CN106512745A - 一种水处理膜池污染评价及控制的方法 - Google Patents

一种水处理膜池污染评价及控制的方法 Download PDF

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Abstract

一种水处理膜池污染评价及控制的方法，它涉及一种膜池污染的评价及控制的方法。本发明为了解决现有的膜污染导致膜通量下降、膜组件更换和膜清洗的频繁，严重影响了膜技术的经济性和实用性的问题。本发明在膜池底部进水管上、膜池出水管处和清水池进水管口处各设置一台压力变送器或雷达液位计并与PLC控制系统相连，通过PLC系统控制检测膜池和清水池的实际压力值P或水位H，控制膜池系统的进水启动、过滤、反冲洗和膜池排空过程；检测实际压力P或水位H，进行局部水头损失、沿程水头损失和过膜损失TMP的水力计算，得到表征膜污染的阻力系数C/A0.5；以周期性的物理清洗和化学清洗来控制膜池过滤中膜污染情况。本发明用于水处理膜池污染的评价及控制。

Description

一种水处理膜池污染评价及控制的方法
技术领域
本发明涉及一种膜池污染评价及控制方法，具体涉及一种水处理膜池污染评价及控制的方法,属于饮用水处理、污水处理及其他采用膜处理的技术领域。
背景技术
近年来，随着经济的快速发展和人口的增加，水资源短缺和水环境污染的双重水危机加剧了当前水资源供需矛盾，使我国水资源问题越发凸显。一方面饮用水源普遍受到污染，另一方面水质需求标准不断提高。而我国目前常规的混凝－沉淀－过滤－消毒工艺已难以去除水源水中日益增多、组分复杂的有机物，同时也可能生成对人体有致癌作用的消毒副产物。因此，发展新兴技术，治理微污染水源特别是去除水中有毒有害物质已成为饮用水处理中亟待解决的问题。
膜技术被称为“二十一世纪的水处理技术”，自开始应用于水处理领域以来，由于其对于颗粒物、细菌和微生物的有效截留而得到广泛关注。在饮用水处理中常用的膜可以分为四类：即微滤膜(MF)、超滤膜(UF)、纳滤膜(NF)和反渗透膜(RO)。其中微滤和超滤为低压膜，主要通过膜孔的直接筛除作用去除悬浮分颗粒、细菌以及病毒，且具有极好的稳定性。
然而，膜污染问题被认为是制约膜工艺广泛应用的最大障碍，影响膜池的正常产水。现有膜污染评价均通过膜的跨膜压差来计量，但在膜池产水中产水流量波动较大，跨膜压差难以表征膜污染。因此，目前水厂应用中均采用恒定过滤时间进行膜池的清洗维护，使得膜池的反洗频繁，一方面影响膜组件寿命，另一方面大大增加了反洗水量及电耗，严重影响了膜技术的经济性和实用性。
综上所述，在膜技术应用中，急需一种准确可靠的膜污染评价方法，并根据膜污染评价指标进行指导膜池的清洗，从而提高膜组件的寿命，降低产水运行能耗。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的膜污染导致膜通量下降、膜组件更换和膜清洗的频繁，严重影响了膜技术的经济性和实用性的问题。进而提供一种水处理膜池污染评价及控制的方法。
本发明的技术方案是：一种水处理膜池污染评价及控制的方法包括以下步骤：
步骤一、在膜池底部进水管上、膜池出水管处和清水池进水管口处各设置一台压力变送器或雷达液位计并与PLC控制系统相连，通过PLC系统控制检测膜池和清水池的实际压力值P或水位H，控制膜池系统的进水启动、过滤、反冲洗和膜池排空过程；
步骤二、根据伯努利方程和检测的实际压力P或水位H，进行局部水头损失、沿程水头损失和过膜损失TMP的水力计算，得到表征膜污染的阻力系数C/A0.5；
步骤三、对阻力系数C/A0.5最大的膜池以周期性的物理清洗和化学清洗，以此来控制膜池过滤中膜污染的情况。
进一步地，步骤二中的局部水头损失计算公式为：
上式中：
h：膜池到清水池局部水头损失，单位：m；
ε：局部阻力系数，见给水排水设计手册第1册《常用资料》；
υ：局部水头损失的计算流速，单位m/s；
沿程水头损失计算公式为：
上式中：
i：水力坡降；
λ：摩阻系数；
d：管子的计算内径，单位m；
υ：平均水流速度，单位m/s；
g：重力加速度，为9.81，单位m/s2；
过膜损失TMP计算公式为：
TMP＝μRQ/S
上式中：
TMP：跨膜压差，单位Pa；
