管式连续微滤膜法处理热电厂循环冷却排污水过滤模型研究史昱骁20112140491 .试验背景在技术及经济高速发展的现代社会，部分地区由于环保没跟上工业的快速发展的步伐，环境污染严重，水体水质日趋恶化。当人们的文化及物质生活水平不断提高，人们最为关心的环境问题之一将是如何保障人们用上卫生、安全、优质的饮用水。美国自来水协会的调查研究表明：膜法水处理技术将是未来最重要的水处理方法，因为到目前为止好没有一种单独的水处理工艺能与膜法水处理过程相媲美，用单一的物理方法同时达到完全消除致病微生物，显著降低有机和无机污染物以及供水系统的协调、紧凑、美观的水处理目的。在1996年于日本召开的题为“2世纪的水处理技术”专题会议上，国际水协（IWA）把膜法水处理技术列为21世纪最重要的替代水处理技术。2管式连续微滤膜污染机理及模型开发2.1 管式连续微滤膜污染机理分析膜污染是指料液中的悬浮颗粒、胶体粒子或溶解性大分子有机物在膜表面和膜孔内吸附沉积，造成膜孔径减小或堵塞，使膜通量下降的现象。根据发生的位置可以分为表膜堵塞（污染物吸附沉积在膜的表面，增加了水流过膜的阻力）和膜孔堵塞（污染物在膜孔内吸附沉积，减小了膜孔径，从而降低了膜的通量）。根据造成污染的物质不同可分为无机污染、有机污染和生物污染，其中以有机污染和生物污染最为普遍，对膜通量的影响最大1。确定膜过滤过程的污染机理，对于了解过滤过程膜通量的下降原因、预测膜通量、控制和消除膜污染都具有一定的指导意义。对于大分子和胶体悬浮液膜过滤过程的污染机理，Marshall等和Belfort等3已经做过详细的综述，但对于颗粒悬浮液、尤其是无机颗粒悬浮液通过微滤膜过程的污染机理，文献报导很少，普遍认为颗粒在膜表面的沉积为主4-5。本文选用的阻力模型是以YehandCheng6以及Bellevile7的研究为基础的，将滤饼过滤模型改进以用于澄清过滤。2.2 膜污染阻力的计算方法以达西（Darcy）定律为基础，可得出下列透水通量表达式：(1)PP瓦一J(RmRf)其中：J膜通量，L/（m2s）；AP膜两侧压力差，kPa;科一一料液粘度，Pas;Rt一一过滤总阻力，它可以分解为两个部分，即Rm膜本身的阻力和Rf污染阻力，m-1。对过滤总阻力（Rt）进行不同方式的分解，可以确定不同过程的污染物阻力分布如何：本文提到的管式微滤膜过滤属于澄清过滤，不考虑污泥层和滤渣的阻力影响，同时，我们没有办法测量膜孔堵塞造成的不可恢复的阻力影响，在试验阶段将其忽略（这部分阻力表现为膜的不可恢复衰老，根据美国陶氏化学给出的膜通量衰减值一一年衰减约为7%,故在短期的试验过程中，这部分变化是可以忽略的），故，只简单地将阻力分解为纯膜阻力（Rm）和污染阻力（Rf）两大类，而膜的污染阻力（Rf）包括了表膜堵塞阻力（Rc）和膜孔堵塞阻力（Rp）,前者指悬浮或吸附在膜表面的微滤颗粒物，可以通过反冲洗的方法冲刷掉污染物加以恢复，后者则需要通过加强洗或化学等方法加以去除，当然也包括物理和化学方法都不能去除的永久性污染。2.2.1 一次纯水通量和纯膜阻力用于计算纯膜阻力（Rm）。膜的一次纯水通量（Jo）,是用干净的膜过滤清水测得的通量,J0:PRm, P-0 Jo(2)(3)其中：Jo膜的一次纯水通量L/（m2s）；P纯水粘度，Pas2.2.2 料液通量和污染阻力在同样的操作条件下，对料液进行过滤，用稳定时的料液膜通量（Ji）,计算污染阻力（Rf）。