250t/d一體化污水處理設備
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超濾膜分離技術具有操作方便、節能、無相變、易實現規模化等優點,但膜易污染、通量易降低、操作彈性小的特點制約了膜的工業應用。因此應從以下幾個方面進行研究:
(1)深入研究污染物之間的相互作用,完善膜污染機理,確定不同污染物對不同膜的污染程度,為選膜和確定合理的操作條件提供理論依據。
(2) 強化具有針對性及實用性且能夠工業化的預處理的研究,找到更高效的預處理手段,減緩膜污染。優化操作條件,針對污染物的特性研究廉價高效的清洗技術和清洗劑。
(3)改善現有膜材料,研究出強度高、親水性強、抗菌、抗氧化、易清洗、壽命長的新型超濾膜。
工業廢水產量大、種類多,對生態環境及人類健康產生了嚴重威脅。如何消除工業廢水對環境與人類的危害,回收廢水中的有用成分,創造環保和經濟雙重效益已成為普遍關注的問題。傳統的廢水處理方法主要包括化學沉淀法、萃取法、吸附法、生物處理法、電化學法等,然而這些方法存在處理效率低、環境條件要求嚴、產生污泥量大、易造成二次污染等缺點。
聚電解質強化超濾(PEUF)技術作為一種新興的廢水處理技術,與傳統的處理技術相比具有處理效率高、無相變、能耗低、無二次污染等優點,顯示出良好的發展前景。聚電解質是一類線型或支化的合成和天然水溶性高分子,其結構單元上含有能電離的基團,與非離子聚合物相比具有很好的親水性和帶電性,呈現出許多*的性質。聚電解質與超濾技術相結合后能有效去除廢水中的多種污染物,如酸根離子、有機物、金屬陽離子和金屬螯合物等。目前,PEUF 技術在國內外尚處于實驗室研究階段,有必要對其進行全面的總結和分析,以便明確存在的問題和進一步研究的方向。筆者總結了聚電解質與污染物的作用機理、聚電解質的種類及應用,比較了PEUF 對不同污染物處理效果的影響因素,歸納了聚電解質的再生回收方法,并提出了該技術存在的問題及發展方向,以促進該技術的產業化應用。
1 聚電解質的作用機理
聚電解質與污染物的結合主要是通過靜電作用和絡合作用,PEUF 技術用來處理酸根離子或帶電荷的有機污染物等,則主要是利用了聚電解質與污染物之間的靜電引力作用。聚電解質在水中溶解后,電離成一個聚離子和許多與聚離子電荷相反的反離子。由于聚離子的分子鏈上有許多固定電荷,因此在其周圍存在靜電場。當帶電荷的污染物與帶相反電性的聚電解質通過靜電吸引結合在一起時,污染物的直徑將增大,從而易被超濾膜截留,而水和少量未被結合的污染物則可自由透過膜,由此可以將絕大部分污染物有效地從廢水中分離出來,實現對廢水的凈化。
PEUF 技術去除廢水中的金屬離子除了依靠靜電吸引作用之外,還存在著金屬離子與聚電解質所帶官能團的絡合作用。聚電解質的骨架結構上往往帶有羧基、氨基、膦酰基、磺酸基等官能團,金屬離子也可與這些官能團通過配位鍵結合在一起而形成絡合物。例如,金屬離子比較容易與羧基、氨基形成二配位體或者四配位體,而與膦酰基、磺酸基則更傾向于通過靜電引力作用而結合。無論是通過靜電引力還是配位鍵,都能使金屬離子束縛在聚電解質上,使其直徑增大而被超濾膜截留,達到去除水中重金屬的目的。
250t/d一體化污水處理設備膜類型對膜污染的影響膜技術應用的關鍵是篩選合適的膜材料,不同材料、結構和孔徑的膜具有不同的處理效果、產水通量、產水水質和使用壽命。膜材料的表面能、極性、荷電性、化學結構、親疏水性等影響著膜污染。目前的膜材料主要是聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚砜、聚醚砜等。
A. Drews的研究表明,膜污染與超濾膜性質尤其是膜表面親疏水性有很大關系。親水性好的膜材料抗污染能力強。R. H. Sedath 等通過添加陰離子、表面活性劑及表面氟化等方式提高膜表面親水性,使膜污染得到明顯降低。K. H. Choo 等通過含氟聚合物、聚砜及纖維素3 種不同的膜材料,研究吸附在膜表面的物質的表面自由能的變化時發現,含氟聚合物的疏水性小并且造成的膜污染小。Guojun Zhang 等在研究聚偏氟乙烯、聚丙烯腈和聚砜超濾膜處理污泥樣品過程中的污染情況時發現,污染嚴重的是表面粗糙和疏水性強的聚砜膜。
