

图6为连续运行条件下，多次清洗对膜通量的影响情况。磁絮凝-膜过滤工艺连续运行720 min，每2 h对膜组件进行1次反冲洗，当反冲洗后膜通量小于一定值时用柠檬酸进行化学清洗。由图6可以看出：经过每次反冲洗后，膜通量的恢复效果较好，但每次经过反冲洗后膜通量均有一定程度的衰减。在用柠檬酸进行化学清洗后，膜通量得到恢复，运行情况良好。

图6　连续运行下膜清洗对膜通量的影响

3结论

1) 磁絮凝-膜过滤工艺比常规的混凝-膜过滤工艺膜通量的衰减缓慢，而且清洗效果也明显优于常规混凝-膜过滤工艺。

2) 在反冲洗压力为0.60 MPa、反冲洗时间为40 s时有很好的清洗效果，膜通量恢复率最好。当不可逆污染严重时采用化学清洗可以有效恢复膜通量，且试验中柠檬酸的清洗效果最好。当长期使用单一化学试剂进行清洗时清洗效果下降，此时采用药剂混合清洗通常能取得较好的效果。

3) 在长期连续运行条件下，经过反冲洗后膜通量的恢复效果较好。但每次经过反冲洗后膜通量均有一定程度的衰减。在用柠檬酸进行化学清洗后，膜通量得到恢复，运行情况良好。

参考文献：

[1]陈瑜，李军，陈旭娈，等．磁絮凝强化污水处理的试验研究[J].中国给水排水，2011，27(17)：78-81.

[2]黄启荣，霍槐槐.磁絮凝与磁分离技术的应用现状和发展前景[J].给水排水，2010，36(7)：150-152.

[3]庞治邦，姚吉伦，刘波，等．磁絮凝技术在水处理中的应用与前景[J]．重庆理工大学学报(自然科学)，2015(10):99-102．

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[10]LISA T，JASON L.Steindorf,Andrew Harris.Depositional remanent magnetization Toward an improved theoretical and experimental foundation[J].Earth and Planetary Science Letters，2006，244：515-529.

[11]田岳林，袁栋栋，李汝琪.陶瓷膜污染过程分析与膜清洗方法优化[J].环境工程学报，2011，27(15)：75-81.

(责任编辑杨文青)

Study on Membrane Cleaning in Magnetic Flocculation and Membrane Filtration Process

PANG Zhi-banga, YAO Ji-lunb，LIU Boa，ZHOU Zhena

(a.Department of National Defense Architectural Planning and Environment Engineering；b.Engineering and Technological Research Center of National Disaster Relief Equipment,Logistics Engineering University, Chongqing 401331，China)

Abstract:Membrane cleaning of ceramic membrane with pore size of 200nm was used to treat the micro polluted water. The recovery of membrane cleaning of the test process and conventional processes under different conditions was studied. The effects of backwash pressure, backwash time and chemical reagents on the recovery of membrane flux were analyzed, and the test processed to carry on the long-term continuous operation. Experiment shows that process cleaning situation ran well. When the backwash pressure is 0.60 MPa and the backwash time is 40 s, using citric acid, the cleaning effect is best.

Key words:ceramic membrane; membrane cleaning; membrane flux

收稿日期：2016-03-16

基金项目：国家科技支撑计划资助项目(2012BAK05B03)

作者简介：庞治邦(1990—)，男，硕士研究生，主要从事水处理技术研究； 通讯作者 姚吉伦，男，高级工程师，主要从事膜水处理和野营净水装备的研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.015

中图分类号：X703

文献标识码：A

文章编号：1674-8425(2016)06-0091-05

引用格式：庞治邦，姚吉伦，刘波，等.磁絮凝-膜过滤工艺中膜清洗的研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(6):91-95.

Citation format：PANG Zhi-bang, YAO Ji-lun，LIU Bo,et al.Study on Membrane Cleaning in Magnetic Flocculation and Membrane Filtration Process[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(6):91-95.