Fe2+和PMS同步混凝氧化預處理對超濾凈化排泥水的影響

范金輝，周衛東，楊協棟，林 濤

(1.河海大學環境學院，江蘇 南京 210098； 2.南京水務集團有限公司，江蘇 南京 210002)

1 試驗材料與方法

1.1 排泥水

試驗用水來自江蘇某自來水廠沉淀池排泥水，排泥水和原水的主要水質指標如表1所示，可以看出，相比于原水，排泥水具有更高的濁度和有機物質量濃度。

表1 排泥水與原水主要水質指標對比

1.2 試驗用超濾膜

以聚偏氟乙烯(PVDF)中空纖維膜作為試驗用的超濾膜，其基本參數如下：截留相對分子質量 50 000，內徑1.0 mm，外徑2.0 mm，膜孔徑0.02 μm，工作形式為外壓式。PVDF膜相比于其他常用膜材料，具有更好的抗污染性能和機械強度，并且更耐化學腐蝕[18]，因此適宜處理水質特性更差的排泥水。

1.3 試驗方法

試驗采用浸沒式超濾方式進行，相比于其他過濾方式，其能耗更低。將準備好的Fe2+和PMS混合液加入排泥水水樣中，攪拌器充分攪拌后沉淀 10 min 取上清液進行超濾試驗。超濾試驗在恒定通量20 L/(m2·h)下運行，運行周期60 min。超濾系統運行過程中，跨膜壓差由無紙記錄儀實時記錄。不同試驗方案下Fe2+和PMS的投加量如表2所示。

表2 Fe2+和PMS的投加量

表3 不同試驗方案下排泥水水質變化

2 結果與討論

2.1 Fe2+和PMS的投加量對超濾回收排泥水的影響

2.1.1對排泥水的凈化效果

Fe2+與PMS的投加量對Fe2+/PMS預處理的混凝和氧化效果有很大的影響。表3顯示了不同投加量下，Fe2+/PMS預處理對排泥水的凈化效果。可以看出，Fe2+/PMS預處理能夠有效地去除排泥水中的顆粒物、微生物和有機物。隨著Fe2+投加量的增大，處理后的排泥水濁度逐漸降低，TOC質量濃度相應由13.55 mg/L降至3.67 mg/L，原因可能是原位生成的Fe3+的混凝作用對排泥水中顆粒物的去除。對比方案3、4、5可見，增大Fe2+的投加量顯著提高了對DOC的去除效果，而增大PMS投加量對DOC去除效果不明顯，說明DOC的去除主要依靠混凝作用，這與Sadrnourmohamadi等[19]的研究結果一致。UV254的去除性能不同于DOC，UV254主要代表含有不飽和鍵或芳香族發色團的有機物，它們更容易受到氧化劑的攻擊，并首先受到自由基的攻擊[20-21]，因此，增大PMS的濃度可以提高對UV254的去除效果。整體而言，Fe2+/PMS預處理去除UV254效果比DOC更好，這表明Fe2+/PMS預處理后比紫外線吸收率(即紫外線吸收率除以DOC質量濃度)降低，親水反應產物增加[15]。

表4 不同試驗方案下Fe2+/PMS預處理對三氯甲烷生成勢和嗅味物質去除效果

2.1.2對超濾膜污染的影響

圖1 不同試驗方案下Fe2+/PMS預處理對跨膜壓差的影響

2.2 Fe2+/PMS-UF工藝對排泥水的凈化作用

選定Fe2+和PMS投加量均為0.15 mmol/L(方案6)來研究Fe2+/PMS-UF工藝對排泥水的凈化效果。

2.2.1對顆粒物的凈化效果

從表5可以看出，Fe2+和PMS投加后對排泥水中的顆粒物去除效果良好，這主要歸功于原位生成的Fe3+起到良好的混凝作用。各區間內的顆粒物都被極大幅度削減，因此減少了顆粒物和有機物之間的組合污染，提高了凈水效率。

表5 Fe2+/PMS-UF工藝對顆粒物的去除效果

2.2.2對微生物的凈化效果

2.2.3對有機物的凈化效果

表6 Fe2+/PMS-UF工藝對微生物的去除效果

Fe2+/PMS預處理對排泥水中強疏水性組分去除率約為64%，弱疏水性組分去除率約為61%，親水性組分去除率約為35.7%。可以看出，排泥水中有機物疏水性組分(強疏水性和弱疏水性)略大于親水性組分，經過Fe2+/PMS預處理后，有機物親疏水性組分發生明顯變化，親水性組分占比明顯升高。這是因為親水性有機物可以相對輕松地通過超濾膜，而疏水性有機物更容易被截留在膜表面或膜孔中。因此，經過Fe2+/PMS預處理后，排泥水中有機物疏水性組分的降低有利于減輕膜污染。

整體而言，Fe2+/PMS預處理對排泥水中的有機物有著良好的去除效果，尤其是對大分子和疏水性組分的有機物，這很大程度上緩解了排泥水對超濾膜造成的有機污染。

2.3 超濾膜污染掃描電鏡微觀表征

圖2為裸膜和有無Fe2+/PMS預處理的超濾膜掃描電鏡圖。可以看出，排泥水經過Fe2+/PMS預處理后再進行超濾的膜表面相對光滑，而直接超濾的膜表面污染嚴重，濾餅層較為粗糙。這主要是由于Fe2+/PMS預處理減少了膜表面的顆粒污染和有機結垢，同時預防了細菌滋生造成的生物污染。

3 結 論

a. Fe2+/PMS-UF工藝可以有效去除排泥水中的顆粒物、微生物和有機物。

b. 當Fe2+和PMS投加量均為0.15 mmol/L時，系統出水的三氯甲烷和嗅味物質含量均低于GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》限值。

c. 經Fe2+/PMS預處理后，超濾膜污染得到了有效緩解。

表7 Fe2+/PMS-UF工藝對有機物的去除效果

(a) UF工藝處理