μ：水的运动粘滞系数，单位Pa·s；
R：总阻力，单位m-1；
Q：总出水流量，单位m3；
S：总过水膜面积，单位m2；
根据流速和流量关系式:υ＝Q/A可估算局部水头损失H局部＝aQ2和沿程水头损失H沿程＝bQ2，清水池进水口处与膜池顶部出水处的相对水位差与局部水头损失和沿程损失存在以下关系：
H3-H2＝aQ2+bQ2＝AQ2
上式中：
H2：膜池顶部出水口处绝对水位高度值，单位m；
H3：清水池底部进水口处绝对水位高度值，单位m；
A：管路的损失系数；
Q：总出水流量，单位m3；
根据跨膜压差与流量正比关系，得出膜池底部进水口和膜池顶端出水口的相对水位差与流量关系式：
H1-H2＝CQ；
上式中：
H1：膜池底部进水口处绝对水位高度值，单位m；
H2：膜池顶端出水口处绝对水位高度值，单位m；
C：膜的阻力系数；
Q：总出水流量，单位m3；
通过运算：(H1-H2)2/(H3-H2)＝C2/A约去流量值，得到表征膜污染的阻力系数C/A0.5。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
针对水厂在产水流量波动大或压力无法恒定时，提供一种仅利用液位雷达计或压力变送器，对膜污染进行评价及污染控制的方法，既不用增加设备耗材及工艺能耗又能保证膜污染评价的准确性。通过及时有效的物理反洗及化学清洗，使得清洗效率提升10％～45％，并节省电耗12％～30％，减少膜组件的更换，延长膜组件寿命20％～30％。
附图说明
图1是μR与C2/A的相关性分析图；图2是本发明的工作原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图2说明本实施方式，本实施方式的一种水处理膜池污染控制方法包括以下步骤：
步骤一、在膜池底部进水管上、膜池出水管处和清水池进水管口处各设置一台压力变送器或雷达液位计并与PLC控制系统相连，通过PLC系统控制检测膜池和清水池的实际压力值P或水位H，控制膜池系统的进水启动、过滤、反冲洗和膜池排空过程；
步骤二、根据伯努利方程和检测的实际压力P或水位H，进行局部水头损失、沿程水头损失和过膜损失TMP的水力计算，得到表征膜污染的阻力系数C/A0.5，至此完成了对膜池污染的评价；
步骤三、对阻力系数C/A0.5最大的膜池以周期性的物理清洗和化学清洗，以此来控制膜池过滤中膜污染的情况。
具体实施方式二：本实施方式的步骤二中的局部水头损失计算公式为：
上式中：
h：膜池到清水池局部水头损失，单位：m；
ε：局部阻力系数，见给水排水设计手册第1册《常用资料》；
υ：局部水头损失的计算流速，单位m/s；
沿程水头损失计算公式为：
上式中：
i：水力坡降；
λ：摩阻系数；
d：管子的计算内径，单位m；
υ：平均水流速度，单位m/s；
g：重力加速度，为9.81，单位m/s2；
过膜损失TMP计算公式为：
TMP＝μRQ/S
上式中：
TMP：跨膜压差，单位Pa；
μ：水的运动粘滞系数，单位Pa·s；
R：总阻力，单位m-1；
Q：总出水流量，单位m3；
S：总过水膜面积，单位m2；
根据流速和流量关系式:υ＝Q/A可估算局部水头损失H局部＝aQ2和沿程水头损失H沿程＝bQ2，清水池进水口处与膜池顶部出水处的相对水位差与局部水头损失和沿程损失存在以下关系：
H3-H2＝aQ2+bQ2＝AQ2
上式中：
H2：膜池顶部出水口处绝对水位高度值，单位m；
H3：清水池底部进水口处绝对水位高度值，单位m；
A：管路的损失系数；
Q：总出水流量，单位m3；
根据跨膜压差与流量正比关系，得出膜池底部进水口和膜池顶端出水口的相对水位差与流量关系式：
H1-H2＝CQ；
上式中：
H1：膜池底部进水口处绝对水位高度值，单位m；
H2：膜池顶端出水口处绝对水位高度值，单位m；
C：膜的阻力系数；
Q：总出水流量，单位m3；
