混凝-超濾去除腐殖酸的試驗(yàn)研究(1)

1、    混凝-超濾去除腐殖酸的試驗(yàn)研究(1)    進(jìn)行了直接超濾和混凝超濾組合工藝對(duì)腐殖酸的去除效果和膜污染狀況的試驗(yàn)。結(jié)果表明，超濾前加混凝預(yù)處理對(duì)腐殖酸的DOC和UV254的去除率分別從28%、40%提高到53%、78%。同時(shí)高效液相色譜(HPLC)分析表明，混凝超濾組合工藝對(duì)分子質(zhì)量6000u的有機(jī)物的去除率提高幅度更為顯著?；炷瑸V組合工藝的最佳pH值條件為pH=7，通過(guò)卷掃混凝使小分子有機(jī)物結(jié)合成微絮體，降低了膜孔污染，使超濾保持了較高的滲透通量。 關(guān)鍵詞：混凝 超濾 卷掃 滲透通量 Experimen

2、tal Study on the Humic Acid Removal by Means ofCoagulation-Ultrafilt rationAbstract：Experiment was made on the humic acid removal and the membrane fouling by means ofultrafiltration with and without coagulation pretreatment.The results show th at use of coagulationahead of ultrafiltration for pretre

3、atment of humic acid results in a rise in removal rate ofDOC and UV254 from 28% and 40 % to 53% and 78% respectively.In the meantime,it is shown by high performance l iquid chromatographic (HPLC) analysis that the coagulation-ultrafiltration proce ss has significant improvement of removal rate of or

4、ganic matters with molecular weight6000u.The optimal pH value for coagulation-ultrafiltration process i s 7,and sweeping coagulation can make small molecular organic matter agglomerate d into microflocs,which results in the reduction of membrane pore fouling and makes the ultrafiltration kept at hig

5、h permeation flux.Keywords:coagulation;ultrafiltration;sweeping;permeation flux為了提高超濾對(duì)水中天然有機(jī)物的去除效果并減輕膜污染，一種可行的方法就是通過(guò)各種預(yù)處理來(lái)改變水中污染物的表面性質(zhì)和存在形態(tài)14。其中混凝預(yù)處理由于簡(jiǎn)便、易行，與超濾組合去除水中污染物的工藝受到了關(guān)注，但是對(duì)于該組合工藝的特點(diǎn)和控制方法的研究尚不深入(尤其是去除機(jī)理方面)，許多問(wèn)題還不明確。為此，以水中天然有機(jī)物的代表性物質(zhì)腐殖酸為研究對(duì)象，利用國(guó)產(chǎn)超濾膜進(jìn)行了混凝超濾組合工藝的試驗(yàn)。1試驗(yàn)內(nèi)容1.1 試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置如圖1所示。超濾組件采用

6、截留分子質(zhì)量為1×105u的國(guó)產(chǎn)中空纖維膜，材質(zhì)為聚丙烯腈(PAN)，加壓方式為內(nèi)壓式，處理能力為109L/(m2·h)。1.試驗(yàn)方法原水用從某湖泊底泥中提取的天然腐殖酸經(jīng)0.45m濾膜去除水中懸浮性雜質(zhì)后的原液配制，其溶解性有機(jī)碳(DOC)濃度為5mg/L。采用兩種工藝：一是原水直接超濾，二是混凝超濾組合，混凝劑為精制硫酸鋁Al2(SO4)3·18H2O，投藥量為3.5mg/L(以鋁離子濃度計(jì))，采用泵前投藥、水泵混合和管式混合器混凝，停留時(shí)間為1min左右，G值為10s-1(屬于微絮凝)。為了比較不同pH值對(duì)處理效果的影響，加藥后水的pH值控制在5和7兩種條件

7、。1.3分析方法有機(jī)物濃度DOC：利用日本島津公司的TOC-5000A總有機(jī)碳分析儀測(cè)定。UV254：在許多研究中用UV254作為評(píng)價(jià)NOM總量的一個(gè)指標(biāo)，利用751G型紫外分光光度計(jì)測(cè)定。混凝顆粒電位利用日本Macrotech Nichion公司產(chǎn)ZC-2000型電位儀測(cè)得原水電位為-28.5mV，在投藥量為3.5mg/L、pH=5和7條件下，混凝后顆粒的電位都保持在0mV左右。高效液相色譜(HPLC)分析利用日本島津公司產(chǎn)LC-9A高效液相色譜儀，色譜柱為日立W520型(能夠較準(zhǔn)確地測(cè)定分子質(zhì)量6000u的有機(jī)物)，配UV檢測(cè)器(波長(zhǎng)為254nm)對(duì)原水以及直接超濾出水和混凝超濾組合工藝出

