微絮凝深床过滤 - 超滤 组合工艺深度处理印染废水研究
绪论 本课题的研究背景 废水深度处理和综合回用是废水处理的发展方向 我国每年污水的排放量约为 3.9 1010t, 其中工业废水占 51 %, 并以 1% 的速率逐年递增, 而纺织印染行业约占整个工业废水排放量的 35% 我国纺织废水的回用率仅为 10%, 其中印染废水的回用率只有 7% 新制定的纺织染整工业水一级排放标准 COD:100mg/L 50mg/L 印染废水水量大 色度和有机物含量高 水质和 ph 值变化大 成分复杂, 属于生化性较差的废水
绪论 印染废水处理方法研究现状 生物法物化法氧化法组合工艺 好氧法 厌氧法 缺氧法 好氧 缺氧 厌氧组合 污水氧化塘 混凝法 吸附法 臭氧氧化法 电解氧化法 高级氧化法 生物物化组合 其它工艺. 电絮凝. 超声波. 生物活性炭
绪论 过滤技术在印染废水深度处理中的研究现状 过滤 深床过滤 表面过滤 膜过滤 慢速砂滤 快速可压缩多孔介质过滤 间歇式多孔介质过滤 循环式多孔介质过滤 微滤 超滤 纳滤 反渗透 各种过滤技术 用于去除点悬浮物的实验室过滤器 硅藻土过滤 滤布过滤或筛滤 图 1 用于废水处理的过滤工艺分类
绪论 待滤除的悬浮物 膜支承层 过滤膜 颗粒滤料 (a) 深床过滤 (Depth filtration) (b) 表面过滤 (Surface filtration) 图 2 过滤工艺定义简图
绪论 深床过滤技术原理 - 定义 : 一种使液体通过由某种颗粒或是可压缩滤料组成的滤床去除悬浮颗粒物质的方法 - 去除污染物机理 (1) 颗粒物与滤料之间的接触导致的迁移过程 (2) 颗粒物在滤料表面的附着过程 作用机理 : 隔滤 沉淀 碰撞 截留 黏附 絮凝
绪论 膜技术去除污染物机理 处理后废水 表层 支承层 (a) 通过筛滤机理去除大分子和颗粒物 ( 尺寸分离 ) 透过液 处理后废水 离子 吸附 水 表层 支承层 (b) 通过吸着水层对离子的排斥作用 图 3 膜工艺去除废水组分机理简图
绪论 超滤技术原理 - 依靠膜表面的微孔结构对物质进行选择性分离 - 是一种较高精度截留性能进行固液分离或使不同分子量物质分级的分离技术 - 截留精度优于微滤 - 投资和运行费用低于纳滤和反渗透 - 膜污染问题较之纳滤和反渗透要轻
研究的内容和思路 文献查阅 试验方案确定 试验装置的建立 涤纶高弹丝纤维球滤料截留颗粒物机理研究 印染废水深床过滤特性及效能研究 微絮凝深床过滤 - 超滤深度处理印染废水研究 絮凝剂种类和投加量的影响分析 滤速的影响 滤床颗粒物截留规律分析 色度 UV 254 和 V 512 浊度 PAFC 投加量 NaClO 投加量 浊度 有机物 TOC UV 254 和 V 512 颗粒物截留规律变化 TOC NH 4- -N 滤速条件 试验结果小结 试验结果小结 脱氮机理分析 试验结果小结 总结微絮凝深床过滤 - 超滤组合工艺应用于印染废水深度处理机理和效果
涤纶高弹丝纤维球滤料颗粒污染物截留机理研究 加药槽 管道混合器 投药泵 纤维球过滤柱 溢流口 测压管 放空管 6 1 2 3 4 5 170cm 1,4. 法兰 2. 环形橡皮圈 3. 多孔有机玻璃板 5. 取样口 6. 纤维球滤料 7. 螺栓孔 5mm5mm5mm 7 20cm 80cm 原水水箱 空压机 贮水箱 图 4 微絮凝 - 纤维球深床过滤试验装置图
涤纶高弹丝纤维球滤料颗粒污染物截留机理研究 SO 3 Na N N OH SO 3 Na H N Cl N N Cl N N H SO 3 Na 活性红 K-2BP 分子结构式 纤维长度 2-3cm, 纤维直径 10-15μm 单个纤维球约有 3000 根涤纶高弹丝 滤料填充高度 80cm 装填密度 1.194g/cm 3 孔隙率约为 92.9% 原水为水解酸化 - 接触氧化工艺出水 浊度在 52.4-93.6NTU 之间 活性染料 : 活性红 K-2BP 暂不考虑对废水色度去除的效果
涤纶高弹丝纤维球滤料颗粒污染物截留机理研究 100 90 80 70 进水浊度 滤速 :30m/h 平均进水浊度 :87.5NTU 出水浊度维持在 3-5NTU 左右 浊度 /NTU 60 50 40 30 20 当连续运行至约 16.3h 时, 出水浊度开始呈现上升趋势 运行至 16.7h 时, 出水浊度超过 10NTU 10 出水浊度 0 0 200 400 600 800 1000 1200 过滤时间 /min 图 5 未投加絮凝剂时出水浊度随过滤时间的变化曲线
