本文關(guān)鍵詞： 低壓膜 水處理 混合顆粒污染 流體剪切力 顆粒遷移 剪切力分布　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：低壓膜分離技術(shù),微濾(MF)和超濾(UF),已廣泛用于城市給水、城市污水和工業(yè)廢水等處理領(lǐng)域,但膜污染仍然是限制低壓膜技術(shù)應(yīng)用的主要因素。水力作用是減緩膜污染的一種有效途徑,其本質(zhì)是流體剪切力改變作用在顆粒上的返混力(F1),從而對膜表面污染物的遷移產(chǎn)生影響。在水處理領(lǐng)域,膜過濾的物質(zhì)通常是由無機顆粒物和有機物組成的混合顆粒體系,這些混合顆粒會在膜表面形成混合顆粒污染,同時膜表面流體剪切力的復(fù)雜性也加劇了混合顆粒污染形成的多樣性。本文采用計算流體力學(xué)方法計算膜表面流體剪切力,并結(jié)合其分析膜表面混合顆粒污染控制情況,考察流體剪切力對不同物化特性、不同運動狀態(tài)、不同粒徑組成的顆粒物形成混合顆粒污染的影響,最后綜合分析流體剪切力分布在實際應(yīng)用中對混合顆粒污染控制的影響。通過改變無機顆粒和腐殖酸的質(zhì)量比例形成不同組成的混合顆粒,考察了攪拌方式產(chǎn)生的流體剪切力對不同組成的混合顆粒導(dǎo)致的膜污染的影響。采用流體力學(xué)測定方法實時原位監(jiān)測濾餅成長的厚度,表征不同顆粒組成情況下濾餅結(jié)構(gòu)差異,分析了流體剪切力與不同組成的顆粒物形成的混合膜污染的關(guān)系。結(jié)果表明,當(dāng)無機懸浮顆粒和腐殖酸的質(zhì)量比例較低時,腐殖酸在改變顆粒表面電性的同時填充了顆粒間的空隙,形成了更加密實的濾餅,導(dǎo)致膜表面混合顆粒污染加重。在低通量下,流體剪切力明顯減緩混合顆粒污染,主要原因是返混力相對于拖曳力更大,此時增加膜表面流體剪切力(0.630 Pa-3.305 Pa)可導(dǎo)致膜污染明顯下降;但較大通量時,影響并不明顯。當(dāng)無機顆粒和腐殖酸的質(zhì)量比例較低時,顆粒間相互作用較弱,流體剪切力對混合顆粒污染的減緩作用明顯;當(dāng)增加無機顆粒物質(zhì)量濃度時,流體剪切力不足以克服混合顆粒間的作用,容易形成濾餅。通過泡狀流產(chǎn)生的流體剪切力對混合顆粒引起的膜污染進行控制,其中顆粒受力模型用于量化認(rèn)識膜表面顆粒在不同運動狀態(tài)時的受力狀況,衡量流體剪切力對“流動顆粒”和“沉積顆�！钡淖饔媚芰Α＝Y(jié)果表明,泡狀流能夠有效地減緩膜污染,當(dāng)曝氣強度增大(0-3.2 L/min)時,膜表面平均剪切力隨著增大(0.505-2.110 Pa),對應(yīng)的膜污染速率下降。值得指出的是,較小的“流動顆�！币子谠跒V餅層上沉積形成“沉積顆粒”,且顆粒沉積臨界直徑隨著膜表面平均剪切力的增加而逐漸減小(dc)(2.295-0.785μm)。此外,“沉積顆�！辈荒鼙挥邢薜牧黧w剪切力擦洗去除,因為在有限粒徑范圍內(nèi),總靜電力Fe遠(yuǎn)大于返混力Fl。通過錯流方式在膜表面產(chǎn)生分布較為均勻的流體剪切力,研究了流體剪切力對混合顆粒物篩選作用與膜表面混合顆粒污染程度的關(guān)系。結(jié)果表明,膜表面流體剪切力峰值(0.95 Pa-5.17 Pa)和平均剪切力(0.267 Pa-1.873 Pa)均隨平均錯流速度的增加(0.05 m/s-0.30 m/s)而增大。短期過濾混合顆粒物形成混合顆粒污染時,存在流體剪切力篩選顆粒物的現(xiàn)象。相對于原液中顆粒的體積分?jǐn)?shù),濾餅中較小顆粒(2-10μm)的體積分?jǐn)?shù)大,而過濾后原液中較大顆粒的體積分?jǐn)?shù)大。在較低流體剪切力范圍內(nèi),增加流體剪切力能減緩混合顆粒物污染;在較高流體剪切力范圍內(nèi),增加流體剪切力會加劇混合顆粒污染,主要原因是較大流體剪切力增加了較小顆粒在膜表面沉積的幾率,同時增加了較大顆粒遷移至本體料液中的幾率,導(dǎo)致濾餅密實,混合顆粒污染加重。在上述研究的基礎(chǔ)上,通過不同形式的兩相流(泡狀流和彈狀流)產(chǎn)生的膜表面分布差異較大的流體剪切力,去除進水中不同特性的顆粒在膜表面形成的混合顆粒污染,探究混凝-微濾過程中流體剪切力分布對混合顆粒污染去除的影響。結(jié)果表明,顆粒特性對其形成的濾餅的水力阻力和機械特性的影響均非常大。比較原水中顆粒形成的濾餅和混凝后絮體形成的濾餅,前者的水力阻力遠(yuǎn)大于后者的水力阻力。而相比于對原水中顆粒形成的濾餅的去除能力,泡狀流和彈狀流均對混凝預(yù)處理后顆粒形成的濾餅有更加明顯的去除潛能,主要因為流體剪切力高于絮體形成濾餅的屈服應(yīng)力,而低于原水中混合顆粒形成濾餅的屈服應(yīng)力。當(dāng)曝氣量相同時,泡狀流和彈狀流產(chǎn)生的剪切力峰值,均隨膜池料液的水力運動粘滯系數(shù)的增大而增大,彈狀流產(chǎn)生的剪切力峰值(15 Pa)遠(yuǎn)大于泡狀流產(chǎn)生的剪切力峰值(1.4 Pa)。然而,泡狀流能增加膜表面剪切力分布的均勻性,有利于去除膜表面整個區(qū)域的絮體顆粒物,而彈狀流在膜表面一些區(qū)域產(chǎn)生的剪切力數(shù)值太低,導(dǎo)致顆粒在對應(yīng)區(qū)域沉積。可見,當(dāng)考慮曝氣量時,泡狀流是一種有效的去除膜表面絮體顆粒物的流態(tài)。
[Abstract]:In the field of water treatment , the influence of fluid shear force on the contamination of mixed particles is discussed . The effect of fluid shear force on the particle contamination of mixed particles is investigated . The results show that the shear force of the fluid increases with the increase of the average cross - flow velocity ( 0 . 05 m / s - 0.30 m / s ) . however , that bubble flow can increase the uniformity of the shear force distribution on the surface of the membrane , facilitate the removal of the floc particles on the whole area of the membrane surface , and the shear force generated by the elastic flow in some areas of the membrane surface is too low to cause the particles to deposit in the corresponding area .

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：X703;TU991.2
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本文編號：1465429