混凝-超濾組合工藝處理微污染水源水質試驗研究

混凝-超濾組合工藝處理微污染水源水質試驗研究

中國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菌為主要目標,對溶解性有機物去除率低(20%～30%),對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穩(wěn)定、流程短、抗沖擊負荷強、占地面積小、易于操作維護等優(yōu)勢,因此組合工藝的應用得到了國內(nèi)外眾多學者的關注。針對中國南方地區(qū)水源水質季節(jié)變化大、水量水質波動明顯等特點,本研究試驗混凝-超濾組合工藝,考察工藝對中國南方水庫源水中濁度、溶解性有機物、營養(yǎng)鹽類物質的去除效果,并分析組合工藝的運行特點及清洗方法,為開發(fā)出一套短流程、經(jīng)濟、高效的飲用水處理新技術提供一定科學支撐。1試驗安裝和方法1.1外壓式中空纖維膜及混凝劑的研制試驗裝置見圖1。混凝-超濾組合工藝試驗在反應器中進行,反應器有效容積15L,由無機玻璃制作。組合工藝中超濾膜的運行采用恒流模式(膜通量為50L/(m2·h)),通過蠕動泵的抽吸,使水由膜外側向內(nèi)側滲濾。試驗用膜組件采用國產(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,截留相對分子質量為5萬。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質量分數(shù)≥29%)。將混凝劑用去離子水稀釋到含量為1%,投加至反應器中。1.2為0.4cm-1試驗期間原水水溫為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)、溶解性有機碳(DOC)、氨氮(NH3-N)、硝酸鹽氮(NO-3-N)、總磷(TP)的質量濃度分別為3.17、2.24、0.202、1.39、0.062mg/L。其中:NTU為散射濁度單位(nephelometricturbidityunit)。1.3檢測方法即測定總光度法水質分析方法:水溫用水銀溫度計測定;濁度用濁度儀測定(2100P,HachCo.);pH用電極法測定(Sension3,HachCo.);UV254用紫外可見分光光度計測定(UV-1700,ShimazuCo.);CODMn用酸性高錳酸鉀法測定;DOC用催化燃燒-非色散紅外線吸收法測定(TOC-V,ShimadzuCo.);TP用鉬銻抗分光光度法測定;NH3-N用納氏試劑光度法測定;陽離子(Mg2+、Ca2+)及陰離子(NO-3)采用離子色譜法測定;分子量分布用凝膠色譜法測定(ProminenceLC-20A,ShimazuCo.);三維熒光譜圖用分子熒光光度計測定(CARYEclipse,VarianCo.);掃描電子顯微鏡(scanningelectronmicroscope,SEM)用JEOLCo.公司JSM-6460LV產(chǎn)品。2結果與討論2.1組合工藝去除有機物效果特征組合工藝采用序批式的運行方式,重點考察對基本水質指標、溶解性有機物和營養(yǎng)鹽類物質的處理效果。根據(jù)混凝沉淀燒杯試驗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,分別試驗不同投加量對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,取出水進行化驗分析。組合工藝對濁度去除明顯,出水濁度在0.02NTU以下。在有機物去除方面,本研究不僅試驗了組合工藝對常規(guī)有機物指標(CODMn、DOC)和芳香族有機物指標(UV254)的去除效果,還深入探討了工藝對于溶解性有機質(dissolvedorganicmatter,DOM)的去除效果,并分析了有機物的分子量分布。原水中CODMn、DOC質量濃度分別為3.17、2.24mg/L,UV254吸光度為0.045cm-1。組合工藝出水有機物濃度見圖2。結果表明:混凝劑投加量從4mg/L至5mg/L,組合工藝對CODMn、DOC、UV254平均去除率分別為34%、28%、51%?？梢?在混凝劑投加量在4mg/L至5mg/L之間,組合工藝對有機物的去除率高于常規(guī)工藝去除率(20%～30%)。3種指標都隨著混凝劑投加量的增加而呈下降趨勢。在有機物中,DOM包含了一系列結構復雜的有機聚合物,對水環(huán)境起重要影響。三維熒光技術可利用DOM組分中大量低能量π-π*躍遷的芳香結構及不飽和脂肪鏈,不破壞樣品,進行直接測量。組合工藝出水DOM熒光強度如圖3所示,圖中等高線為光強度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)含量較小,峰D(土壤富里酸)和峰E(土壤富里酸)基本檢測不到?；炷齽┩都恿繛?.2、4.6、5.0mg/L時,組合工藝對峰A的去除率分別為52%、57%、55%,對峰C的去除率分別為19%、44%、29%,對峰M的去除率分別為33%、42%、52%,對峰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(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?？