涤纶高弹丝纤维球滤料颗粒污染物截留机理研究 絮凝剂的选择 过滤出水浊度 /NTU 8 7 6 5 4 3 2 1 进水浊度 :50~ 70NTU 滤速 :30m/h 0 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 运行时间 /min 未加絮凝剂 PAFC=12mg/L PAC=12mg/L 水头损失 /cm 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 未加絮凝剂 PAFC=12mg/L PAC=12mg/L 进水浊度 :50~ 70NTU 滤速 :30m/h 0 50 100 150 200 250 300 350 400 运行时间 /min 图 6 投加絮凝剂对过滤出水浊度的影响 图 7 投加絮凝剂对水头损失变化的影响
涤纶高弹丝纤维球滤料颗粒污染物截留机理研究 PAFC 投加量对过滤效果的影响 过滤出水浊度 /NTU 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 进水浊度 :50~ 70NTU 滤速 :30m/h 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 运行时间 /min C PAFC =5mg/L C PAFC =10mg/L C PAFC =12mg/L C PAFC =15mg/L C PAFC =20mg/L 水头损失 /cm 100 90 80 70 60 50 40 30 20 C PAFC =5mg/L C PAFC =10mg/L C PAFC =12mg/L C PAFC =15mg/L C PAFC =20mg/L 进水浊度 :50~ 70NTU 滤速 :30m/h 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 运行时间 /min 图 8 不同 PAFC 投加量时出水浊度变化 图 9 不同 PAFC 投加量时水头损失变化的影响
涤纶高弹丝纤维球滤料颗粒污染物截留机理研究 滤速对过滤效果的影响 过滤出水浊度 /NTU 2.0 PAFC 浓度 :12mg/L 1.8 进水浊度 :50~ 70NTU 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 运行时间 /min 滤速 30m/h 滤速 40m/h 滤速 50m/h 水头损失 /cm 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 滤速 30m/h 20 PAFC 浓度 :12mg/L 滤速 40m/h 10 进水浊度 :50~ 70NTU 滤速 50m/h 0 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 过滤时间 /min 图 10 不同滤速条件下出水浊度变化曲线 图 11 不同滤速条件下水头损失变化曲线
涤纶高弹丝纤维球滤料颗粒污染物截留机理研究 不同滤料层高度颗粒污染物截留规律分析 过滤出水 滤料层 60cm 处 滤料层 40cm 处 滤料层 20cm 处 过滤出水 滤料层 60cm 处 滤料层 40cm 处 滤料层 20cm 处 过滤出水滤料层 60cm 处滤料层 40cm 处滤料层 20cm 处 不同滤料层高度颗粒截留粒径数量分布 (number) 变化图 不同滤料层高度颗粒截留粒径体积分布 (volume) 变化图不同滤料层高度颗粒截留粒径尺寸分布 (length) 变化图
涤纶高弹丝纤维球滤料颗粒污染物截留机理研究 体积分布变化曲线 80um 左右 50-80um 30-60um 1-30um 滤床 60cm 处滤床 40cm 处滤床 20cm 处过滤出水 从截留颗粒粒径数量分布和尺寸分布变化曲线可知, 过滤出水中粒径在 1um 左右的颗粒物所占的比例最大
印染废水深床过滤特性及效能研究 装置与方法 ( 图 4) 结果与讨论 色度的去除 240 220 200 180 进水浊度 : 23~ 31NTU C PAFC =15mg/L 滤速 : 20m/h 未投加 NaClO C NaClO =5mg/L C NaClO = 10mg/L 55 50 45 40 进水浊度 : 23~ 31NTU C PAFC = 15mg/L 滤速 : 20m/h 未投加 NaClO C NaClO =5mg/L C NaClO = 10mg/L 160 35 色度 / 倍 140 120 100 80 60 40 20 UV 254 去除率 /% 30 25 20 15 10 5 0 0-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 运行时间 /min 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 运行时间 /min 图 12 不同 NaClO 投加量对出水色度的影响 图 13 不同 NaClO 投加量对 UV 254 的影响
