微濾膜處理微污染原水

微濾膜處理微污染原水研究

摘要：采用0.1μm的微濾膜處理微污染原水，出水濁度＜1NTU，對(duì)高錳酸鹽指數(shù)(OC)的去除率為20%左右，運(yùn)行穩(wěn)定后對(duì)UV254去除率＞40%。通過(guò)考察膜過(guò)濾阻力在膜抽—停周期內(nèi)的變化來(lái)選擇充分的曝氣時(shí)間。在連續(xù)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，膜過(guò)濾性能由于膜的污染而先有一快速降低段，之后隨時(shí)間增加緩慢下降。通過(guò)對(duì)膜的清洗的長(zhǎng)期運(yùn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，曝氣清洗不能完全清除膜污染，而用次氯酸鈉和鹽酸清洗則較為有效。

關(guān)鍵字：微濾膜微污染原水膜污染清洗

1試驗(yàn)裝置與方法1.1試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程見(jiàn)圖1。微濾膜采用日本三菱公司生產(chǎn)的聚乙烯中空纖維膜，孔徑為0.1μm，膜絲內(nèi)徑為0.27mm，外徑為0.42mm，膜面積為1m2，直接置入過(guò)濾水槽中。膜組件下設(shè)有曝氣管。

原水被泵入過(guò)濾水槽后，在抽吸泵的作用下經(jīng)膜過(guò)濾后出水。膜組件采用間歇運(yùn)行(抽吸30min，然后停抽幾分鐘)方式。曝氣系統(tǒng)在膜抽吸期間停止運(yùn)行，而在膜停抽期間啟動(dòng)以清除抽吸階段膜表面形成的沉積物。為保持過(guò)濾水槽內(nèi)的水位恒定，采用HP75000工控機(jī)根據(jù)水槽內(nèi)的液位控制進(jìn)水泵的開(kāi)停。試驗(yàn)裝置處理能力約為0.5m3/d。

1.2原水水質(zhì)

原水取自清華大學(xué)校內(nèi)河水，用自來(lái)水稀釋使之在一般微污染原水水質(zhì)范圍內(nèi)［高錳酸鹽指數(shù)(OC)為2～7mg/L，濁度＜6NTU］。試驗(yàn)期間原水水質(zhì)如表1所示。表1原水水質(zhì)水質(zhì)指標(biāo)水溫(℃)濁度(NTU)OC(mg/L))UV254(cmm-1)pH平均值70.0187.60波動(dòng)范圍22.3～25..01.78～5..723.07～6.6650.013～0..0257.22～8.0002試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1對(duì)濁度的去除

采用微濾膜直接過(guò)濾對(duì)濁度的去除效果見(jiàn)圖2。從圖2可以看到，盡管進(jìn)水濁度波動(dòng)較大，但膜出水濁度＜1NTU，對(duì)濁度的去除率＞90%。

2.2對(duì)有機(jī)物的去除

有研究表明，天然水體中的溶解性有機(jī)物主要由腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)、多糖等組成，其中以腐殖質(zhì)為主(約占50%)［1］。典型的腐殖質(zhì)在化學(xué)結(jié)構(gòu)上多含有苯環(huán)、羧基、醇羥基、酚羥基，而含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)或者含共軛雙鍵的不飽和有機(jī)化合物在紫外范圍有吸收，因此紫外光在254nm波長(zhǎng)處的吸光度常用來(lái)間接地表示水中以腐殖質(zhì)為主的溶解性有機(jī)物含量。

微濾對(duì)原水OC和UV254的去除效果見(jiàn)圖3、4。從圖3、4可以看出，微濾膜對(duì)OC的去除率為3%～35%(平均為21%)。待膜過(guò)濾操作達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，微濾對(duì)UV254的去除率為40%～53%(平均為46%)。據(jù)報(bào)道，超濾和微濾對(duì)有機(jī)物的去除率一般在20%以下，這與筆者的研究結(jié)果基本吻合。在裝置運(yùn)行100h期間，發(fā)現(xiàn)初期微濾膜對(duì)UV254的去除率幾乎為零，但隨運(yùn)行時(shí)間的增加其去除率逐漸增大并趨于穩(wěn)定。

由上述結(jié)果可知，微濾膜直接過(guò)濾微污染原水能有效地去除濁度，但對(duì)有機(jī)物的去除效率不高，因此對(duì)于有機(jī)污染較為嚴(yán)重的水體僅采用微濾膜直接過(guò)濾去除有機(jī)污染物是不夠的，必須考慮與其他工藝組合使用。

