環(huán)保工程水處理過(guò)程中超濾膜技術(shù)運(yùn)用分析

文_李鈺佳 晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司環(huán)保部

超濾技術(shù)可以很好的處理大自然水體中的顆粒狀物體，且對(duì)病毒及細(xì)菌具有較好的祛除效果，而這種技術(shù)的運(yùn)行成本比其他膜技術(shù)低，因此超濾技術(shù)自然成為給排水處理中重要的部分。雖然隨著時(shí)代的發(fā)展，國(guó)內(nèi)許多水處理部門(mén)開(kāi)始采用這種技術(shù)，但該技術(shù)卻存在膜易于被污染且較難恢復(fù)其功能的致命缺點(diǎn)。減少該膜技術(shù)帶來(lái)的污染需要復(fù)雜的清洗方式，同時(shí)可能降低膜的壽命，從而導(dǎo)致成本不斷的提高，這是在發(fā)展中國(guó)家推廣超濾膜技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸。本文使用較為領(lǐng)先的污染表征方法辨別特征有機(jī)膜污染物，為良好減少膜層的污染開(kāi)發(fā)新方法和新技術(shù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

pall聚醚砜平板超濾膜（PES膜）的直徑為76mm，其中截留分子量為100kDa，其中有效過(guò)濾面積41.8cm2，PES超濾膜不具有對(duì)稱性，通過(guò)接觸角測(cè)量，其接觸角在55～60°范圍內(nèi)，是疏水性膜。

sepro聚醚砜平板超濾膜直徑76mm，其中截留分子量為100kDa，其中有效過(guò)濾面積41.8cm2。接觸角為60～70°之間，具有一定的疏水性。Sepro超濾膜主要用來(lái)進(jìn)行模型物的超濾試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)用原水

試驗(yàn)中用到的河水采自某鐵路水源地（A）、湖水采自周?chē)矗˙）和（C）、污水取自污水處理廠二級(jí)出水（D），河流水還用于有機(jī)物分級(jí)試驗(yàn)，其他水源水用于膜污染物識(shí)別試驗(yàn)，試驗(yàn)原水水質(zhì)見(jiàn)表1。原水在進(jìn)行超濾前，用0.45μm有機(jī)濾膜進(jìn)行預(yù)過(guò)濾，以去除大比較大的顆粒和膠凝狀態(tài)物質(zhì)。經(jīng)過(guò)抽濾器預(yù)過(guò)濾后，裝入試劑瓶中放入4℃的冰箱中保存待用，72h內(nèi)可過(guò)濾結(jié)束。儀器設(shè)備需提前采用鉻酸洗液處理。

表1 水源水質(zhì)情況表

1.3 實(shí)驗(yàn)用試劑（見(jiàn)表2）

表2 試驗(yàn)試劑表

1.4 水質(zhì)分析方法

水中濁度使用WGZ-200型濁度儀測(cè)定， UV254采用紫外可見(jiàn)光光度計(jì)測(cè)定。不同水源中有機(jī)物濃度采用TOC分析儀測(cè)定。pH值采用pHS-25CW型pH計(jì)測(cè)定。

2 水處理過(guò)程中超濾膜技術(shù)研究

2.1 不同水源污染物特性分析

處理廠的二級(jí)出水、湖泊和河流內(nèi)的水，這三類(lèi)由于源頭區(qū)別必然導(dǎo)致其中污染源的類(lèi)型及程度不同，因此也會(huì)影響膜污染作用。必須對(duì)熒光性質(zhì)、親疏水程度以及分子量分布情況等逐一研究，同時(shí)分析其在相同濃度下的膜通量下降、污染可逆性和TOC平衡。為了明確污染源中可或不可逆的物質(zhì)，對(duì)每種原水進(jìn)行三種維度的熒光檢測(cè)，識(shí)別每類(lèi)水中的有機(jī)污染物。從表3可以看出，3種天然水源中的溶解性有機(jī)物在小分子區(qū)間（＜5kDa）占比更大，達(dá)到40%以上。而針對(duì)二級(jí)出水，其中大分子有機(jī)物（100kDa-0.45μm）占比最大，接近42%，其他3個(gè)區(qū)間所占比例較小。對(duì)于湖水，大分子有機(jī)物所占比例沒(méi)有二級(jí)出水中大分子有機(jī)物占比更高，但是其占比也較高，實(shí)際接近20%，在所有區(qū)間占比中排第二位。對(duì)于河水，其主要區(qū)間為小分子污染，＜5kDa和5～10kDa所占比例共達(dá)到70%。

表3 不同水源污染物的分子量分布DOC（%）

由于水源中污染物類(lèi)型不一樣，各有機(jī)物的占比也無(wú)法得知，所以不能只以每種水源中有機(jī)物的含量來(lái)說(shuō)明通量下降和可逆性的聯(lián)系。但分析表明，大分子量物質(zhì)對(duì)膜通量下降具有一定的影響，而沉積物主要就是大分子量的有機(jī)物，而濃縮液中有機(jī)物含量升高則對(duì)濃差極化的影響增強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致一定的膜通量下降。