印染废水深床过滤特性及效能研究 V 512 去除率 /% 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 进水浊度 : 23~ 31NTU C PAFC = 15mg/L 滤速 : 20m/h 未投加 NaClO C NaClO =5mg/L C NaClO = 10mg/L 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 运行时间 /min 图 14 不同 NaClO 投加量对 V 512 的影响 UV 254 和 V 512 的去除率与 NaClO 的投加量呈正比关系 UV 254 的去除率较之 V 512 的去除率波动性要大 UV 254 的去除率受多种因素的影响和干扰, 而 V 512 的去除受其它因素的影响较小, 从图 14 分析好像只与 NaClO 的投加量有关 推测 : NaClO 的氧化作用可以断开染料分子发色基团和母体之间的化学键
印染废水深床过滤特性及效能研究 2 1 (a) 3 4 (b) 图 15 检测波长 254nm 处液相色谱图 (a) 原水 (b) 过滤出水
印染废水深床过滤特性及效能研究 5 (a) 6 图 16 检测波长 512nm 处液相色谱图 (a) 原水 (b) 过滤出水 (b)
印染废水深床过滤特性及效能研究 总有机碳 TOC 的去除 TOC 去除率 /% 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 进水浊度 : 23~ 31NTU C PAFC = 10mg/L 滤速 : 20m/h 未投加 NaClO C NaClO =5mg/L C NaClO =10mg/L 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 运行时间 /min DOC 去除率 /% 10 9 8 7 6 5 4 3 2 进水浊度 : 23~ 31NTU C PAFC = 10mg/L 滤速 : 20m/h 未投加 NaClO C NaClO =5mg/L C NaClO =10mg/L 1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 过滤时间 /min 图 17 不同 NaClO 投加量对 TOC 去除率的影响 图 18 不同 NaClO 投加量对 DOC 去除率的影响
印染废水深床过滤特性及效能研究 24 22 20 进水浊度 : 23~ 33NTU C NaClO = 10mg/L 滤速 : 20m/h C PAFC =5mg/L C PAFC = 10mg/L C PAFC = 15mg/L 22.5 21.0 19.5 进水浊度 : 30~ 35NTU C NaClO = 10mg/L C PAFC = 10mg/L 滤速 20m/h 滤速 30m/h 滤速 40m/h 18 18.0 TOC 去除率 /% 16 14 12 10 8 6 4 2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 运行时间 /min TOC 去除率 /% 16.5 15.0 13.5 12.0 10.5 9.0 7.5 6.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 运行时间 /min 图 19 不同 PAFC 投加量对 TOC 去除率的影响 图 20 不同滤速对 TOC 去除率的影响
印染废水深床过滤特性及效能研究 NH 4+ -N 去除机理分析 100 100 90 95 80 90 70 85 NH + 4 -N 去除率 /% 60 50 40 30 NH + 4 -N 去除率 /% 80 75 70 65 20 10 未投加 NaClO C NaClO =5mg/L C NaClO = 10mg/L C PAFC = 10mg/L 滤速 : 20m/h 60 55 滤速 20m/h 滤速 30m/h 滤速 40m/h C NaClO = 10mg/L C PAFC = 10mg/L 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 50 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 运行时间 /min 运行时间 /min 图 21 不同 NaClO 投加量对 NH 4+ -N 去除率的影响 图 22 不同滤速对 NH 4+ -N 去除率的影响