2.3膜過(guò)濾性能的變化

①過(guò)濾性能的表征

衡量膜過(guò)濾阻力的變化，一般可采用恒定膜通量考察膜過(guò)濾壓力在過(guò)濾過(guò)程中的變化或采用恒定膜過(guò)濾壓力考察膜通量的變化。在試驗(yàn)中由于過(guò)濾壓力和膜通量都在變化，上述兩種方法均難以應(yīng)用。因膜過(guò)濾阻力與ΔP/J(ΔP為膜抽吸壓力，J為膜通量)成正比，而ΔP/J的變化反映了膜過(guò)濾阻力R的變化，且用J/ΔP表示膜過(guò)濾性能更直觀(該值越大，膜的過(guò)濾性能越好；反之亦然)。因此試驗(yàn)中采用J/ΔP作為膜過(guò)濾性能的表征指標(biāo)。

②停抽時(shí)間對(duì)膜過(guò)濾性能的影響

試驗(yàn)中膜組件以間歇運(yùn)行方式清除抽吸段逐漸形成的膜表面沉積物。為考察停抽(即曝氣時(shí)間)對(duì)膜過(guò)濾性能的影響，曝氣時(shí)間改變?yōu)?、3和5min，膜過(guò)濾阻力在一個(gè)抽—停周期內(nèi)的變化結(jié)果如圖5所示。在試驗(yàn)中選擇膜通量為20L/(m2·h)，抽吸段時(shí)間為30min。

圖5的縱坐標(biāo)為某時(shí)刻的膜過(guò)濾阻力R與該抽—停周期初始膜過(guò)濾阻力R0的比值。由于試驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)是以等間隔時(shí)間來(lái)測(cè)定的，因此在抽吸30min處沒(méi)有直接的測(cè)定數(shù)據(jù)，圖中該處數(shù)據(jù)是由抽吸段膜阻力的上升趨勢(shì)外推得到的。從圖5可見(jiàn)，在抽吸段隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)膜過(guò)濾阻力增加，在抽吸段結(jié)束時(shí)膜過(guò)濾阻力約增加了50%；進(jìn)入停抽曝氣段，曝氣1min膜過(guò)濾阻力就下降了很多(約為初始膜過(guò)濾阻力的1.1倍)，膜過(guò)濾性能得到很大程度的恢復(fù)；延長(zhǎng)曝氣時(shí)間可使膜過(guò)濾性能進(jìn)一步恢復(fù)，當(dāng)曝氣達(dá)到5min時(shí)膜過(guò)濾阻力已經(jīng)與膜初始過(guò)濾阻力相差很小。據(jù)此可以認(rèn)為在抽吸段形成的膜表面沉積物可以通過(guò)曝氣來(lái)清除，曝氣5min足可以使膜的過(guò)濾性能基本恢復(fù)。為此在以下試驗(yàn)中，膜的過(guò)濾操作采用30min抽吸、5min停抽曝氣的模式。

③連續(xù)運(yùn)行條件下膜過(guò)濾性能的變化

以30min抽吸、5min停抽并曝氣的方式連續(xù)運(yùn)行，扣除中途由于設(shè)備關(guān)系暫時(shí)停止運(yùn)行的時(shí)間(兩周以上)，考察了其間膜過(guò)濾性能的變化。

在連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中需要考慮水溫波動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。有研究表明，水溫的升高有利于膜的過(guò)濾分離，溫度升高1℃可引起膜通量增大2%［2］。為消除由于溫度變化而非膜污染帶來(lái)的影響，在該試驗(yàn)中將膜通量轉(zhuǎn)換成20℃下的通量值［3］。

連續(xù)運(yùn)行條件下膜過(guò)濾性能的變化如圖6所示，用通量/壓力(J/ΔP)來(lái)表征膜過(guò)濾性能的變化。從圖6可見(jiàn)，在連續(xù)運(yùn)行條件下膜過(guò)濾性能的變化分為兩個(gè)階段：前50h內(nèi)膜過(guò)濾性能隨時(shí)間下降很快(表現(xiàn)為膜通量變化不大)，主要是過(guò)濾壓力不斷增加導(dǎo)致J/ΔP迅速下降；之后膜過(guò)濾性能下降緩慢。有研究發(fā)現(xiàn)，在過(guò)濾初期膜即會(huì)受到污染，而為保持穩(wěn)定的膜通量，膜的過(guò)濾壓力會(huì)有一迅速增加的階段，這一階段的膜污染主要是膜孔被小分子物質(zhì)阻塞所致［4］。這個(gè)過(guò)程可描述為：抽濾開(kāi)始，小分子物質(zhì)主要受到兩種力的作用，一是由膜表面向膜孔內(nèi)的抽吸力；二是由膜表面向主流側(cè)的Brownian擴(kuò)散［4］。抽吸剛開(kāi)始時(shí)抽吸力較擴(kuò)散作用大，小分子物質(zhì)向膜孔運(yùn)動(dòng)，一方面造成膜孔阻塞逐步加重，使得膜過(guò)濾阻力增加，粒子所受的抽吸作用力減??；另一方面使小分子物質(zhì)在膜表面的濃度升高，由膜面向主流方向的擴(kuò)散作用增強(qiáng)。經(jīng)歷了兩個(gè)作用力變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程之后，兩個(gè)作用力達(dá)到平衡，形成了較為穩(wěn)定的膜污染層，即進(jìn)入膜污染緩慢增長(zhǎng)階段。在這一階段，過(guò)濾性能隨時(shí)間緩慢下降。