8、水進(jìn)行分析，以考察兩種工藝對(duì)溶解性有機(jī)物的去除率。1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理超濾膜的平均半透膜壓通過(guò)Tutujian公式計(jì)算：Ptm=(Pi Po)/2-Pp(1)式中Ptm半透膜壓Pi膜組件進(jìn)口處的壓力Po膜組件出口處的壓力Pp滲透液壓力為了正確區(qū)分膜污染引起的滲透通量下降及溫度對(duì)膜通量的影響，將半透膜通量均統(tǒng)一到20時(shí)的通量值。在壓力保持恒定的情況下，通量表示膜的產(chǎn)水量，從其變化可了解膜的污染狀況，而比滲透通量Kw(通量與半透膜壓的比值)可在無(wú)需保持壓力恒定的情況下用以代表膜污染的狀況，故將任一時(shí)刻的比滲透通量除以膜初始的比滲透通量能更明確地表示膜通量的下降情況(稱之為正規(guī)化比滲透通量，其值用

9、百分?jǐn)?shù)表示)。2試驗(yàn)結(jié)果2.1對(duì)DOC和UV254的去除對(duì)以DOC和UV254代表的天然腐殖酸的去除狀況如圖2、3所示 。    從圖2、3中可以明顯看到，經(jīng)混凝預(yù)處理后特別是在pH=7的條件下，對(duì)有機(jī)物的去除率明顯提高(與直接超濾相比)，對(duì)DOC的去除率從28%提高到53%，對(duì)UV254的去除率從40%提高到78%。2.2 有機(jī)物分子質(zhì)量分布用HPLC測(cè)得的原水和出水的譜圖如圖4、5所示。根據(jù)Tambo和Kamei的研究5，日立W520型色譜柱的流出時(shí)間與腐殖酸分子質(zhì)量之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)HPLC譜圖的吸收峰面積對(duì)不同處理?xiàng)l件下各分子質(zhì)量范圍有機(jī)物的

10、去除率進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)表1。            摘進(jìn)行了直接超濾和混凝超濾組合工藝對(duì)腐殖酸的去除效果和膜污染狀況的試驗(yàn)。結(jié)果表明，超濾前加混凝預(yù)處         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請(qǐng)不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學(xué)習(xí)之用，否者后果自負(fù)，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系我們。    

11、;表1HPLC譜圖分析結(jié)果    流出時(shí)間(min) 32 3240 4045 45     分子質(zhì)量分布(u) 6 000 6 0003 000 3 0001 000 1 000     直接超濾 原水吸收峰面積(mm2) 789.9 349216.9 120988.1 68515.8 539519.7    出水吸收峰面積(mm2) 0 325803.3 113195.3 67481.5 506480.1  &#

12、160; 去除率(%) 100 6.7 6.4 1.5 6.1    混凝超濾(pH=7) 原水吸收峰面積(mm2) 950.2 270822.3 108662.2 87833.7 468268.4    出水吸收峰面積(mm2) 0 75807.5 55785.4 58929.2 190522.1    去除率(%) 100 72 48.7 33 59.3 從圖4、5和表1可知，直接超濾對(duì)于分子質(zhì)量6000u的溶解性有機(jī)物基本上全部去除，但對(duì)分子質(zhì)量6000u的有

13、機(jī)物去除率很低，而在pH=7條件下的混凝超濾工藝則大大提高了對(duì)分子質(zhì)量6000u有機(jī)物的去除率(分子質(zhì)量在60003000u的有機(jī)物去除率從6.7%提高到72%，分子質(zhì)量在30001000u的去除率從6.4%提高到48.7%，分子質(zhì)量1000u的去除率從1.5%提高到33%，總?cè)コ蕪?.1%提高到59.3%)。    2.3 滲透通量和壓力膜污染狀況可通過(guò)正規(guī)化比滲透通量、超濾膜進(jìn)、出口壓差和半透膜壓隨過(guò)濾時(shí)間的變化來(lái)討論。正規(guī)化比滲透通量隨過(guò)濾時(shí)間的變化見(jiàn)圖6。    從圖6可明顯看到，在連續(xù)超濾試驗(yàn)中直接超濾

