混凝-超濾組合工藝處理微污染水源水質(zhì)試驗(yàn)研究

混凝-超濾組合工藝處理微污染水源水質(zhì)試驗(yàn)研究

中國(guó)90%以上的處理廠采用傳統(tǒng)的水處理方法，包括混凝沉淀、過濾和消毒。而常規(guī)工藝是建立在去除濁度和細(xì)菌為主要目標(biāo),對(duì)溶解性有機(jī)物去除率低(20%～30%),對(duì)氨氮的去除也十分有限。相比常規(guī)處理工藝,混凝-超濾組合工藝具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、流程短、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)、占地面積小、易于操作維護(hù)等優(yōu)勢(shì),因此組合工藝的應(yīng)用得到了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。針對(duì)中國(guó)南方地區(qū)水源水質(zhì)季節(jié)變化大、水量水質(zhì)波動(dòng)明顯等特點(diǎn),本研究試驗(yàn)混凝-超濾組合工藝,考察工藝對(duì)中國(guó)南方水庫(kù)源水中濁度、溶解性有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)鹽類物質(zhì)的去除效果,并分析組合工藝的運(yùn)行特點(diǎn)及清洗方法,為開發(fā)出一套短流程、經(jīng)濟(jì)、高效的飲用水處理新技術(shù)提供一定科學(xué)支撐。1試驗(yàn)安裝和方法1.1外壓式中空纖維膜及混凝劑的研制試驗(yàn)裝置見圖1?；炷?超濾組合工藝試驗(yàn)在反應(yīng)器中進(jìn)行,反應(yīng)器有效容積15L,由無(wú)機(jī)玻璃制作。組合工藝中超濾膜的運(yùn)行采用恒流模式(膜通量為50L/(m2·h)),通過蠕動(dòng)泵的抽吸,使水由膜外側(cè)向內(nèi)側(cè)滲濾。試驗(yàn)用膜組件采用國(guó)產(chǎn)外壓式中空纖維膜組件。膜組件材料為PVC,膜絲孔徑10nm,有效膜面積約0.1m2,截留相對(duì)分子質(zhì)量為5萬(wàn)。所用混凝劑采用深圳市某凈水器材有限公司提供的聚合氯化鋁PAC(Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥29%)。將混凝劑用去離子水稀釋到含量為1%,投加至反應(yīng)器中。1.2為0.4cm-1試驗(yàn)期間原水水溫為25℃,濁度為11.4NTU,pH值為7.1,254nm紫外吸光度(UV254)為0.045cm-1。高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、溶解性有機(jī)碳(DOC)、氨氮(NH3-N)、硝酸鹽氮(NO-3-N)、總磷(TP)的質(zhì)量濃度分別為3.17、2.24、0.202、1.39、0.062mg/L。其中:NTU為散射濁度單位(nephelometricturbidityunit)。1.3檢測(cè)方法即測(cè)定總光度法水質(zhì)分析方法:水溫用水銀溫度計(jì)測(cè)定;濁度用濁度儀測(cè)定(2100P,HachCo.);pH用電極法測(cè)定(Sension3,HachCo.);UV254用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定(UV-1700,ShimazuCo.);CODMn用酸性高錳酸鉀法測(cè)定;DOC用催化燃燒-非色散紅外線吸收法測(cè)定(TOC-V,ShimadzuCo.);TP用鉬銻抗分光光度法測(cè)定;NH3-N用納氏試劑光度法測(cè)定;陽(yáng)離子(Mg2+、Ca2+)及陰離子(NO-3)采用離子色譜法測(cè)定;分子量分布用凝膠色譜法測(cè)定(ProminenceLC-20A,ShimazuCo.);三維熒光譜圖用分子熒光光度計(jì)測(cè)定(CARYEclipse,VarianCo.);掃描電子顯微鏡(scanningelectronmicroscope,SEM)用JEOLCo.公司JSM-6460LV產(chǎn)品。2結(jié)果與討論2.1組合工藝去除有機(jī)物效果特征組合工藝采用序批式的運(yùn)行方式,重點(diǎn)考察對(duì)基本水質(zhì)指標(biāo)、溶解性有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)鹽類物質(zhì)的處理效果。根據(jù)混凝沉淀燒杯試驗(yàn)方法考察濁度的去除,確定混凝劑的投加范圍為4mg/L至5mg/L,分別試驗(yàn)不同投加量對(duì)工藝污染物處理效果的影響。