材料と方法
1.1 試験水源
この試験の原水は、長江デルタの中心市街地にある大規模な浄水場から採取されます。長江の Q 貯水池の原水が生活用水源として使用され、太湖湖流域の J 貯水池は非常用水源として使用されます。実験期間は長く、冬の水温は 8-9 度、夏の水温は 30-33 度です。日常の原水の水質は第 2 類から第 3 類の水であり、非常用水源は全体的に第 3 類、一部の指標は第 4 類です。この実験で使用される原水は、主にリアルタイムの長江原水です。
1.2 実験装置と操作パラメータ
(1) パイロットプラント。主に凝集反応槽、オゾン平板セラミック膜結合反応槽膜槽、逆洗水槽を兼ねた造水槽、機器制御室、計量室、配管バルブを含むパイロットプラント全体の組立システムと自動制御システム。このシステムは面積 8 平方メートル、高さ 4.7 メートル、処理能力は約 60 平方メートル/日です。膜タンクの主なコンポーネントは、オゾンエアレーター、平面セラミック膜モジュール、および液面センサーです。機器室には、オゾン発生器、給水ポンプ、入口ポンプ、逆洗ポンプ、流量計、ブロワー、圧力センサーなどの機器が含まれています。投与室には、凝固剤投与ポンプと投与タンク、次亜塩素酸ナトリウム投与ポンプと投与タンク、クエン酸投与ポンプと投与タンクが含まれます。パイプラインバルブシステムには、原水パイプ、生産水パイプ、逆洗パイプ、下水パイプ、オーバーフローパイプなどが含まれます。自己制御システムは、タッチスクリーンを使用して表示および操作され、構成ソフトウェアを使用して設計され、プログラマブルロジックコントローラーを使用して制御されます。パネル上で動作パラメータを調整したり、データをエクスポートしたりできます。
(2) 実行中のプロセス。原水はポンプでシステムに注入され、凝集剤は凝集反応タンクに入る前にミキサーの作用下で原水と迅速かつ完全に混合されます。その後、膜槽の底部からオゾン板セラミック膜結合反応槽に入り、連続曝気により槽内のオゾン濃度が維持されます。発生水ろ過、空気水逆洗、発生水ろ過を毎日排水する間欠運転方式を採用しています。濾過水は定流量濾過を採用しており、プログラマブルロジックコントローラーと調整弁が設定水流量に応じてバルブ開度を自動的に調整し、一定の水流量を維持します。生産水ポンプは膜タンク内の水を生産水タンクに濾過します。生産水タンクにはオーバーフロー管が設置されており、余剰水をオーバーフローにより排出することで生産水タンクの液面を維持し、逆洗水の供給を確保しています。
(3) 膜パラメータ。平型セラミック膜モジュールの外形寸法は310mm×650mm×2450mmです。サブミクロンの球状アルファアルミナフィルム層と粉末粒径5μmの支持層を備えた国産メンブレンです。膜モジュールは8層で構成されており、最下層はオゾン層と有孔曝気層で構成され、上部7層は膜層で構成されています。総有効膜面積は24m 2 で、セラミック膜の充填密度は88.8m 2/m 3 であり、これは現在の農業用水および飲料水用セラミック膜プロジェクトの充填密度よりも高い(<80 m ²/m ³). Each membrane element has a size of 540 mm × 250 mm × 6 mm, a membrane pore size of 0.08~0.12 μ m, a pure water flux of ≥ 1600 L/(m ² · h · bar), a membrane thickness of 20~30 μ m, and a flexural strength of ≥ 40 MPa.