印染废水深床过滤特性及效能研究 浓度 /mg/l 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 NO - 浓度变化曲线 2 NO - 浓度变化曲线 3 DO 浓度变化曲线 0.0-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 运行时间 /min 图 23 NO 2- N0 3 - 和 DO 变化曲线 原水 NH 4+ -N 的浓度只有 1.5mg/L- 4mg/L 左右 NaClO 与 NH 4+ -N 的接触时间 国外对微絮凝深床过滤脱氮效果的解释主要是基于生物脱氮机理 纤维球滤料表面生长微生物的可能性 微生物作用 NH 4+ -N N0 3- -N DO 的消耗和 N0 3- -N 浓度的上升
组合工艺深度处理印染废水研究 纤维球过滤柱 清洗剂罐 管道混合器 溢流管 投药箱 蠕动泵 滤料 超滤膜组件 超滤膜组件 保安滤芯 原水箱 反冲洗水箱 空压机空气释放头 放空管 贮水箱 1 加压泵 贮水箱 2 图 24 微絮凝深床过滤 - 超滤组合工艺试验装置图
组合工艺深度处理印染废水研究 组合工艺对污染物的去除 浊度 /NTU 2.50 2.25 2.00 1.75 1.50 1.25 1.00 0.75 0.50 0.25 操作压力 :0.15MPa 透过液流量 : 5.5L/min 浓缩液流量 : 4.2L/min 0.00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 运行时间 /min 深床过滤出水浊度 超滤透过液 超滤浓缩液 TOC/mg/L 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 运行时间 /min 原水 TOC 纤滤出水 TOC 超滤出水 TOC 图 25 组合工艺对浊度的去除 图 26 组合工艺对 TOC 的去除
组合工艺深度处理印染废水研究 和 V 512 /cm -1 UV 254 0.15 0.14 0.13 0.12 0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 纤滤出水 UV 254 超滤出水 UV 254 纤滤出水 V 512 超滤出水 V 512 0.00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 运行时间 /min 图 27 组合工艺对 UV 254 和 V 512 的去除 透过液浊度始终维持在 0.5-0.7NTU 之间 解决了深床过滤因为滤速的提高和反冲洗过后而导致开始阶段出水浊度升高的问题 TOC 去除变化 11.3~13.7mg/L 30~43% 7.1~8.7mg/L 41~53% 组合工艺对 UV 254 和 V 512 去除率分别达到了 81% 和 83% 以上
组合工艺深度处理印染废水研究 1 2 (a) 3 4 (b) 图 28 检测波长 254nm 处液相色谱图
组合工艺深度处理印染废水研究 5 6 (a) 7 8 (b) 图 29 检测波长 512nm 处液相色谱图
组合工艺深度处理印染废水研究 原水深床过滤出水超滤出水 图 30 组合工艺截留颗粒粒径体积分布 (volume) 变化图
组合工艺深度处理印染废水研究 超滤膜污染的控制 表层薄膜 过滤 表层薄膜 过滤 表层薄膜 过滤 孔隙反洗孔隙反洗 (a) (b) 反洗 (c) 孔隙 图 31 膜的污染模式 (a) 膜孔变小 (b) 膜孔堵塞 (c) 浓差极化形成凝胶层和滤饼
组合工艺深度处理印染废水研究 膜孔变小和膜孔堵塞机理引起的膜污染更难于控制和清除的主要原因 : (1) 水流的横向剪切力作用对膜孔堵塞引起的膜污染基本没有什么减轻作用 (2) 清水水力反冲洗对膜孔污染的清洗效果不显著 (3) 膜孔堵塞导致膜透过阻力的快速增加, 引起膜通量的急剧下降, 其后果比膜面污染更加严重 本试验膜污染控制方法 : 水力循环反冲洗和化学清洗 (3% 的柠檬酸和 1% 的双氧水 ) 相结合
经济性分析 按日处理量为 10000 吨的规模核算, 平均运行费用约为 0.157 元 / 吨 运行费用分为药剂费和动力费两部分 (1) 药剂费 0.149 元 / 吨 : 分为絮凝剂 PAFC 和氧化剂 NaClO 的费用 (PAFC 按投加量为 10mg/L, 纯度 70% 的单价为 2000 元 / 吨核算 ; NaClO 按投加量为 10mg/L, 质量分数 13% 的单价为 550 元 / 吨核算 ) (2) 动力费 0.08 元 / 吨 : 主要是电费 ( 电费按单价为 0.7 元 / 度核算 ) 该组合工艺不仅具有高效的污染物截留性能, 而且运行费用也相对比较低廉, 可以作为一种可选择工艺, 单独或者与其它处理工艺相组合应用于印染废水深度处理回用领域