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，對高錳酸鹽指數(shù)(OC)的去除率為20%左右，運(yùn)行穩(wěn)定后對UV254去除率＞40%。通過考察膜過濾阻力在膜抽—停周期內(nèi)的變化來選擇充分的曝氣時(shí)間。在連續(xù)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，膜過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。通過對膜的清洗的長期運(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，直接置入過濾水槽中。膜組件下設(shè)有曝氣管。

原水被泵入過濾水槽后，在抽吸泵的作用下經(jīng)膜過濾后出水。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以清除抽吸階段膜表面形成的沉積物。為保持過濾水槽內(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對濁度的去除

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

2.2對有機(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波長處的吸光度常用來間接地表示水中以腐殖質(zhì)為主的溶解性有機(jī)物含量。

微濾對原水OC和UV254的去除效果見圖3、4。從圖3、4可以看出，微濾膜對OC的去除率為3%～35%(平均為21%)。待膜過濾操作達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，微濾對UV254的去除率為40%～53%(平均為46%)。據(jù)報(bào)道，超濾和微濾對有機(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，微濾膜直接過濾微污染原水能有效地去除濁度，但對有機(jī)物的去除效率不高，因此對于有機(jī)污染較為嚴(yán)重的水體僅采用微濾膜直接過濾去除有機(jī)污染物是不夠的，必須考慮與其他工藝組合使用。

2.3膜過濾性能的變化

①過濾性能的表征

衡量膜過濾阻力的變化，一般可采用恒定膜通量考察膜過濾壓力在過濾過程中的變化或采用恒定膜過濾壓力考察膜通量的變化。在試驗(yàn)中由于過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的變化反映了膜過濾阻力R的變化，且用J/ΔP表示膜過濾性能更直觀(該值越大，膜的過濾性能越好；反之亦然)。因此試驗(yàn)中采用J/ΔP作為膜過濾性能的表征指標(biāo)。

②停抽時(shí)間對膜過濾性能的影響

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)對膜過濾性能的影響，曝氣時(shí)間改變?yōu)?、3和5min，膜過濾阻力在一個(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)刻的膜過濾阻力R與該抽—停周期初始膜過濾阻力R0的比值。由于試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)是以等間隔時(shí)間來測定的，因此在抽吸30min處沒有直接的測定數(shù)據(jù)，圖中該處數(shù)據(jù)是由抽吸段膜阻力的上升趨勢外推得到的。從圖5可見，在抽吸段隨運(yùn)行時(shí)間的延長膜過濾阻力增加，在抽吸段結(jié)束時(shí)膜過濾阻力約增加了50%；進(jìn)入停抽曝氣段，曝氣1min膜過濾阻力就下降了很多(約為初始膜過濾阻力的1.1倍)，膜過濾性能得到很大程度的恢復(fù)；延長曝氣時(shí)間可使膜過濾性能進(jìn)一步恢復(fù)，當(dāng)曝氣達(dá)到5min時(shí)膜過濾阻力已經(jīng)與膜初始過濾阻力相差很小。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曝氣來清除，曝氣5min足可以使膜的過濾性能基本恢復(fù)。為此在以下試驗(yàn)中，膜的過濾操作采用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)，考察了其間膜過濾性能的變化。

在連續(xù)運(yùn)行過程中需要考慮水溫波動對試驗(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)行條件下膜過濾性能的變化如圖6所示，用通量/壓力(J/ΔP)來表征膜過濾性能的變化。從圖6可見，在連續(xù)運(yùn)行條件下膜過濾性能的變化分為兩個(gè)階段：前50h內(nèi)膜過濾性能隨時(shí)間下降很快(表現(xiàn)為膜通量變化不大)，主要是過濾壓力不斷增加導(dǎo)致J/ΔP迅速下降；之后膜過濾性能下降緩慢。有研究發(fā)現(xiàn)，在過濾初期膜即會受到污染，而為保持穩(wěn)定的膜通量，膜的過濾壓力會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)過程可描述為：抽濾開始，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，一方面造成膜孔阻塞逐步加重，使得膜過濾阻力增加，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)作用力變化的動態(tài)過程之后，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)入膜污染緩慢增長階段。在這一階段，過濾性能隨時(shí)間緩慢下降。

參考圖4可以看到對UV254的去除效果也有類似的變化趨勢。運(yùn)行24h時(shí)對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UV254的去除率基本保持在40%～50%左右。可以推測，在膜初始運(yùn)行階段膜面較為清潔，其對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膜孔的堵塞使得膜對小分子物質(zhì)的截留能力增強(qiáng)，相應(yīng)地對有機(jī)物去除率就會有所增加。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)過一段時(shí)間的運(yùn)行膜受到了污染，其過濾性能就會下降。與新膜相比，累計(jì)連續(xù)運(yùn)行了約14d以后的舊膜過濾阻力明顯上升。為了尋找去除膜面污染物和恢復(fù)膜過濾性能的方法，通過曝氣5、24和95h在膜面形成較為劇烈的湍流來沖刷膜表面以清除污染層。對曝氣清洗過后的膜進(jìn)行清水過濾試驗(yàn)，并與初始新膜的清水過濾效果比較以考察膜過濾性能的恢復(fù)情況(見圖7)。從圖7中可以看出，曝氣清洗后膜的過濾性能與清洗前相差不大，而與新膜相差較大，說明光靠曝氣清洗不足以清除在長期運(yùn)行過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，通過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)方法來清除膜污染?？紤]到微污染原水的水質(zhì)特點(diǎn)(可能包括無機(jī)物、有機(jī)物形成的污染層，也會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，化學(xué)清洗有效地去除了大部分膜污染，膜的清水過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)由于膜污染使膜過濾阻力上升明顯，之后則隨時(shí)間延長而緩慢降低。

③長期運(yùn)行中形成的膜污染不能完全由曝氣清洗來清除，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OC去除率為20%左右，運(yùn)行穩(wěn)定后對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