(4) 凝集状態。本実験の凝集槽は「凝集」と「微細凝集」の2つの動作条件に対応しています。
凝集: 硫酸アルミニウム 20 mg/L、凝集時間 30 分、凝集タンクの第一段に追加。微小凝集: 硫酸アルミニウム 7.5 mg/L、凝集時間 15 分、凝集タンクの第 2 段階に追加されました。
(5) オゾン発生器。実験では、オゾン装置の開閉によりオゾンの添加を制御できます。空気源を使用して、吸気流量は 12-15 L/min に制御され、オゾン生成量は 6 g/h、機械の全体出力は 180 W です。
(6) 膜の洗浄と修復。セラミック膜システムの逆洗は気水逆洗を採用しており、膜は逆洗水ポンプによって造水タンクから造水パイプラインを通って汲み上げられ、膜に注入されます。膜表面から水が染み出し、膜表面の汚れを洗い流します。ガスはファンによって供給され、多孔通気管を通して気泡が吹き飛ばされて膜表面を洗い流します。水洗浄の設計流量は 300 LHM、空気洗浄の設計流量は 90 m 3/(m 2 ・h) で、洗浄時間は 30 秒、逆洗は 30 分ごとです。
セラミック膜の長期安定動作を維持するために、膜間差圧が 35 kPa に増加し、テストサイクルが終了した時点で化学的メンテナンス洗浄が使用されます。連続試験時間が長い場合（2.1、2.3、2.4項）、1000 mg/L次亜塩素酸ナトリウムに24時間浸漬（必要に応じてよくすすいだ後、1000 mg/Lクエン酸に24時間浸漬）、よくすすいでください。 、次のテストサイクルのために取っておきます。連続試験時間が 1 日以内の場合 (第 2.2 章)、500 mg/L 次亜塩素酸ナトリウムに 2 時間浸し、きれいにすすぎ、次の試験サイクルのために保管しておきます。セラミック膜洗浄の清浄度を判断する指標は、初期膜間差圧が15kPa以下であることです。
結果と考察
2.1 高スループット・短工程の安定稼働
このサイクル試験は夏に行われ、長江原水と膜タンクの水温は30.8〜31.6度の範囲で行われます。膜水生成流束は 100 LHM、凝固剤の有効投与量は 7.5 mg/L です。微細凝集膜ろ過方式を採用し、30分ごとに気水逆洗を行います。膜タンクの入口濁度は8.94～13.53 NTU、流出濁度は0.05 NTU未満です。初期の膜間差圧は１３．０２ｋＰａであった。実験６日目には膜間差圧が２８．６６ｋＰａまで上昇し、サイクル試験を終了した。実験中、膜間差圧は実行時間とともに直線的で均一な上昇傾向を示しました。
実験結果は、平らなセラミック膜が長江原水に対して微細凝集+セラミック膜の浄水プロセスを採用しており、良好な動作安定性を備えていることを示しています。化学メンテナンス洗浄なしで 100 LHM の高スループットで少なくとも 6 日間稼働でき、膜間差圧の増加は 15.64 kPa のみであり、これは工学的に実現可能です。
上記サイクル試験における水生成率は94.6%～97.5%に達し、排水安定性も良好でした。
2.2 凝集条件が膜間差圧に及ぼす影響
このサイクル試験は冬季に実施され、膜プールの水温は 8-9 度です。この実験は、凝集膜ろ過と微細凝集膜ろ過を比較して臨界流束を求めるもので、連続して 3 ラウンド繰り返します。 2 つの異なるプロセスの下で、60、70、80、90、および 100 LHM の 5 つの磁束パラメータが実験用に選択されました。最初の試験流束は 60 LHM で、30 分ごとに気水逆洗を実行し、100 LHM に達するまで流束を 1 レベルずつ増加させました。それに応じて膜間圧力差を記録した。
