粉末活性炭-超濾組合工藝處理沉后水的試驗研究

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.哈爾濱工業大學市政環境工程學院,黑龍江哈爾濱150090;)

超濾(ultra-filtration,UF)和微濾(micro filtration,MF)被認為是代替傳統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如表1所示。以浮球閥穩定膜池液面,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具有吸收峰。UV254可作為TOC及三鹵甲烷前體物的替代參數[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下,綜合考慮出水水質、膜污染情況及經濟成本,PAC的最優投量為20mg/L。

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