正向渗透污泥脱水工艺影响因素及其过程机理研究

Generally speaking, the conventional sludge dewatering methods are low-efficient, high energy-consumption, and expensive to build or to operate. There is urgent need for new sludge dewatering process. In this study, an innovative promising technology - forward osmosis, is proposed for sludge dewatering. In theory, the driving force of forward osmosis process is much higher than that of current mechanical sludge dewatering technologies. Moreover, if taking RO concentrate from seawater desalination plants as the draw solution, the forward osmosis sludge dewatering process needs little energy. There have been no report with the idea similar to our proposal till now, indicating a strong innovation of this study. Firstly a forward osmosis sludge dewatering system will be designed and bulit based upon our early pre-research. And then factors that could influence the performance of the process will be examined and optimized. For major influencing factors, experiments will be conducted to elucidate the mechanisms behind. Also, the overall of the mass transfer resistance is divided into three parts, which are resistance of draw solution, of membrane material, and of dewatered sludge layer. Each part of resistance will be studied specifically and separately.

现有污泥脱水工艺效率低、能耗和费用高，亟待开发新工艺。正向渗透是一项具有低膜污染倾向、低能耗的新工艺，本项目拟将正向渗透工艺应用于污泥脱水，建立污泥脱水新工艺。从理论上分析，将正向渗透工艺应用于污泥脱水的传质驱动力远超过目前常用的机械脱水工艺，文献调研结果显示国内外尚无同类研究，因此本研究具有现实意义和创新性。本研究在前期工作的基础上，优化正向渗透污泥浓缩系统，以相同时间内污泥脱水程度为评价指标对不同类别的要素进行甄别，以确定影响工艺性能的主要因素，并对其分别进行优化，研究其影响规律，获得优化的工艺参数。传质阻力的升高是正向渗透污泥脱水工艺性能下降的根本原因。本研究将从汲取液侧、膜材料、和污泥层三部分解析工艺的整体传质阻力，并着重对污泥层中污泥结构及组成参数、反向传质离子浓度在脱水过程中的微观时空变化进行研究，进而分析各主要因素的作用机理，为进一步研究奠定理论基础。

针对传统污泥浓缩脱水工艺占地大、效率低、或脱水液回流造成系统负荷升高等问题，本青年基金项目将正渗透原理应用于污泥浓缩脱水，建立了高效、低耗、紧凑的污泥脱水新工艺。研究结果显示在一定条件下，正渗透工艺可将污泥脱水至含水率70%左右，证明了该工艺的可行性。但正渗透污泥脱水工艺中实际水通量低于理论值。针对该问题，课题主要研究了工艺要素（汲取液、FO膜、污泥调理方法）对正渗透污泥脱水过程中的传质阻力及传质阻力在污泥层、渗透膜、汲取液层的分布的影响，探讨其影响规律。并对渗透膜支撑层孔道结构对膜传质阻力的影响进行了深入的研究。. 汲取液方面主要研究了膜面流速和汲取液浓度的影响。研究结果显示，汲取液膜面流速达到5.75 cm•s-1后对汲取液侧外浓差极化的影响不再显著。汲取液浓度对外浓差极化和内浓差极化均有显著影响。当汲取液（NaCl溶液）浓度由0.5提高到2.0 mol•L-1之间变化时，PRO模式下的两种FO膜的原料液侧外浓差极化阻力随汲取液浓度提高而均匀增加，内浓差极化则显示为先缓后急的增加。. FO膜方面主要研究了膜朝向（FO模式和PRO模式）及渗透膜支撑层结构对工艺性能的影响。研究结果显示，FO模式下，原料液侧外浓差极化阻力低于PRO模式。其机理主要是因为，较光滑的分离层面向原料液利于反混盐离子的扩散。渗透膜截盐性能优，则原料液侧外浓差极化阻力低。FO模式内浓差极化所致阻力分别高出PRO模式的2倍和5倍。FO模式下，渗透膜厚度高、支撑层裸露且粗糙，则内浓差极化所致阻力高。PRO模式下膜厚度和支撑层的影响较小。. 在FO膜结构对传质阻力影响方面，结果显示，减小TFC FO膜支撑层厚度，提高膜支撑层的亲水性，提高支撑层的孔径以及下表面的开孔率等均可降低膜的ICP，有利于正渗透膜水通量的提高。. 在整体传质阻力分布方面的研究结果显示，脱水污泥层阻力发展迅速，是正渗透污泥脱水过程总阻力的主要部分，其中污泥在膜面处凝胶层阻力的占比依初始污泥厚度不同可以达到30%~60%。初始污泥厚度2cm脱水4h含水率可从99%降低到78%。污泥层阻力的时间增长率随初始污泥厚度的增加而升高，污泥含水率降低至91~92%时有可能使脱水阻力急剧增加。阳离子型聚丙烯酰胺和聚合氯化铝在正渗透污泥脱水中的应用对脱水效果的提升并无助益。