結果は、膜流束の増加に伴って膜間圧力差が増加し、これは膜ファウリングの作用則に一致することを示しました。 60-100 LHM の実験的な流束範囲には明らかな流束変曲点はありませんでしたが、流束が 60 LHM から 70 LHM に増加したときに膜間差圧の増加が最も大きくなりました。流束が60および70 LHMの実験グループは、「微小凝集」条件下で30分間膜濾過した後、それぞれ18.77～24.34 kPaおよび21.63～32.06 kPaの膜間差圧を示した。 「凝集」条件下で膜濾過を30分間行った後、膜間差圧はそれぞれ14.2〜18.61 kPaおよび18.49〜25.20 kPaでした。膜流束が 80 LHM 未満の場合、凝集時間を延長すると動作膜間差圧を低減するのに有益であり、平均約 5 kPa の低下が見られます。
膜流束が 80 LHM より高い場合、凝集時間を延長しても膜間差圧を改善する能力は限られます。流束100 LHMの「微細凝集」および「凝集」条件下で30分間膜濾過した後の膜間差圧は、27.63-28.91 kPaおよび26.77-28.49 kPaです。それぞれ、非常に近い値です。膜流束が低い場合、膜の汚れに対するフィルターケーキ層の軽減効果が顕著になります。膜流束が高い場合、凝固剤の投与量を増やしても凝集時間を延長しても、膜汚れの制御にはほとんど影響しません。微小凝集と凝集の両方が緩いフィルターケーキ層を形成して膜の詰まりを軽減できると推測されます。 Guo Jianning 氏の研究は、小さなミョウバンの花が形成されるだけでセラミック膜に遮断されることを示しています。したがって、80-100 LHM の高スループットで、凝集剤の投与量を合理的に減らし、凝集時間を短縮するために、この実験の最適化されたプロセス フローとして、微細凝集膜濾過の短いプロセスが採用されました。エンジニアリングアプリケーションの経験。
2.3 次亜塩素酸ナトリウム前処理が短工程運転技術に与える影響
このサイクル試験は夏期に実施され、膜プールの水温は 31.5-34.3 度です。水生成流束は 100 LHM、次亜塩素酸ナトリウム前処理の用量は 0.5 mg/L です。次亜塩素酸ナトリウム微細凝集膜ろ過方式を採用しており、30分ごとに気水逆洗を行っています。膜タンクの入口濁度は 12.3-15.74 NTU で、流出液の濁度は 0.05 NTU 未満です。初期の膜間差圧は１１．１４ｋＰａであり、試験は４．６日目（約１１０時間）まで継続し、膜間差圧が３３．５４ｋＰａに増加してサイクル試験を終了した。
実験結果は、0.5 mg/L 次亜塩素酸ナトリウムによる前処理は、前処理を行わない場合と比較して、微細凝集膜濾過プロセスのみを使用して実際に膜洗浄サイクルを短縮することを示しています。試験場で観察したところ、逆洗後の膜表面は黄褐色、フロックはベタベタ感があり、濃縮水は黒色でした。粘着性のフロックはゲル層の汚染であると推測されます。次亜塩素酸ナトリウムは親水性有機物と優先的に結合し、水中での安定性が低下し、凝固剤とコロイド、マイナスの電気を帯びた疎水性高分子、および粒子の結合に影響を及ぼして緩いフロックを形成し、これにより膜表面へのフロックの付着が強化される可能性があります。 、逆洗効果に影響を与え、メンテナンス洗浄サイクルが短くなります。同時に、次亜塩素酸ナトリウムが原水中の藻類を殺し、細胞に損傷を与える効果があることを排除することはできません。多糖類、タンパク質、フミン酸、その他の物質が放出されて膜に付着し、膜汚染を悪化させる可能性があります。ただし、この実験ではこの現象についてのさらなる調査が行われていないため、その原因を正確に推測することは不可能です。既存の実験結果のみに基づくと、ショートプロセス技術を使用する場合、セラミック膜の前処理方法として次亜塩素酸ナトリウムを使用する場合には注意が必要です。
次亜塩素酸ナトリウム前処理前後の現場写真
2.4 原水濁度変動が膜の安定運転に及ぼす影響
2.4.1 日常原水の「微細凝集＋膜ろ過」処理（長江Q貯水池）