,P _ P应二(Rm Rc Rp)(4)PRt=(RmRc*Rp)(5)-0J1由(4)和(5)式可得，膜的污染阻力为：一一一一一PPRf=Rc+Rp=Rt-Rm=一-(6)0J1-0Jo其中：Ji料液透水通量，L/（m2s）,其它符号同前。2.2.3二次纯水通量和永久堵塞阻力膜的二次纯水通量（J2）,是用受污染并经过反冲洗清洗后（认为表膜堵塞阻力已经完全恢复）的膜过滤清水测得的通量，用于计算膜孔堵塞阻力（Rp）。0（Rm Rp）由（3）和（7）式得:P PRp =p%2Mo由（3）和（8）式得:_PPRc =Rt Rm - Rp =TJ _TTJi0J2(7)(8)(9)3实验结果与讨论通过在一次纯水实验、 的不同变化值，得到如表其中：J2膜的二次纯水通量，L/（m2s）,其它符号同前。通过上述方法，可以计算各部分阻力的大小，从而对膜的污染机理有所认识。料液实验和二次纯水实验三种情况下，测定跨膜压差和透水通量1的实验结果：表1不同情况下的通量料液实验跨膜压差AP(kPa)一次纯水通量J0(L/(m2s)跨膜压差AP(kPa)料液透水通量J1(L/(m2s)跨膜压差AP(kPa)二次纯水通量J2(L/(m2s)5.000.420151.50.63324.70.4395.250.445153.80.63425.20.4645.500.468156.30.64625.50.4415.750.485157.70.65626.70.4796.000.503158.70.65728.30.499158.70.66428.50.5123.1 求纯膜阻力由于保定热电厂连续微滤膜法处理回用冷却循环排污水工程已经在运行，故只能取进行彻底化学清洗后的膜过滤清水加以测定其纯水通量(此处数据取自项目运行初期的试运行阶段)，然后计算纯膜阻力(Rm),曲线拟合情况图1所示：压差与一次纯水通量曲线图Jo=0.0844APR2=0.9921产量通水纯次一Ms.5 Oo O4846,8 455.25.45.65.866.2跨膜压差P(kPa)图1压差与一次纯水通量曲线图由图1可知，新膜过滤清水时，压差与通量白勺关系为J0=0.0844P,由公式(2)可知,曲线斜率为：1=0.0844,而温度为20c时，清水粘度田为1.005M0-3Pas(查化学手册即可得到不同温度下水的粘度值)，故在20c时，纯膜阻力为：Rm144(10)1.185104(m)0.084403.2 求总阻力和污染阻力求出纯膜阻力之后，接着就要求出膜的污染阻力(Rf),这就需要对料液过滤的压差和通量进行曲线拟合，此数据取用化学清洗进行之前稳定过滤过程中的压差和通量值，曲线拟合情况如图2:671.6OJS 2:了量通液滤64152154156158160跨膜压差 P (kPa)图2压差与料液通量曲线图由图2可以看出，过滤料液时，膜两侧压差与通量关系为:J1二 0.0042 AP,可得:1 = 0.0042,温度为20c时，料披（热电厂循环冷却水）的粘度科与纯水的粘度 均相Rt差不大，可近似看作为纯水，故总过滤阻力为:15Rt = =2.369 105(m )0.0042(11)由（10）和（11）知，膜的污染阻力为:Rf 二 Rc Rp R Rm = 2.251 105(m)(12)3.3表膜堵塞阻力和膜孔堵塞阻力知道膜的污染阻力之后，接着就要确定污染阻力（Rf）中表膜堵塞阻力（Rc）和膜孔堵塞阻力（Rp）的值。