孔徑分布窄的超濾膜的篩分作用較強,過濾性能優異,隨著孔徑的增加,膜通量會迅速提高,但是孔隙率增大,膜內吸附隨之增強,膜污染加劇。膜孔的曲折率越小,膜通量就會越大。金康鵬等通過研究發現,孔徑小的超濾膜容易形成濾餅層從而降低膜孔內污染。由于污染物容易進入到孔徑大的膜孔內部引起內孔污染,因此相對于孔徑小的超濾膜,孔徑大的超濾膜膜表面的污染物較少。、
操作條件對膜污染的影響
超濾分離過程中操作壓差、操作時間、操作溫度、膜面流速等操作條件對超濾膜污染的影響不容忽視。適當的操作壓力、較大的線流速能減緩濾餅層的形成,控制流體穩定性和在次臨界流量條件下運行均可減緩膜污染。
1 操作壓差
Xianghua Zhen 等的研究表明,在超濾分離過程中,未受污染的膜,濃差極化作用可忽略,膜通量與壓力成正比;隨著過濾過程的進行,膜表面濾餅層逐漸形成而引起膜污染,并且隨壓力的增大,膜通量的增加變慢。沈飛等的研究表明,在低于臨界壓力的條件下進行超濾操作有利于減緩膜污染。因此超濾時,應根據實驗臨界通量確定適宜的操作壓差,以降低膜污染的速率。
2 操作時間
在超濾分離過程中,隨著運行時間的延長,在濃差極化等作用下,膜表面會形成污染層并且堵塞膜孔,導致膜通量下降。因此需要根據水質狀況、膜清洗狀況等因素來確定運行周期的長短。
3 操作溫度
趙立合等的研究表明,溫度變化會引起料液黏度改變,進而影響膜通量。隨著溫度的升高,料液黏度下降,擴散系數增加,從而降低了濃差極化的影響,有利于膜通量的增加。但是溫度升高也會改變料液的其他性質,使料液中某些組分的溶解度下降,使污染加劇。研究表明,改變溫度會影響膜面以及膜孔與料液中污染物的相互作用,使膜通量發生改變。
4 膜面流速
H. Ma 等的研究表明,適當的膜面流速可使凝膠層變薄,阻力下降,從而減小濃差極化的影響,使膜通量提高。當膜面流速超過臨界值后,濃差極化作用顯著,剪切力增大,使得污染物變形而被擠入膜孔導致膜通量降低。改變料液的流動狀態有助于提高膜的分離效率,因此應根據實際情況確定合適的膜面流速,有效地減弱濃差極化作用,提高膜的抗污染能力,從而提高膜分離效率同時延長膜的壽命。
4 膜污染機理
關于膜的污染機理目前研究中尚沒有統一的理論,但普遍認為,從微觀上膜污染是在范德華力以及雙電層作用下的大分子污染物和膜表面以及大分子溶質間相互作用的結果。在范德華力和雙電層的作用下,與膜表面帶電性相同的污染物對膜的污染小,而帶電性與膜表面相反的污染物對膜的污染嚴重。從宏觀上講,濃差極化使得某些溶質在膜表面的濃度超過其溶解度;同時水中微粒、膠體離子或溶質分子與膜發生物理化學作用,使膜的透水量下降。濾餅層是大量微粒在膜表面逐漸累積而形成的覆蓋在膜表面的污染層,其會增加透過阻力,降低膜通量。膜的吸附是污染物與膜微觀作用的結果,是造成膜污染的關鍵。膜孔堵塞是由于污染物在膜表面或膜孔內吸附或沉積造成的,其結果使膜孔窄化,導致膜通量下降。張國俊等的研究表明,超濾除雜有3 種形式:(1)在膜表面的機械截留;(2)在膜孔中停留;(3)在膜表面及膜孔內吸附。膜污染是由無機物沉淀、有機物吸附、顆粒物沉淀和微生物黏附生長及其相互作用引起的。影響反硝化的主要因素:
(1)溫度 溫度對反硝化的影響比對其它廢水生物處理過程要大些。一般,以維持20~40℃為宜。苦在氣溫過低的冬季,可采取增加污泥停留時間、降低負荷等措施,以保持良好的反硝化效果;
(2)pH值 反硝化過程的pH值控制在7.0~8.0;
(3)溶解氧 氧對反硝化脫氮有抑制作用。一般在反硝化反應器內溶解氧應控制在0.5mg/L以下(活性污泥法)或1mg/L以下(生物膜法);
(4)有機碳源 當廢水中含足夠的有機碳源,BOD5/TKN>(3~5)時,可無需外加碳源。當廢水所含的碳、氮比低于這個比值時,就需另外投加有機碳。外加有機碳多采用甲醇。考慮到甲醇對溶解氧的額外消耗,甲醇投量一般為NO3--N的3倍。此外,還可利用微生物死亡;自溶后釋放出來的那部分有機碳,即"內碳源",但這要求污泥停留時間長或負荷率低,使微生物處于生長曲線的靜止期或衰亡期,因此池容相應增大。