このサイクル実験は冬に行われ、水生成流束100 LHM、微細凝集膜ろ過プロセスを使用し、30分ごとに空気と水の逆洗を実行します。各サイクルが完了すると、次のラウンドに進むためにケミカルメンテナンス洗浄が実行されます。連続 3 ラウンドのテストが実施されます。 3 回のテスト中、原水の温度は (8.0 ± 1.2) 度で比較的安定しました。 pH は 8.53 ± 0.23 で非常に安定しています。ただし、原水の濁度は大きく変動します。実験の最初のラウンドでは、原水の濁度は (48.7 ± 3.9) NTU でした。 2 回目の実験における原水の濁度は (14.47 ± 8) NTU でした。 3 回目の実験の最初の 5 日間の原水の濁度は (5.85 ± 1.43) NTU でしたが、次の 2 日間で濁度は突然 30 NTU 以上に増加しました。 3 回のテストで生成された水の濁度は 0.05 NTU 未満でした。 1 回目、2 回目、および 3 回目の試験の初期膜間差圧は、それぞれ 10.64、11.07、および 10.37 kPa でした。試験は5日目、5日目、7日目まで実施され、膜間差圧は約35 kPaまで上昇し、サイクル試験は終了した。
実験結果は、原水の濁度は大きく変化しますが、平らなセラミック膜の動作は比較的安定しており、100 LHMの流束で化学的メンテナンス洗浄なしで5-7日間連続運転できることを示しています。 3 回目の実験では、原水の濁度が最も低く、膜間差圧上昇の傾きが最も小さく、7 日間の連続運転が可能であったことから、原水の濁度が低いことが長期運転に有利であることが示された。膜のろ過サイクルに適合し、膜の汚染法に準拠しています。
2.4.2 微細凝集オゾン膜ろ過による緊急原水の処理（太湖湖流域のJ貯水池）
このサイクル試験は原水の緊急スイッチに合わせて秋から冬にかけて実施されます。 Q 原水に比べ、J 貯水池原水は濁度や有機物が相対的に高い。このサイクル試験にはオゾン技術が追加されました。水生成流束は 100 LHM、添加されるオゾン濃度は 0.5 mg/L です。微細凝集オゾン膜濾過方式を採用しており、30分ごとに気水逆洗を行っています。各サイクルが完了すると、次のラウンドに進むためにケミカルメンテナンス洗浄が実行されます。連続 3 ラウンドのテストが実施されます。 3 回のテスト中、原水の水温には大きな差がありました。 1ラウンド目の水温は(18.75±1.05)度、2ラウンド目の水温は(11.05±0.25)度、3ラウンド目の水温は(8.05±0.45度)でした。 ）度（最終日の水温の急激な上昇は含まれていません）。 pH は (8.20 ± 0.14) で非常に安定しています。原水の濁度は大きく変動します。最初のテストでは、原水の濁度は (82.2 ± 8.8) NTU でした。 2 回目の実験における原水の濁度は (119.35 ± 10.65) NTU でした。 3 回目の実験における原水の濁度は (119.35 ± 10.65) NTU でした。 3 回のテストで生成された水の濁度は 0.05 NTU 未満でした。 1 回目、2 回目、および 3 回目の試験の初期膜間差圧は、それぞれ 4.5、10.08、および 12.88 kPa でした。試験は7日目、6日目、7日目まで実施され、膜間差圧は約35 kPaまで上昇し、サイクル試験は終了した。
実験結果は、原水の濁度は大きく変化しますが、平らなセラミック膜と結合したオゾンプロセスは、100 LHMの流束で化学的メンテナンス洗浄なしで、良好な動作安定性で6-7日間連続動作できることを示しています。また、本サイクル実験では、原水の濁度が 2.4.1 節の日常原水に比べて著しく高かったが、連続運転サイクルには影響がなかったことから、セラミック膜プロセスが高濁度にも適応できることが示された。条件。原水の切り替え期間が短いため、緊急用原水は標準的ではなく、その後の実験ではさらなる研究のために緊急用原水を入手することができませんでした。 Wang Haoらの研究結果は、オゾンが水中の有機物の性質を変化させ、ゲル層の形成と膜表面への吸着を減少させることを示している。また、オゾンは膜表面に吸着した有機物の接触酸化を促進して脱着させ、膜汚染の軽減に優れた効果を発揮します。