通过运算：(H1-H2)2/(H3-H2)＝C2/A约去流量值，得到表征膜污染的阻力系数C/A0.5。如此设置，可针对水厂在产水流量波动大或压力无法恒定时，提供一种仅利用液位雷达计或压力变送器，对膜污染进行评价的方法，既不用增加设备耗材及工艺能耗又能保证膜污染评价的准确性。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式的步骤三中在膜池运行初期，进行常规的周期性气水联合反冲洗，膜池运行后期加入化学清洗。如此设置，通过及时有效的物理反洗及化学清洗，使得清洗效率提升10％～45％，并节省电耗12％～30％，减少膜组件的更换，延长膜组件寿命20％～30％。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式的步骤三中周期性物理清洗的时间间隔随过滤周期增加可相应减少。如此设置，随膜系统运行，在进行周期性物理清洗后，可出现膜池污染速率加快现象，相应减少物理清洗的时间间隔，可保证及时有效的控制膜污染。其它组成和连接关系与具体实施方式一或三相同。
具体实施方式五：本实施方式的步骤三中的化学清洗方式：阻力系数比运行初期阻力系数增长200％时，将膜组件浸泡于一定浓度的氢氧化钠中一定时间，以达到化学清洗的效果。如此设置，保证及时有效的控制膜污染。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式的氢氧化钠质量浓度为5-30g·L-1。如此设置，可有效去除膜表面及部分膜孔内的污染物质，同时不会造成膜孔增大或膜表面破损。其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式的膜组件的浸泡时间为3-9h。如此设置，可有效去除膜表面及部分膜孔内的污染物质，同时不会造成膜孔增大或膜表面破损。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
具体实施方式八：本实施方式的步骤三中的物理清洗：阻力系数比运行初期阻力系数增长100％时，以气水联合反冲对膜池进行物理冲洗，控制反冲洗强度为40-80L/(m2·h)，单位池面积曝气强度为20-60m3/(m2·h)，反冲洗时间为1-2min。如此设置，可有效去除膜表面污染物质，恢复膜过滤性能。其它组成和连接关系与具体实施方式七相同。
本发明在实际使用过程的实施例1：
1)在膜池底部进水管上设置一台压力变送器PT-1(或在膜池上部最高进水液位处设置一台雷达液位计LET-1)、膜池底部出水管处设置一台压力变送器PT-2，在清水池进水管口处设置一台压力变送器PT-3(或在清水池上部最高水位处设置一台雷达液位计LET-2)。所述雷达液位计LET-1、LET-2、压力变送器PT-1、PT-2和PT-3均连接到PLC控制系统(PLC控制系统接收雷达液位计LET-1、LET-2、压力变送器PT-1、PT-2和PT-3的检测信号)，具体位置详见图2；
2)PLC控制系统根据雷达液位计LET-1和LET-2实时检测膜池和清水池的实际水位H，通过压力变送器PT-1、PT-2和PT-3实时检测各管段的压力P1、P2和P3。分别计算，出水从膜池到清水池中存在的局部水头损失、沿程水头损失和过膜损失TMP：
υ＝Q/A；
上式为流速与流量关系式，其中：
υ：平均水流速度，单位m/s；
Q：单位时间内流量，单位m3/s；
A：管道截面积，单位m2；
上式为局部水头损失计算式，其中：
h：膜池到清水池局部水头损失，单位：m；
ε：局部阻力系数，见给水排水设计手册第1册《常用资料》；
υ：局部水头损失的计算流速，单位m/s；
上式中局部水头损失与流速平方成正比，即与流量平方成正比，故局部水头H局部＝aQ2，其中b为计算所得系数。
上式为沿程水头损失计算式，其中：
i：水力坡降；
λ：摩阻系数；
d：管子的计算内径，单位m；
υ：平均水流速度，单位m/s；
g：重力加速度，为9.81，单位m/s2；
上式中沿程水头损失与流速平方成正比，即与流量平方成正比，且其整体值较小，故忽略摩阻系数变化，沿程水头损失以H沿程＝bQ2估算，其中a为计算所得系数。
J＝TMP/μR；
J＝Q/S；
上式为达西定律跨膜压差计算式，其中：
J：单位面积膜出水通量，单位m；
TMP：跨膜压差，单位Pa；
μ：水的运动粘滞系数，单位Pa·s；
R：总阻力，单位m-1；
Q：总出水流量，单位m3；
S：总过水膜面积，单位m2；
综合上述两式，可知TMP＝μRQ/S，即跨膜阻力与流量成正比，即跨膜阻力以H膜＝CQ估算，其中C表征膜的阻力系数。