參考圖4可以看到對(duì)UV254的去除效果也有類(lèi)似的變化趨勢(shì)。運(yùn)行24h時(shí)對(duì)UV254的去除幾乎為0；運(yùn)行48h后，去除率增加到4%；而在以后的運(yùn)行期間對(duì)UV254的去除率基本保持在40%～50%左右?？梢酝茰y(cè)，在膜初始運(yùn)行階段膜面較為清潔，其對(duì)溶解性小分子污染物質(zhì)的去除非常少，而隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，由于污染物在膜面上的積累和對(duì)膜孔的堵塞使得膜對(duì)小分子物質(zhì)的截留能力增強(qiáng)，相應(yīng)地對(duì)有機(jī)物去除率就會(huì)有所增加。此時(shí)，膜的截留性能由膜孔及其表面的污染層共同決定。

④膜的清洗

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行膜受到了污染，其過(guò)濾性能就會(huì)下降。與新膜相比，累計(jì)連續(xù)運(yùn)行了約14d以后的舊膜過(guò)濾阻力明顯上升。為了尋找去除膜面污染物和恢復(fù)膜過(guò)濾性能的方法，通過(guò)曝氣5、24和95h在膜面形成較為劇烈的湍流來(lái)沖刷膜表面以清除污染層。對(duì)曝氣清洗過(guò)后的膜進(jìn)行清水過(guò)濾試驗(yàn)，并與初始新膜的清水過(guò)濾效果比較以考察膜過(guò)濾性能的恢復(fù)情況(見(jiàn)圖7)。從圖7中可以看出，曝氣清洗后膜的過(guò)濾性能與清洗前相差不大，而與新膜相差較大，說(shuō)明光靠曝氣清洗不足以清除在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中積累在膜表面上的這部分污染物，同時(shí)也間接表明間歇運(yùn)行模式采用的停抽段曝氣時(shí)間已經(jīng)足夠長(zhǎng)，通過(guò)曝氣可去除的部分膜污染已得到充分的清除。

鑒于上述結(jié)果，進(jìn)一步采用化學(xué)方法來(lái)清除膜污染。考慮到微污染原水的水質(zhì)特點(diǎn)(可能包括無(wú)機(jī)物、有機(jī)物形成的污染層，也會(huì)有一些微生物造成的污染)，故先用次氯酸鈉清洗，然后用鹽酸清洗。從圖7可見(jiàn)，化學(xué)清洗有效地去除了大部分膜污染，膜的清水過(guò)濾性能有了較大的恢復(fù)。極小部分很難被清除的膜污染物，可能是因?yàn)殚L(zhǎng)期運(yùn)行而造成的膜材質(zhì)本身的惡化。3結(jié)論①微濾膜處理微污染原水采用間歇抽吸的方式，在停抽段充分的曝氣時(shí)間能夠有效地清洗在抽吸階段積累在膜表面的污染層。②連續(xù)運(yùn)行初期(約50h)由于膜污染使膜過(guò)濾阻力上升明顯，之后則隨時(shí)間延長(zhǎng)而緩慢降低。

③長(zhǎng)期運(yùn)行中形成的膜污染不能完全由曝氣清洗來(lái)清除，而用次氯酸鈉和鹽酸清洗能夠較為有效地清除這部分膜污染。

④微濾膜可以直接應(yīng)用在以除濁為主要目的的水處理工藝中，經(jīng)膜過(guò)濾后的出水濁度＜1NTU且不受進(jìn)水濁度變化的影響。

⑤微濾膜可去除部分有機(jī)物，對(duì)OC去除率為20%左右，運(yùn)行穩(wěn)定后對(duì)UV254去除率＞40%。參考文獻(xiàn)：［1］MenahemR，MichaelLurie.Controloforganicmatterbycoagulationandflocseparation［J］.Watscitech，1993，27(11)：1-20.

［2］黃霞,桂萍.膜生物反應(yīng)器廢水處理工藝的研究進(jìn)展［J］.環(huán)境科學(xué)研究,1998,11(1)：40-44.

［3］BraghettaA,Jac