2.5 水質の有効性に関する研究
100 LHMの流束でマイクロフロック膜ろ過浄水プロセスを使用すると、セラミック膜は濁度を{{10}}未満に制御できます。0 5 NTU、生成水の濁度は安定しており、1 未満という新しい国家基準の要件を満たしています。0 NTU; CODMn の除去率は 49.9% であり、生成水中の安定した CODMn は新しい国家基準の要件である 3 mg/L 未満を満たしています。鉄イオンの除去率は94.8%で、生成水中の鉄イオンの安定性は新しい国家基準の要件である{{20}}.3 mg/L未満を満たしています。アルミニウムイオンの除去率は89.8%であり、生成水中のアルミニウムイオンの安定性は、新しい国家基準の要件である0.2 mg/L未満;を満たしています。原水中のマンガンイオン含有量は比較的低く、新しい国家基準の要件である 0.1 mg/L 未満を満たしています。セラミック膜プロセスにより、原水中のマンガンイオン含有量を 0.006 mg/L から 0.002 mg/L にさらに減らすことができます。セラミック膜によるCODMn除去プロセスの短縮では、セラミック膜は可溶性CODMnを直接除去することはできませんが、微粒子や懸濁物質、コロイドを遮断することで、微粒子に吸着・担持されたCODMnを相乗的に除去することができます。したがって、凝固剤の添加は重要なステップであり、有機物の除去、フミン酸とフルボ酸の削減、膜の汚れの削減、逆洗効率の向上というプロセスの能力を大幅に向上させることができます。この実験における CODMn の除去率は 49.9% でしたが、これは 0.08-0.45 μ m の小さな粒子を除去するセラミック膜の能力にも関連している可能性があります (CODMn の検出は 0.45 μ m のフィルター膜を使用して実行されました)。前処理、実験的なセラミック膜の細孔サイズは 0.{30}}.12 μ m) でした。
経済計算
経済的利益は膜用途において常に避けられない重要な問題であり、膜システムのコスト分析には主に膜の償却費、電力費、薬剤消費量、人件費、その他の経費が含まれます。主にセラミック平膜と浸漬有機膜で構成され、運転期間20年の規模100,000m 3/日の限外濾過膜ワークショップの単一プロセスのフルライフサイクルコスト分析を実施する予定です。限外濾過膜ワークショップには、膜コンポーネント、膜タンク土木工学、配電自動化、化学物質投与システム、水フラッシングおよびエアフラッシングシステム、排水タンク、回収タンクが含まれており、そのすべてで 12 個のグリッド膜タンクが使用されます。平らなセラミック膜の購入コストは 700 元/m ²、膜流束は 80-100 LMH (計算された流束は小さい方の値)、寿命は 20 年と計算されます。浸漬型有機限外濾過膜の購入コストは 150 元/m ²、ユニバーサル膜流束 25-30 LMH (計算流束は小さい方の値)、耐用年数 8 年と計算されます。
結果は、浸漬技術を使用した場合、セラミック膜の寿命が有機膜の寿命の 2-3 倍であることを示しています。主なプロセスとして平らなセラミック膜を使用する膜ワークショップの建設への総投資は浸漬有機膜よりも 15% 高くなりますが、セラミック膜の 1 トン当たりの総水処理コストは実際に有機膜と比較して 6% 削減されます。 20-年の運用期間。したがって、セラミック膜技術は、高スループットの安定した動作条件下では経済的です。セラミック平膜の競争力をさらに高めるためには、以下のような対策が考えられます。 ① 膜構成要素の構造設計を最適化し、充填密度を向上させることで、土地の節約だけでなく、薬品の使用量も削減します。 ② セラミック膜作製プロセスの開発により、通常のフラッシングや薬液洗浄の頻度を維持したまま、膜流束を増加させることが可能 セラミック膜の幅広い入水水質を活かし、プロセスフローを短縮するショートプロセス技術を採用水生植物の。