混凝劑投加后,水樣先以200r/min攪拌5min,沉淀10min,再超濾膜過濾,取出水進(jìn)行化驗(yàn)分析。組合工藝對(duì)濁度去除明顯,出水濁度在0.02NTU以下。在有機(jī)物去除方面,本研究不僅試驗(yàn)了組合工藝對(duì)常規(guī)有機(jī)物指標(biāo)(CODMn、DOC)和芳香族有機(jī)物指標(biāo)(UV254)的去除效果,還深入探討了工藝對(duì)于溶解性有機(jī)質(zhì)(dissolvedorganicmatter,DOM)的去除效果,并分析了有機(jī)物的分子量分布。原水中CODMn、DOC質(zhì)量濃度分別為3.17、2.24mg/L,UV254吸光度為0.045cm-1。組合工藝出水有機(jī)物濃度見圖2。結(jié)果表明:混凝劑投加量從4mg/L至5mg/L,組合工藝對(duì)CODMn、DOC、UV254平均去除率分別為34%、28%、51%。可見,在混凝劑投加量在4mg/L至5mg/L之間,組合工藝對(duì)有機(jī)物的去除率高于常規(guī)工藝去除率(20%～30%)。3種指標(biāo)都隨著混凝劑投加量的增加而呈下降趨勢(shì)。在有機(jī)物中,DOM包含了一系列結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)聚合物,對(duì)水環(huán)境起重要影響。三維熒光技術(shù)可利用DOM組分中大量低能量π-π*躍遷的芳香結(jié)構(gòu)及不飽和脂肪鏈,不破壞樣品,進(jìn)行直接測(cè)量。組合工藝出水DOM熒光強(qiáng)度如圖3所示,圖中等高線為光強(qiáng)度Intensity(a.u.)。其主要存在峰A(紫外區(qū)類腐殖酸)、峰C(可見區(qū)類腐殖酸)、峰M(水體類腐殖酸)和峰N(浮游生物、水生植物),峰T(蛋白質(zhì))含量較小,峰D(土壤富里酸)和峰E(土壤富里酸)基本檢測(cè)不到?；炷齽┩都恿繛?.2、4.6、5.0mg/L時(shí),組合工藝對(duì)峰A的去除率分別為52%、57%、55%,對(duì)峰C的去除率分別為19%、44%、29%,對(duì)峰M的去除率分別為33%、42%、52%,對(duì)峰N的去除率分別為28%、51%、47%。有研究表明,就常規(guī)工藝去除類腐殖酸熒光物質(zhì)(峰A和峰C)的效果而言,混凝沉淀基本沒有去除作用,過濾過程的去除率在5%～15%之間。可見,組合工藝對(duì)于水體DOM熒光類物質(zhì)的去除效果優(yōu)于常規(guī)處理工藝。有研究表明,水處理的效果與水中有機(jī)物的分子量分布有著密切關(guān)系。本研究中水樣先經(jīng)0.22μm濾膜過濾去除懸浮物,再利用凝膠色譜測(cè)定水中分子量分布,見圖4。將分子量分布譜線與X軸圍成部分的面積,利用PeakFit進(jìn)行分峰處理,得到不同分子量分布范圍的面積。原水中分子量類似正態(tài)分布,相對(duì)分子質(zhì)量500～3000面積占總面積的70%?；炷齽┩都恿繛?.2、4.4、4.6、4.8、5.0mg/L,組合工藝對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量為1000～2000的有機(jī)物去除率依次為48.2%、50.4%、50.0%、50.4%、55.0%。而組合工藝對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量為500～1000的有機(jī)物去除率分別僅為5.5%、8.4%、7.2%、18.3%、10.6%。綜合有機(jī)物去除分析表明,組合工藝對(duì)有機(jī)物去除率大于20%,尤其對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量大于1000有機(jī)物的去除效果明顯(去除率>45%)。去除率取決于有機(jī)物分子量和溶解度,組合工藝對(duì)腐殖酸中分子量較大的胡敏酸去除效果好,而對(duì)分子量較小的富里酸去除效果不明顯。在營(yíng)養(yǎng)鹽去除方面,原水中NH3-N、NO-3-N、TP質(zhì)量濃度分別為0.202、1.39、0.062mg/L。組合工藝出水營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度見圖5。結(jié)果表明,組合工藝對(duì)NH3-N、NO-3-N、TP的平均去除率分別為19%、23%、29%。有研究表明,中國(guó)飲用水常規(guī)處理工藝對(duì)NH3-N的去除率約為10%～20%,可見組合工藝對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除對(duì)于常規(guī)處理有一定的優(yōu)勢(shì)。2.2膜污染表面處理本研究通過測(cè)試工藝運(yùn)行期間跨膜壓差的變化及受污染膜表面的SEM照片綜合表征膜的污染狀況。