14、工藝的滲透通量下降很快(2.5h后下降了60%，10h后下降了75%)；而組合工藝在pH=5時(shí)滲透通量略有下降，在pH=7時(shí)滲透通量幾乎沒(méi)有變化。超濾膜進(jìn)、出口壓差(反映了膜表面沉積層的狀況)隨過(guò)濾時(shí)間的變化見(jiàn)圖7。    從圖7可知，在10h的連續(xù)超濾試驗(yàn)中不加混凝預(yù)處理的超濾膜進(jìn)、出口壓差未發(fā)生明顯變化，而在pH=5的混凝預(yù)處理?xiàng)l件下，壓差從10kPa增加到20kPa，在pH=7時(shí)前4h內(nèi)壓差增加較慢(從10kPa增加到16kPa)，4h后壓差則增加較快(10h后增加到50kPa左右)。超濾半透膜壓的變化(反映了膜污染阻力的變化)隨過(guò)濾時(shí)間的變化見(jiàn)圖

15、8。從圖8看到直接超濾的半透膜壓雖然在過(guò)濾開(kāi)始時(shí)最小，但在過(guò)濾1h后就超過(guò)了混凝超濾組合工藝的半透膜壓。在pH=5的混凝預(yù)處理?xiàng)l件下，超濾半透膜壓呈等速增加的趨勢(shì)；在pH=7的混凝預(yù)處理?xiàng)l件下，超濾半透膜壓先略有降低，在過(guò)濾4h后又有所增加，但總的增長(zhǎng)幅度小于pH=5的情況。3討論3.1混凝超濾工藝對(duì)腐殖酸的去除功效試驗(yàn)采用超濾膜的截留分子質(zhì)量為1×105u，直接超濾條件下對(duì)DOC和UV254的去除率均很低(對(duì)分子質(zhì)量6000u的有機(jī)物幾乎不能去除)，而經(jīng)混凝預(yù)處理后，對(duì)DOC和UV254的去除率均大幅度提高，尤其對(duì)分子質(zhì)量6000u有機(jī)物去除 率的提高更為明顯。在pH=7條件下對(duì)同

16、樣的腐殖酸進(jìn)行常規(guī)的混凝沉淀過(guò)濾處理后，對(duì)DOC和UV254的最大去除率分別為40%和70%6，而混凝超濾組合工藝的相應(yīng)去除率可分別達(dá)到53%和78%。這一結(jié)果說(shuō)明混凝超濾組合工藝的功效在于：通過(guò)混凝作用使有機(jī)物生成微絮體而改善了其分離性能；通過(guò)超濾作用使水中可凝聚性有機(jī)物得到最大限度的去除。需指出的是試驗(yàn)采用的HPLC色譜柱主適用于對(duì)分子質(zhì)量6000u有機(jī)物的定量分析，而對(duì)較大分子質(zhì)量的有機(jī)物難以準(zhǔn)確測(cè)定，因此表1中根據(jù)譜圖計(jì)算的總?cè)コ时葘?shí)際UV254的去除率低。          

17、0; 摘進(jìn)行了直接超濾和混凝超濾組合工藝對(duì)腐殖酸的去除效果和膜污染狀況的試驗(yàn)。結(jié)果表明，超濾前加混凝預(yù)處         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請(qǐng)不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學(xué)習(xí)之用，否者后果自負(fù)，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系我們。3.2 混凝預(yù)處理對(duì)膜污染的緩解作用從圖68可以看到，混凝超濾組合工藝使膜滲透通量基本上保持不變，從而保證了處理裝 置的產(chǎn)水量。與直接超濾相比，半透膜壓增長(zhǎng)緩慢，但壓差增長(zhǎng)加快，說(shuō)明膜表面濾餅層形成較快