この実験で探求されたエンジニアリングの経験
（１）冬期は、プール本体の逆洗が完了した後、プール本体を空にする。元々水に浸されていた膜は冷気と直接接触するため、温度差が大きいと膜システムの接続が不安定になる場合があります。膜コンポーネントには、温度差の弱点に対する対応する制御手段が必要です。
(2) 運転中の真空度を安定に保つことがシステムの安定運転の鍵となります。真空が損傷し、パイプライン内にガスが蓄積すると、次のような複数の危険が発生する可能性があります。① 吸引ポンプのキャビテーションが発生しやすくなります。 ② 逆洗時の膜細孔のガス閉塞。 ③ 運転中の膜間差圧データの測定が不正確であると、逆洗や停止制御信号の乱れにつながります。
(3) 膜コンポーネントの構造設計は、セラミック膜の充填密度を向上させ、濾過性能を高める上で重要な役割を果たします。たとえば、曝気設計と膜配置は、システムの安定した動作に優れた相乗効果をもたらします。
(4) 浸漬セラミック膜槽の運転中は、特に夏場の藻発生期には遮光に注意してください。
結論と展望
(1) 長江原水を処理するために、60 m 3/d 規模の微細凝集平らセラミック膜の短プロセス浄水装置が使用されます。 100 LHM の高スループット条件下で安定して動作し、メンテナンス洗浄サイクルは約 5-7 日です。膜間差圧の終点は35 kPa以内に制御可能です。オゾンプロセスと組み合わせたセラミック膜を使用すると、太湖湖流域のJ貯水池の原水を、100 LHMのフラックス下で化学メンテナンス洗浄なしで6-7日間処理できます。研究によると、セラミック平膜は長江の原水と太湖流域の貯水池に適応でき、原水の濁度の変動は膜の安定した動作にほとんど影響を与えません。
(2) 微細凝集セラミック平膜は排水の濁度を 0.05 NTU 以下に制御でき、CODMn、鉄イオン、アルミニウムイオンの除去率はそれぞれ 49.9%、94.8%、89.8% です。これらの排水指標は、排水に関する新しい国家基準の要件を直接満たしています。
(3) 微細凝集平板セラミック膜の短工程を採用する場合、前処理方法として次亜塩素酸ナトリウムを慎重に選択する必要があります。次亜塩素酸ナトリウムはゲル層の形成を悪化させ、逆洗効果に影響を与える可能性があります。
(4) 6 か月の実験中、水生成の減衰は見られず、水生成は 95% で安定していました。さまざまな原水切り替え条件に適応し、優れた排水水質を実現し、都市工学におけるセラミック膜の大規模応用を技術サポートします。
(5) 20-年をサイクルとして、ハイスループット平坦セラミック膜の1トンあたりの水処理総コストは、浸漬有機膜よりも実際に6％低く、経済的です。
大規模な都市飲料水市場におけるセラミック膜技術の応用には、次の重要な見通しがあります。
(1) セラミック膜の特性を踏まえ、ライフサイクル全体の経済性を高めるハイスループットセラミック膜に適したショートプロセス技術を探索する。
(2) セラミック膜の性能向上、積載方法の最適化により単位部品積載量の処理能力を向上させ、陸上の強化を実現します。
(3) 前処理およびフラッシングパラメータの最適化、適切な細孔サイズの選択、膜表面の平滑性、親水性の改善、およびセラミック膜の汚れを軽減し、操作の困難さを軽減するその他の方法。
(4) 国内セラミック膜給水技術基準及び維持管理計画に関する専門的調査を実施する。