梢?組合工藝對于水體DOM熒光類物質的去除效果優(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物的分子量分布有著密切關系。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,相對分子質量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,組合工藝對相對分子質量為1000～2000的有機物去除率依次為48.2%、50.4%、50.0%、50.4%、55.0%。而組合工藝對相對分子質量為500～1000的有機物去除率分別僅為5.5%、8.4%、7.2%、18.3%、10.6%。綜合有機物去除分析表明,組合工藝對有機物去除率大于20%,尤其對相對分子質量大于1000有機物的去除效果明顯(去除率>45%)。去除率取決于有機物分子量和溶解度,組合工藝對腐殖酸中分子量較大的胡敏酸去除效果好,而對分子量較小的富里酸去除效果不明顯。在營養(yǎng)鹽去除方面,原水中NH3-N、NO-3-N、TP質量濃度分別為0.202、1.39、0.062mg/L。組合工藝出水營養(yǎng)鹽質量濃度見圖5。結果表明,組合工藝對NH3-N、NO-3-N、TP的平均去除率分別為19%、23%、29%。有研究表明,中國飲用水常規(guī)處理工藝對NH3-N的去除率約為10%～20%,可見組合工藝對營養(yǎng)鹽的去除對于常規(guī)處理有一定的優(yōu)勢。2.2膜污染表面處理本研究通過測試工藝運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反映組合工藝的運行曲線?；炷齽┩都雍?水樣先以200r/min攪拌5min,沉淀10min,再進行過濾,過濾分為3個周期,每個周期過濾90min,每隔10min記錄跨膜壓差數(shù)值。每個周期結束后,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變緩?；炷齽┩都恿繛?mg/L時,第一個過濾周期跨膜壓差由35kPa升至36.5kPa,經(jīng)過反沖洗恢復至35.7kPa。3個運行周期后,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個運行周期,原水直濾的跨膜壓差相比初始值提高了10%。由此可見,混凝預處理可以提高超濾膜的運行效率。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、細碎。經(jīng)過混凝處理,大量正離子涌入有機物、膠體擴散層,使其脫穩(wěn)凝聚,形成礬花,在膜表面形成稀松、伸展的濾餅結構,對天然有機質(naturalorganicmatter,NOM)等污染物有一定過濾作用,見圖7c。膜清洗試驗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,其質量分數(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,以加快膜污染進程。配置一定濃度化學清洗劑,將其注入到反應槽,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,將洗脫液進行分析,測量其中各有機物指標(CODMn、DOC、UV254)和無機鹽指標(Ca2+、Mg2+)含量。洗脫液分析結果表明,堿洗對有機污染物DOC去除效果明顯,洗脫液DOC質量濃度達到12.6mg/L。EDTA洗脫液中Ca2+、Mg2+質量濃度分別達到14.3、1.9mg/L,去除Ca2+離子效果最佳。SDS對于去除二價陽離子效果較好,洗脫液中Ca2+、Mg2+質量濃度分別為13.2、1.8mg/L。酸洗對于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物、無機物和微生物。無機物在膜表面和膜孔內(nèi)吸附速度大于有機物,故無機污染層首先吸附進膜孔或覆蓋膜表面,其外包裹有機污染層,二價陽離子的存在會加劇膜的污染。EDTA清洗和酸洗對于無機質(Ca2+、Mg2+等)去除效果好,而膜表面腐殖酸、蛋白質、多糖等有機質不能被酸溶解,反而使其附著更加緊密;堿液對此類有機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(推測為大分子有機物膠體),而堿洗能夠去除這類有機污染物質。由此推斷,最佳清洗方案應先去除外層有機污染,再去除內(nèi)層無機污染。因此,使用堿洗-酸洗或堿洗-EDTA清洗2種復合清洗方法可以達到更好的清洗效果。3有機物的去除效果本文以混凝-超濾組合工藝為基礎,討論工藝對南方水庫源水水質凈化的效果、工藝運行情況及清洗方法,得到如下結論:1)組合工藝對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,對有機物(CODMn、DOC、UV254)的平均去除率為38%。有機物分子量分布測試結果表明,組合工藝對相對分子質量為1000～2000的有機物去除率大于48%,對相對分子質量為500～1000的有機物