張建輝,崔俊華,井天曉,梁衡,李圭白

(1.河北工程大學城市建設學院,邯鄲056038;2.華北電力大學能源與動力工程學院,河北保定071000;3.哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院,黑龍江哈爾濱150090;)

超濾(ultra-filtration,UF)和微濾(micro filtration,MF)被認為是代替?zhèn)鹘y(tǒng)飲用水處理工藝的最佳選擇[1-3]。但是由于UF膜有較大的截留分子量,所以不能有效去除色度、NOM(特別是低分子腐殖酸)和人工合成有機物等[4]。為了提高UF對這些物質的去除能力,可將UF與粉末活性炭(powdered activated carbon,PAC)聯(lián)用。有研究表明PAC-UF是非常有效的水處理工藝[5-7]。

本試驗研究粉末活性炭-淹沒式中空纖維膜過濾裝置聯(lián)用對東莞市東江水務集團第二水廠沉淀池出水的處理,探討不同濃度的PAC投加量對出水水質及膜污染的影響,并確定PAC的最優(yōu)投量。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置和膜組件

本試驗裝置如圖1所示。該裝置共有2組并行,運行過程由可編程控制器(programmerable logic controller,PLC)全程控制。試驗用超濾膜采用海南立升凈水科技實業(yè)有限公司提供的外壓式中空纖維超濾膜,膜組件自行制作,膜面積0.05m2。超濾膜主要工藝參數(shù)如表1所示。以浮球閥穩(wěn)定膜池液面,過濾方式為終端過濾,過濾通量恒定為30 L/(m2?h),原水在膜池中的停留時間為20min。超濾以抽吸泵抽吸作為過濾動力,出水端的壓力通過壓力傳感器采集并反饋回PLC記錄。通過調整抽吸泵反轉進行水洗,使用鼓風機曝氣進行氣洗。

表1 外壓式膜組件主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of submerged outside-inside membrane module

試驗中反洗周期為1h,反沖洗時間為1min,反洗水量為60L/(m2?h),空氣泵連續(xù)向反應器內曝氣,曝氣量為0.8L/min。PAC手動投加,投加量分別為0、10、20和40mg/L,每12h投加一次。

1.2 原水水質特點

本試驗原水為東莞市東江水務集團第二水廠沉淀池出水。原水主要水質指標見表2。

表2 原水主要水質指標Tab.2 Main water quality parameters of raw water

1.3 水質指標分析方法

濁度采用HACH-2100N濁度儀測定;溫度用酒精溫度計測定;CODMn采用酸性高錳酸鉀法測定;UV254采用上海精科754N型紫外可見分光光度計測定。

2 污染物去除效果分析

2.1 濁度

圖2為UF和PAC-UF的出水濁度對比,圖3為不同PAC投加量下濁度的去除率。從圖2中可以看出,不論投加PAC與否,出水濁度一直穩(wěn)定在0.10NTU以下,不受進水濁度的影響。綜合圖2和圖3中可以看出,UF膜對濁度的平均去除率是84.38%,PAC-UF組合工藝對濁度的平均去除率是80.04%,去除效果并沒有明顯變化。這說明沉淀池出水中產生濁度的顆粒粒徑大于膜孔孔徑,大部分可以通過膜的截留作用加以去除,也說明UF膜本身對濁度就具有良好的去除效果,投加PAC并未明顯提高UF膜對顆粒的去除效率。

2.2 有機物

有機污染物是飲用水中一項重要指標,是造成膜污染的重要因素,考察PAC對有機物的去除效果可更深入了解PAC對膜污染的影響機理[8]。UV254是指在波長254nm處單位比色皿光程下的紫外吸光度。芳香族化合物或具有共軛雙鍵的化合物在紫外區(qū)具有吸收峰。UV254可作為TOC及三鹵甲烷前體物的替代參數(shù)[9-10]。

本試驗每天2次測定原水和膜出水CODMn和UV254,其結果如圖4和圖5所示。其中圖4為不同PAC投加量下UF對CODMn的去除效果,圖5為不同PAC投加量下UF對UV254的去除效果。