通過配置一定濃度的清洗液全流量沖洗,測(cè)量清洗后的跨膜壓差及洗脫液成分綜合選定最佳的清洗策略。圖6反映組合工藝的運(yùn)行曲線。混凝劑投加后,水樣先以200r/min攪拌5min,沉淀10min,再進(jìn)行過濾,過濾分為3個(gè)周期,每個(gè)周期過濾90min,每隔10min記錄跨膜壓差數(shù)值。每個(gè)周期結(jié)束后,先用純水正沖洗15s,再用產(chǎn)品水反沖洗30s,再用純水正沖洗10s。由圖可見,混凝劑的投加使跨膜壓差增長(zhǎng)變緩。混凝劑投加量為4mg/L時(shí),第一個(gè)過濾周期跨膜壓差由35kPa升至36.5kPa,經(jīng)過反沖洗恢復(fù)至35.7kPa。3個(gè)運(yùn)行周期后,跨膜壓差為37.5kPa。相比初始值,跨膜壓差升高了7%。而經(jīng)過這3個(gè)運(yùn)行周期,原水直濾的跨膜壓差相比初始值提高了10%。由此可見,混凝預(yù)處理可以提高超濾膜的運(yùn)行效率。受污染膜的SEM照片見圖7。如圖7b所示,直濾原水的膜表面沉積物致密、細(xì)碎。經(jīng)過混凝處理,大量正離子涌入有機(jī)物、膠體擴(kuò)散層,使其脫穩(wěn)凝聚,形成礬花,在膜表面形成稀松、伸展的濾餅結(jié)構(gòu),對(duì)天然有機(jī)質(zhì)(naturalorganicmatter,NOM)等污染物有一定過濾作用,見圖7c。膜清洗試驗(yàn)HCl、NaOH、H2O2、十二烷基苯磺酸鈉SDS和乙二胺四乙酸二鈉EDTA共5種清洗劑,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、0.2%、1%、0.2%和0.2%。清洗步驟:原水30L直接經(jīng)膜過濾,以加快膜污染進(jìn)程。配置一定濃度化學(xué)清洗劑,將其注入到反應(yīng)槽,全流量循環(huán)清洗。以過濾通量先正沖洗2min,反沖洗10min,然后再正沖洗2min。最終浸泡30min。清洗后,將洗脫液進(jìn)行分析,測(cè)量其中各有機(jī)物指標(biāo)(CODMn、DOC、UV254)和無(wú)機(jī)鹽指標(biāo)(Ca2+、Mg2+)含量。洗脫液分析結(jié)果表明,堿洗對(duì)有機(jī)污染物DOC去除效果明顯,洗脫液DOC質(zhì)量濃度達(dá)到12.6mg/L。EDTA洗脫液中Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度分別達(dá)到14.3、1.9mg/L,去除Ca2+離子效果最佳。SDS對(duì)于去除二價(jià)陽(yáng)離子效果較好,洗脫液中Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度分別為13.2、1.8mg/L。酸洗對(duì)于Mg2+去除效果最佳,洗脫液中Mg2+濃度為3.4mg/L。膜的污染物主要分為有機(jī)物、無(wú)機(jī)物和微生物。無(wú)機(jī)物在膜表面和膜孔內(nèi)吸附速度大于有機(jī)物,故無(wú)機(jī)污染層首先吸附進(jìn)膜孔或覆蓋膜表面,其外包裹有機(jī)污染層,二價(jià)陽(yáng)離子的存在會(huì)加劇膜的污染。EDTA清洗和酸洗對(duì)于無(wú)機(jī)質(zhì)(Ca2+、Mg2+等)去除效果好,而膜表面腐殖酸、蛋白質(zhì)、多糖等有機(jī)質(zhì)不能被酸溶解,反而使其附著更加緊密;堿液對(duì)此類有機(jī)物和微生物污染有較好的溶解作用。本研究表明,經(jīng)過酸洗后仍存在較大顆粒(推測(cè)為大分子有機(jī)物膠體),而堿洗能夠去除這類有機(jī)污染物質(zhì)。由此推斷,最佳清洗方案應(yīng)先去除外層有機(jī)污染,再去除內(nèi)層無(wú)機(jī)污染。因此,使用堿洗-酸洗或堿洗-EDTA清洗2種復(fù)合清洗方法可以達(dá)到更好的清洗效果。3有機(jī)物的去除效果本文以混凝-超濾組合工藝為基礎(chǔ),討論工藝對(duì)南方水庫(kù)源水水質(zhì)凈化的效果、工藝運(yùn)行情況及清洗方法,得到如下結(jié)論:1)組合工藝對(duì)污染物的處理效果優(yōu)于常規(guī)工藝。組合工藝出水濁度小于0.02NTU,對(duì)有機(jī)物(CODMn、DOC、UV254)的平均去除率為38%。有機(jī)物分子量分布測(cè)試結(jié)果表明,組合工藝對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量為1000～2000的有機(jī)物去除率大于48%,對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量為500～1000的有機(jī)物