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超滤膜在制酒原水制备中的应用
 
慧聪网   2005年1月14日14时19分      

    提要:超滤膜可去除溶液中的大分子、胶体、蛋白质、微粒等,具有使用压力低、产水量大、便于操作的特点。通过测试中空纤维超滤膜装置深度净化制酒原水的处理效果,证明超滤膜净水装置能有效地消除水在管网中的二次污染,进一步提高水质。

    本研究将中型超滤膜组件应用于微型啤酒生产车间,通过检测膜装置的处理性能,表明采用超滤膜深度净化制酒原水,能够有效地降低水中多种污染物浓度,消除管网造成的二次污染,完全可以满足制酒工艺所需优质原水的要求。同时,膜装置与原有废弃设备相比,具有占地面积小,节省人力、电耗及操作简便等优点。

1制备制酒原水膜处理方案的提出

1.1生产车间原有砂滤工艺运行情况

安装膜处理装置之前,该微型啤酒公司曾采用直径为1m的金属砂滤罐对管网终端出水进行深度净化。但运行时出现如下问题:

(1)因只采用简易砂滤工艺,出水未经消毒,细菌含量超标。

(2)反冲洗耗水量较大,在一定程度上增加了制酒成本。

(3)随着运行时间的加长,金属罐产生了较严重的腐蚀现象,出水中铁、细菌含量严重超标。砂滤罐不仅没有起到净化作用,反而成了污染源。

(4)金属砂滤罐直径、重量较大,占地面积大,不便于检修。

上述运行中出现的问题说明,简易过滤装置不能有效地改善制酒原水水质。

1.2原水水质

原水取自啤酒生产车间供水管道中,水质分析结果如表1所示。

表1 原水水质

指标编号水质指标含量备注
1色度25度超标
2浊度3度
3pH6.54
4总硬度67.07mg/L
52.0μg/L
60.05mg/L
71.0mg/L超标
840μg/L
9高锰酸钾指数1.64mg/L
10硝酸盐2.88mg/L
11大肠菌群1个/L
12细菌总数170个/mL~180个/mL超标
13臭和味无异味
14肉眼可见物
15未检出



    由水质分析结果看出,原水色度及细菌、铁等含量明显超标,表明原水在管网中受到了二次污染。但微型啤酒制酒工艺要求有优质原水,若直接用该水作为制酒原水显然是不合格的。

    经过对原有工艺运行情况及中空纤维超滤膜性能的考察,我们决定废弃原有砂滤工艺,安装中空纤维超滤膜组件以解决上述问题。

2超滤膜工艺的设计

    在啤酒生产车间安装的膜净化装置工艺流程如图1所示。


图1净化装置流程

2.1净化装置

    净化装置工艺由两级过滤组成。一级精密过滤器为纤维绕线滤芯预滤(2套),目的在于去除较大颗粒悬浮物,满足膜过滤进水要求,保护中空纤维超滤膜组件,延长膜寿命;二级过滤为中空纤维超滤膜组件(2套),目的在于去除一般过滤器难以去除的大分子物质及细菌。在整个工艺中,超滤为主体工艺,大部分难以去除的大分子物质、细菌及大肠杆菌可通过超滤膜的截留去除。

在本装置中,中空纤维超滤膜组件的主要性能如下:

使用条件:pH=1~4;
操作压力:0.1MPa~0.5MPa;
温度≤60℃;
对进水水质要求:
浊度<5度,颗粒<10μm;
浓度<10%;
膜面积:2m2
膜几何尺寸:外径1.0mm,内径0.7mm;
分离组分直径:0.005μm~10μm;
切割分子量:30000。

一级过滤介质为聚丙烯纤维绕线滤芯,过滤精度介于砂滤与膜滤之间,微孔直径在 0.5μm~120μm范围之间,可去除水中较大颗粒的悬浮物。聚丙烯纤维绕线滤芯有以下特点:

(1)滤芯孔径均匀,过滤效果好,过滤精度高;

(2)过滤阻力小,通量大,截污能力强,使用寿命长;

(3)滤芯材料不容易发生物理化学反应,对过滤液无污染;

(4)滤芯强度大,不易变形;

(5)所需操作压力低,易于清洗,更换方便。

超滤膜为醋酸纤维素中空纤维超滤膜,膜孔径为5nm~0.1μm。原料液在压力的作用下流经膜表面,溶剂及小分子溶质透过膜,一般称滤液,大分子物质被截留,料液逐渐被浓缩而后以浓缩液排出。

超滤膜具有如下特点:

(1)超滤膜材料耐腐蚀,且无毒无害;

(2)超滤所分离的组分直径为0.005μm~10μm,分离溶液的渗透压很小,可以忽略。因而采用的操作压力较小,一般为0.1MPa~0.5MPa;

(3)截留率大于96%,处理效果好;

(4)由于超滤操作压力小,所以一般靠自来水压便可驱动,不需额外的加压设备,因此能耗低;

(5)设备投资少,操作简便,使用寿命可达2年。

2.2装置操作

装置操作分为过滤操作和反冲洗操作。

过滤操作时,原水在精密过滤器中,由外向内通过滤芯进行过滤、净化,一级过滤出水进入超滤器的纤维束中,水由内向外进行过滤、分离、浓缩;超滤水汇集于贮水箱中备用,浓缩水排出,实现二级过滤、分离、浓缩、净化。两级过滤均以自来水压为动力。