可以将过滤料液后的膜管经过反冲洗之后，将可去除的污染物质冲洗掉，然后再过滤清水，即可以测得膜孔堵塞阻力（Rp）的值。此数据取自经过反冲洗之后，过滤初期的压差和通量值，曲线拟合情况如图3: 1由图3可得，压差与二次纯水通量的曲线关系为：J2 = 0.0178 P,可得：=0.0178,Rp故膜孔堵塞阻力为:Rp10.0178。4= 5.590 104(m )(13)由（12）和（13）知，膜的表膜堵塞阻力为:(14)Rc=Rf-Rp=1.692105(m)3.4结果与讨论经过理论推导并计算，将膜的各种阻力值及其在总阻力中所占的比例汇总如表2所示:表2膜组件的各种阻力值及所占比例阻力系数类型阻力值（x104m-1）所占比例（纯膜阻力Rm1.1854.98表膜堵塞阻力Rc16.9271.42膜孔堵塞阻力Rpp5.59023.60污染阻力Rf22.5195.02总阻力Rt23.69100可以看出，该管式膜的纯膜阻力很小，只占总阻力的4.98%,主要阻力为污染阻力，它是纯膜阻力19倍多。在污染阻力里，表膜堵塞阻力占主要，它是膜孔堵塞阻力的3倍多。封莉等11测定了运行过程中膜过滤压差的变化，考察了膜污染的发展情况，并探讨了减缓膜过滤压差上升和膜污染的几种措施。在温度为24c时，通过清水和生活污水实验得出膜通量J（L/（m2s）与压力差AP（0.615.5kPa）呈线性相关。为此，可以在压差AP为0.615.5kPa之间测定纯水通量Jo和压差AP的值，然后进行曲线拟合来计算。对滤饼过滤而言，膜的总阻力集中在污染阻力上，膜的污染阻力是纯膜阻力的3.6倍，是影响膜通量的主要因素。这与计算结果是相一致的。以上数据表明：1）膜过滤过程中，主要阻力集中在污染阻力上，纯膜阻力影响较小；2）在污染阻力中，表膜阻力占主要，膜孔堵塞阻力也有较大的影响。所以，如何在过滤过程中解决表膜堵塞，降低膜孔堵塞，延长膜的使用寿命（即降低膜孔堵塞程度）是很重要的。带着这个问题，下面就管式连续微滤膜的过滤性能做更加深入的研究。4管式连续微滤膜过滤模型膜污染是膜在应用过程中最大的阻力之一，如何解决膜污染，发挥膜的最大过滤性能，是研究的难点之一。由于膜过滤过程的影响因素较多，目前预测或关联型的模型实用性不理想12,对于以机械过滤为主要过滤机理的微滤膜来说，膜孔径大小及分布和膜孔密度（即单位膜面积的膜孔数）是考核膜分离功能的两个重要参数13。然而，目前所开发的膜过滤模型与膜参数联系较少，这就需要我们深入过滤的细部，对污染颗粒进行分析，从而建立更加合理的模型，对微滤膜的过滤性能进行优化分析。4.1 污染微粒受力分析通过对料液（澄清过滤时，料液中的污染物基本上都是悬浮颗粒）中的颗粒进行受力分析，可以确定一定操作条件下，悬浮颗粒的受力情况，从而确定膜污染的实际过程，再建立合理的模型进行优化分析。该管式连续微滤膜的过滤方式为全量过滤，膜组件竖向放置，在过滤过程中，料液中的悬浮颗粒沿横向（垂直于膜组件的表面）靠近膜表面，从而对膜造成污染和堵塞。由于压力的作用，料液在膜组件内基本上是没有紊动效应的，可以认为是沿横向的层流状态流动，所以对悬浮颗粒的运动分析可局限于层流内层，随液体流动的颗粒主要受以下几个力14: 颗粒在料液中所受到的垂向浮力Fl：关于浮力的计算公式，Saffmann15-16,VasseurandCox17,Mclaughin18等都对其产生的影响进行了研究，结果相似，此处采用基于AlmannandRipperger19的