最后，對(duì)各處理后水樣的親疏水性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，二級(jí)出水和河水存在大量的疏水性物質(zhì)，親水性物質(zhì)次之。而湖庫(kù)水源則不同，湖水中親水性物質(zhì)更多。在超濾出水中有機(jī)物的親疏水性分析中發(fā)現(xiàn)水源經(jīng)過(guò)超濾膜過(guò)濾后，親水污染物都有不同比例的下降，而區(qū)域性污染物改變不大，疏水物質(zhì)不降反升。這恰恰說(shuō)明濾膜對(duì)親水物質(zhì)截留能力優(yōu)良。實(shí)際情況中，親水物質(zhì)易溶于水，而反觀疏水物在溶液中更容易轉(zhuǎn)移到水樣的面層，這就導(dǎo)致其易被膜表面吸附，而這次試驗(yàn)中結(jié)果顯示截然相反，考慮分子量分布因素則看出大自然水中有機(jī)物主要分布在小分子及大分子區(qū)間，小分子有機(jī)物對(duì)膜的影響小之又小，而大分子由于一些設(shè)備作用等因素而更加容易被截留，所以自然水域親水性有機(jī)物大部分是大分子量物質(zhì)。

2.2 不同pH和Na+條件對(duì)超濾膜污染控制作用研究

研究顯示，超濾過(guò)程中的膜通量會(huì)因pH變?yōu)閴A性而逐步提高，試劑溶液的pH降低則會(huì)引起下降，pH值為酸性（4）的通量比堿性（9）下降了約10%。結(jié)果分析原因，pH值對(duì)腐殖酸溶液的影響主要是對(duì)超濾膜表面電荷和溶液中分子顆粒表面的電荷產(chǎn)生作用，溶液的pH值的降低會(huì)帶來(lái)超濾膜和腐殖酸分子的質(zhì)子化，因此膜表面負(fù)電荷減少，溶液中腐殖酸分子表面負(fù)電荷也會(huì)隨之降低，物質(zhì)之間的斥力因此也會(huì)改變，腐殖酸分子更加容易沉積膜的表面和內(nèi)部，隨之導(dǎo)致膜通量下降，相反偏堿性的樣品更有利于提高膜通量。

研究鈉離子濃度分別為0mmol、10mmol、50mmol、100 mmol，同時(shí)觀察在不同離子濃度下對(duì)主要污染有機(jī)物引起的超濾膜比通量影響。當(dāng)溶液中加入鈉離子后，超濾膜比通量會(huì)降低，當(dāng)繼續(xù)添加鈉離子后，隨著溶液中離子濃度的增加，腐殖酸和蛋白質(zhì)引起的超濾膜比通量下降速度減小，說(shuō)明在溶液中離子的存在可以減緩腐殖酸和蛋白質(zhì)對(duì)超濾膜的污染，離子濃度越大，效果越明顯。離子強(qiáng)度的增加會(huì)壓縮膜表面的雙電層結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低污染物與膜表面之間的靜電斥力，所以當(dāng)溶液中存在鈉離子時(shí)，膜通量的下降程度會(huì)加重，但是當(dāng)離子濃度繼續(xù)上升后，超濾膜污染不僅沒(méi)有加重，反而通量得到了改善，這說(shuō)明在離子強(qiáng)度增加的過(guò)程中，有其他的作用力超過(guò)了靜電斥力的增加，最近有研究表明，在鈉離子濃度增加以后水合斥力的增強(qiáng)掩蓋了靜電斥力的減弱，這會(huì)導(dǎo)致污染物分子與超濾膜之間的吸附作用減弱，因而通量得以改善。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)河流水中的天然有機(jī)物進(jìn)行分級(jí)，結(jié)果表明，天然水源中大部分的小分子物質(zhì)（＜5kDa，5～10kDa）導(dǎo)致較低的通量下降，小分子物質(zhì)主要是腐殖酸和蛋白質(zhì)類(lèi)物質(zhì)。相對(duì)分子質(zhì)量較大的物質(zhì)（50～100kDa，100kDa-0.45μm）主要是蛋白質(zhì)類(lèi)物質(zhì)，導(dǎo)致較大的通量下降，天然水源中該部分大分子物質(zhì)濃度較低。相關(guān)分析的研究結(jié)果表明，所有的組分中蛋白質(zhì)類(lèi)物質(zhì)都是主要的污染物。膜表面沉積的DOC在形成不可逆超濾膜污染方面起到?jīng)Q定性作用。

當(dāng)pH值弱堿性時(shí)，能夠更好的控制膜污染，改善膜通量，同時(shí)提高對(duì)污染物的截留率。同時(shí)，結(jié)果顯示，不同Na+條件下污染物的去除主要是通過(guò)控制溶液中大分子有機(jī)物的聚合作用實(shí)現(xiàn)的，Na+是通過(guò)降低完全孔堵、中間孔堵和濾餅層機(jī)理實(shí)現(xiàn)污染的減輕。