3)通过PLC控制系统实时监视的压力变送器PT-1、PT-2和PT-2并折算其测定压力值为相应水位值为H1、H2和H3。水位差值与阻力有如下关系：
H1-H2＝CQ；
上式为相对水位差与跨膜阻力关系式，其中：
H1：膜池底部进水口处绝对水位高度值，单位m；
H2：膜池顶端出水口处绝对水位高度值，单位m；
H3-H2＝aQ2+bQ2＝AQ2；
上式为相对水位差与管路水力阻力关系式，其中：
H3：清水池底部进水口处绝对水位高度值，单位m；
A：管路的损失系数；
在同一膜池系统中，管路的损失系数(A)与膜的阻力系数(C)均为常数，当流量(Q)难以准确获取时，可利用上述两式约去流量值(Q)，通过以下公式对膜污染进行表征：
(H1-H2)2/(H3-H2)＝C2/A；
上式为相对水位差与膜污染程度表征式，其中：
C2/A：即C/A0.5为阻力系数，表征膜污染情况。
通过在PLC控制系统上预设清洗参数对膜池进行物理和化学清洗。当阻力系数比运行初期阻力系数增长100％时，以气水联合反冲对膜池进行物理冲洗，控制反冲洗强度为40-80L/(m2·h)，单位池面积曝气强度为20-60m3/(m2·h)，反冲洗时间为1-2min；随着过滤周期增加，适当减少冲洗时间间隔。当阻力系数比运行初期阻力系数增长200％时，进行氢氧化钠化学强化清洗，控制氢氧化钠质量浓度为5-30g·L-1，浸泡3-9h。
本发明技术方案不局限于以上所列举的应用方式和条件，规模大小的设计可根据实际情况灵活变动。
本发明在实际使用过程的实施例2：
本实例于广州花都区梯面镇的超滤膜工艺水厂进行，水厂设计处理水量1000m3/d，实际平均日供水量约996m3，采用水库水直接超滤工艺，膜平均运行通量为12L/(m2·h)。此水厂具有取水水库库容小、枯水期水量不足、设备自动化程度不高和水厂运行不稳定的特点，因此引进一体化浸没式超滤膜设备。实施例中建设超滤膜池系统，应用本发明来评价和控制膜污染，并对本发明合理性进行评估。
水厂主要包含设备间、膜池和清水池。供水泵、反洗泵、鼓风机和自控系统置于设备间内，加药计量泵在设备间外侧。出水管上设有消毒剂投加点。本实例设计两组膜池，其中2号膜池在出水管路上加设产水流量计，通过流量监测论证本发明中膜池系统的膜阻力评价和膜污染控制可行性。
参照图1所示建立超滤膜池系统，通过PLC控制系统监测压力变送器PT-1、PT-2和PT-3，测定膜池进水口、出水口及清水池进水口处的水位高度H1、H2和H3。本实例中，为了保证膜池截留净化效果及膜的有效使用，膜池内水深应盖过膜组件，因此，膜池上部最高水位处设置一台与PLC控制系统相连的雷达液位计LET-1。
原水经上游水处理工序后由原水泵加压进入膜池，当液位达到进水停止液位时停止进水，当液位达到过滤启动液位时启动过滤。膜池1产水初期经过抽真空形成虹吸开启过滤。过滤过程中，因产水使得液位下降，水位达到进水启动液位时进水重新开启。
本实例取2015年10月份连续数据进行分析膜污染评价合理性的分析。
设定膜池1至清水池2间管路长度约为12m,管径为DN125，水厂时供水量30m3，经查水力计算表，此时沿程总损失为：
h沿程＝i×L
＝3.05×12/1000
＝0.0366m
＝0.366kPa；
1000i×12/1000＝3.05×12/1000＝0.0366m＝0.366kPa，膜池实际水位为3.5m，即35kPa，沿程总损失占总能量损失比例小。通过测定不同时刻H1、H2和H3数值，带入公式(H1-H2)2/(H3-H2)＝C2/A中，以C/A0.5表征膜污染情况。
对2号膜池进行压力和流量的测定，计算水的粘度μ与膜阻力R乘积值。随着膜池产水过程的进行，附着在膜组件上的污染物越来越多，膜污染不断增加，膜池产水效率不断下降，此时测定C/A0.5不断上升。为证明C/A0.5表征膜污染的可行性，将1号膜池计算所得C/A0.5数值与2号膜池的膜污染参数μR进行相关性分析，如图1所示。
经分析表征膜污染的两个参数相关系数达0.98，证明可采用C/A0.5反映膜污染情况。
通过PLC自控系统参数设置，进行过滤、气水联合反冲和膜池排空程序。过滤时间为300min；气水联合反冲洗60s，其中反冲洗强度为70L/m2h，曝气强度为60m3/m2h；过滤累计达10周期后排空膜池。本实例中由于膜污染较轻，未进行化学清洗。