從圖4和圖5可以看出,隨著PAC濃度的提高,PAC-UF組合工藝對CODMn和UV254的去除率也在逐步提高。在圖4中,不投加PAC時,UF膜對CODMn的去除率均在30%以下,隨著投加的PAC濃度提高,CODMn的去除率也在逐步提高,當投加的PAC濃度為40mg/L時,CODMn去除率基本在50%以上,如果不考慮PAC和UF之間的協(xié)同作用,那么可認為增加的去除率是由PAC吸附去除的。在圖5中,UV254的去除率隨PAC濃度的變化更加明顯,在不投加PAC時,UF膜對UV254的平均去除率僅為16.07%,當PAC投量為40mg/L時, UV254的平均去除率達到71.84%,這可以有效減少后續(xù)消毒過程中消毒副產物的生成。

3 組合工藝對膜污染的影響

3.1 對跨膜壓差的影響

試驗中超濾膜采取恒定通量運行,膜污染狀況可通過跨膜壓差(the transmembrane pressure,TMP)的變化來間接表示[11-12],實驗結果如圖6所示。

從圖6可以看出,相對于PAC投量0mg/L時, PAC投量為10mg/L,TMP增長速度有略微減緩, PAC投量為20 mg/L和40mg/L時,TMP增長速度則大大減緩。其原因可能是：PAC在膜表面形成一層結構疏松的炭膜,這部分炭膜會充當濾餅層的骨架部分;由于結構疏松,使得濾餅層易于被反沖洗去除;且炭膜結構會吸附小分子有機物,減輕了膜孔對有機物的吸附污染,延緩膜污染的進程。

從圖6中還可以看出,PAC投量從20mg/L提升至40mg/L,TMP增長速度變化不大,這說明從TMP增長角度來看,20mg/L已經比較適宜。

3.2 膜清洗效果對比

通常認為膜污染主要由吸附、孔堵、濃差極化、濾餅層的形成和壓縮等4種原因引起[13]。在試驗中,膜清洗分步驟進行,每個清洗步驟都單獨記錄跨膜壓差。過程如下：

1)采用水力反沖洗及曝氣清洗,即系統(tǒng)的自動清洗。此步驟主要去除較疏松的濾餅層[14];

2)采用不同藥劑進行浸泡清洗,藥劑種類依次為pH=12的NaOH溶液,200mg/L的NaClO溶液和pH=2的檸檬酸溶液,浸泡時間均為2h。此步驟主要去除殘余的濾餅層,有機物和無機離子造成的吸附及孔堵污染。

以上每步驟均記錄TMP,實驗結果如圖7所示。

從圖7中可以看出,水洗后TMP平均降低1.6kPa,NaOH清洗后TMP平均降低1.5kPa,NaClO清洗后TMP平均降低7.3kPa,檸檬酸清洗后TMP平均降低0.7kPa。污染后的膜經過NaClO溶液清洗后TMP降低的幅度最大,表明NaClO溶液清洗的效果比NaOH和檸檬酸好。由于NaClO可以氧化降解有機物,而NaOH和檸檬酸對有機物的降解作用并不明顯。所以,造成膜污染的主要物質是水中的有機物。

在不同 PAC投加量下(0、10、20和 40 mg.L-1),水洗、NaOH清洗、檸檬酸清洗造成的TMP下降基本相等,而對于NaClO清洗,TMP的減少量依次為10、8.5、6.5和4kPa。其原因可能是, PAC的投量越大,膜上的有機污染物越少。

從圖7中還可以看出,污染后的膜經過水洗及化學清洗后,TMP基本都可以恢復到初始值18kPa,這說明本實驗所用的立升的PVC膜具有較好的抗污染性能,PAC-UF工藝可以長期穩(wěn)定運行。

4 結論

1)超濾膜本身對濁度具有很好的去除效果,投加粉末活性炭并沒有明顯提高超濾膜對濁度的去除。

2)隨著PAC投加量的增加,超濾膜對UV254和CODMn去除率的效果,以及延緩膜污染的效果也越強。

3)PAC-UF工藝中,膜污染后經過化學藥洗后TMP可以恢復到初始值,NaClO對膜的清洗效果較好。

4)在本試驗的原水條件及運行參數(shù)下,綜合考慮出水水質、膜污染情況及經濟成本,PAC的最優(yōu)投量為20mg/L。

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