反冲洗分为精密过滤器的反冲洗和超滤器的反冲洗,冲洗应分别进行,反冲洗周期根据水质和使用情况酌情而定,当过滤出水量明显减少时,应进行反冲洗,一般每次工作后进行一次冲洗或工作6h~8h时冲洗一次。精密过滤器冲洗时,冲洗液由内向外对滤芯进行冲洗;超滤膜反冲洗时,冲洗液在超滤器内分别由下向上和由上向下对膜内壁进行冲洗,冲洗液必须用超滤水,并用管道泵加压,冲洗压力保持在0.1MPa~0.2MPa,若压力过大可通过关小冲洗液入口阀门来控制。

3装置性能测试

3.1膜通量的确定

膜透水通量和截留分子量是表示膜分离特性的两个最基本最重要的参数。用于制酒车间的超滤膜的截留分子量为30000,其透水通量则要在原水水质条件下,根据通量随压力的变化情况而定。在一个运行周期的开始,通过改变进水阀门开启度调压的方法,测定了通量随压力的变化情况。实测结果如表2、图2。

表2膜通量随压力变化测试数据

数据组编号12345
操作压力(MPa)0.10.20.30.40.5
膜通量(L/(m2·h)27.241.5100.0138.0150.2


图2膜通量随操作压力变化曲线

测定结果表明,当压力增大到0.4MPa~0.5MPa以上时,膜通量的增加呈不明显趋势。因此,确定膜在0.5MPa的操作压力下的最大透水通量为150L/(m2·h),此时膜装置的最大处理水量为7.2m3/d,完全可以满足制酒车间的水量要求。根据测定结果,超滤膜的操作压力较反渗透低。从表面上看,超滤同反渗透相似,也是一种借助于外加压力利用半透膜实现的分离过程,只是所需压力要低得多。实际上,它的作用实质与反渗透是不相同的。超滤过程本质上是一种机械筛滤过程,膜表面孔隙的大小是最主要的控制因素。超滤膜的孔径最细可为20A~30A(1A=10-10m),粗孔则可达到1μm以上。在压力作用下,溶液透过膜时,并不存在反方向的渗透过程和渗透压,所以施加的外压较低,一般在0.7MPa以下。

3.2装置净化性能

在上述原水水质下及0.5MPa操作压力下,净化水的水质如表3所示。

表3净化水水质


指标编号水质指标含量备注
1色度3倍原水超标
2浊度0.8度 
3pH6.54 
4总硬度64.06mg/L 
52.0μg/L 
60.04mg/L 
70.15mg/L原水超标
85.0μg/L 
9高锰酸钾指数1.48mg/L 
10硝酸盐2.63mg/L 
11大肠菌群 
12细菌总数60个/mL~70个/mL原水超标
13臭和味无异味 
14肉眼可见物 
15未检出 

从装置的净化效果看,在保持最大膜通量的运行条件下,通过滤芯及超滤膜的过滤截留,有效地降低了水中的铁、锰、色度、浊度、细菌含量,并完全除掉了水中易致病的大肠杆菌。超滤膜对这些物质的去除主要包括如下3个方面:(1)在膜面及微孔内吸咐(一次吸附);(2)在孔中停留而被去除(阻塞);(3)在膜面的机械截留(筛分)。

超滤膜对铁离子的去除主要是膜的一次吸附作用,水中以氢氧化铁絮凝体形式存在的铁则是通过膜的阻塞和筛分作用去除的,同时氢氧化铁絮凝体在水中等电点为6.7,在水中呈电负性,能吸附水中Mn2+等正离子。因此,水中以离子形式存在并难以氧化的Mn2+的去除,是基于膜的一次吸附及氢氧化铁絮凝体的吸附作用。膜对色度、浊度、细菌的去除主要是膜的截留和吸附作用。通过超滤膜过滤,降低了水中污染物质的含量,满足了制酒工艺所需优质原水的要求。

4膜装置运行中存在的问题及解决方法

4.1膜阻塞问题

在一个运行周期内,随着运行时间的加长,由于膜面及膜孔的吸附和截留作用,超滤膜逐渐被堵塞,通水量减少。膜面及膜孔吸附和截留的物质主要为细菌、有机及无机悬浮颗粒、铁氧化物和铁氢氧化物 等。在对膜装置的冲洗过程中,首先采用了逆向水力冲洗的方法,以冲掉膜面附着物质。

装置每日大约运行5h~6h,在最大操作压力0.5MPa及如上所述水质条件下运行大约1周,膜通水量降至最大通水量的60%左右,以此作为膜装置的冲洗周期。在运行过程中还发现,膜装置运行大约1个月后,由于铁氧化物及细菌堵塞膜孔,有时尽管采用了逆向水力冲洗的方法,依然不能最大程度地恢复膜通量,这时对膜装置用1%~2%H2O2溶液浸泡,消毒灭菌;用0.5%草酸溶液浸泡,清洗金属离子氧化物及其氢氧化物、无机盐凝胶层。

4.2膜的寿命

膜的寿命是根据生产厂家提出的膜在正常使用条件下可以保证使用的最短时间,一般在规定的料液和压力下,在pH允许的范围内,温度不超过60℃时,超滤膜可使用12~24个月,当然超过规定的条件时,会使膜的寿命缩短。

 
作者:薛罡、赵洪宾、魏希柱、李向红 
 
 
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