本实施例中膜池初始阻力为2.0×1012m-1，清水池液位为3.4m，产水过程中当测定阻力系数比运行初期阻力系数增长100％时，PLC控制系统进入膜池反洗程序，启动反洗水泵、风机对膜池进行气水联合冲洗。反洗后膜阻力显著下降，接近于初始阻力值，清水池液位由2.2m上升至3.2m。累计反洗达10次后将膜池排空。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (8)

1.一种水处理膜池污染评价及控制的方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一、在膜池底部进水管上、膜池出水管处和清水池进水管口处各设置一台压力变送器或雷达液位计并与PLC控制系统相连，通过PLC系统控制检测膜池和清水池的实际压力值P或水位H，控制膜池系统的进水启动、过滤、反冲洗和膜池排空过程；
步骤二、根据伯努利方程和检测的实际压力P或水位H，进行局部水头损失、沿程水头损失和过膜损失TMP的水力计算，得到表征膜污染的阻力系数C/A0.5，至此完成了对膜池污染的评价；
步骤三、对阻力系数C/A0.5最大的膜池以周期性的物理清洗和化学清洗，以此来控制膜池过滤中膜污染的情况。
2.根据权利要求1所述一种水处理膜池污染评价及控制的方法，其特征在于：步骤二中的局部水头损失计算公式为：
上式中：
h：膜池到清水池局部水头损失，单位：m；
ε：局部阻力系数；
υ：局部水头损失的计算流速，单位m/s；
沿程水头损失计算公式为：
上式中：
i：水力坡降；
λ：摩阻系数；
d：管子的计算内径，单位m；
υ：平均水流速度，单位m/s；
g：重力加速度，为9.81，单位m/s2；
过膜损失TMP计算公式为：
TMP＝μRQ/S
上式中：
TMP：跨膜压差，单位Pa；
μ：水的运动粘滞系数，单位Pa·s；
R：总阻力，单位m-1；
Q：总出水流量，单位m3；
S：总过水膜面积，单位m2；
根据流速和流量关系式:υ＝Q/A可估算局部水头损失H局部＝aQ2和沿程水头损失H沿程＝bQ2，清水池进水口处与膜池顶部出水处的相对水位差与局部水头损失和沿程损失存在以下关系：
H3-H2＝aQ2+bQ2＝AQ2
上式中：
H2：膜池顶部出水口处绝对水位高度值，单位m；
H3：清水池底部进水口处绝对水位高度值，单位m；
A：管路的损失系数；
Q：总出水流量，单位m3；
根据跨膜压差与流量正比关系，得出膜池底部进水口和膜池顶端出水口的相对水位差与流量关系式：
H1-H2＝CQ；
上式中：
H1：膜池底部进水口处绝对水位高度值，单位m；
H2：膜池顶端出水口处绝对水位高度值，单位m；
C：膜的阻力系数；
Q：总出水流量，单位m3；
通过运算：(H1-H2)2/(H3-H2)＝C2/A约去流量值，得到表征膜污染的阻力系数C/A0.5，以此系数来评价膜污染。
3.根据权利要求2所述一种水处理膜池污染评价及控制的方法，其特征在于：步骤三中在进行化学清洗之前，在膜池运行初期，进行常规的周期性气水联合反冲洗。
4.根据权利要求3所述一种水处理膜池污染评价及控制的方法，其特征在于：步骤三中的物理清洗和化学清洗的周期随过滤周期增加减少清洗时间间隔。
5.根据权利要求4所述一种水处理膜池污染评价及控制的方法，其特征在于：步骤三中的化学清洗方式：阻力系数比运行初期阻力系数增长200％时，将膜组件浸泡于一定浓度的氢氧化钠中一定时间，以达到化学清洗的效果。
6.根据权利要求5所述一种水处理膜池污染控制方法，其特征在于：氢氧化钠质量浓度为5-30g·L-1。
7.根据权利要求6所述一种水处理膜池污染评价及控制的方法，其特征在于：膜组件的浸泡时间为3-9h。
8.根据权利要求7所述一种水处理膜池污染评价及控制的方法，其特征在于：步骤三中的物理清洗：当阻力系数比运行初期阻力系数增长达100％时，以气水联合反冲对膜池进行物理冲洗，控制反冲洗强度为40-80L/(m2·h)，单位池面积曝气强度为20-60m3/(m2·h)，反冲洗时间为1-2min。
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