18、。表面濾餅層通?？赏ㄟ^(guò)水力反沖洗剝離以使膜過(guò)濾性能得到恢復(fù)。因此，混凝預(yù)處理對(duì)膜污染起到了很好的緩解作用。這種緩解膜污染、提高滲透通量的機(jī)理可用圖9進(jìn)行說(shuō)明。減少了進(jìn)入膜孔的污染物量。直接超濾的污染主來(lái)自膜孔內(nèi)的吸附，過(guò)濾阻力也主來(lái)自于孔內(nèi)吸附污染物的阻力。水中天然有機(jī)物(尤其是小分子有機(jī)物)在膜孔內(nèi)的吸附對(duì)膜形成了不可逆污染，使膜的滲透通量下降很快，而通過(guò)混凝預(yù)處理使小分子溶解性有機(jī)物聚集 或吸附在金屬氫氧化物上形成絮體，這些絮體在膜表面被截留，不能進(jìn)入膜孔內(nèi)。改善了膜表面沉積層的性質(zhì)。由Carman-kozeny方程ac=180(1-)d23可知，膜表面沉積層的比阻ac隨顆粒尺寸d和孔隙率

19、增大而減小，經(jīng)過(guò)混凝預(yù)處理后顆粒尺寸增大，形成的濾餅層阻力減小，滲透通量增大。提高了顆粒的反向傳輸速度。顆粒在水中通過(guò)對(duì)流靠近膜表面，通過(guò)反向傳輸遠(yuǎn)離膜表面。反向傳輸?shù)脑碓谟诓祭蕯U(kuò)散、慣性提升和剪切擴(kuò)散。布朗擴(kuò)散隨顆粒尺寸增大而減小，慣性提升和剪切擴(kuò)散隨顆粒尺寸增大而增大，三種反向傳輸速度都與顆粒直徑有關(guān)。經(jīng)混凝預(yù)處理后顆粒直徑增大，總的反向傳輸速度隨之增大，從而減輕了有機(jī)物在膜表面的吸附沉積，增大了滲透通量。3.3 pH對(duì)混凝超濾工藝處理效果的影響鋁鹽的水解產(chǎn)物受投藥量和溶液pH值兩個(gè)因素的影響。在低腐殖酸濃度條件下、pH=7左右并達(dá)到一定投藥量時(shí)，無(wú)定形Al(OH)3通常是主水解產(chǎn)物，腐

20、殖酸通過(guò)Al(OH)3的卷掃混凝作用形成較為疏松的微絮體；在pH=5左右時(shí)鋁鹽水解產(chǎn)物通常具有較高的正電荷7，與腐殖酸相互作用發(fā)生吸附電中和或形成腐殖酸與鋁的絡(luò)合物(aluminum-humate)，此時(shí)形成的顆粒較前者密實(shí)。從前面的討論可知，在pH=7條件下通過(guò)卷掃混凝形成的疏松絮體對(duì)超濾更為有利。由于天然水體的pH值一般多在中性范圍，因此該工藝更有利于實(shí)際應(yīng)用。    4 結(jié)論 與原水直接超濾相比，混凝超濾組合工藝對(duì)溶解性天然有機(jī)物(腐殖酸)的去除率較高(DOC去除率從28%提高到53%，UV254去除率從40%提高到78%)，尤其是對(duì)分子質(zhì)量6000u有機(jī)物的去除率提高幅度更大(分子質(zhì)量在60003000u的有機(jī)物去除 率從6.7%提高到72%，分子質(zhì)量在30001000u的去除率從6.4%提高到48.7%，分子質(zhì)量1000u的去除率從1.5%提高到33%)。混凝預(yù)處理使小分子有機(jī)物結(jié)合成微絮體，降低了污染物在膜孔中吸附引起的膜污染，而微絮體在膜表面沉積形成濾餅層成為主過(guò)濾機(jī)理，從而使超濾保持高滲透通量?；炷瑸V組合工藝的最佳pH值條件為pH=7，此時(shí)通過(guò)卷掃混凝形成較為疏松的絮體濾餅層，對(duì)超濾操作有利。參考文獻(xiàn)：1澤田繁樹(shù)，等.UF膜濾過(guò)對(duì)策前 處理效果J.水道協(xié)會(huì)雜志，2000,69(6)：1