PAC-UF工藝處理沉淀池出水試驗(yàn)

瞿芳術(shù)，梁 恒，2，王 輝，陳 杰，李圭白，2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150090，qufangshu@163.com; 2.城市水資源開(kāi)發(fā)利用(北方)國(guó)家工程研究中心，哈爾濱150090;3.蘇州立升膜分離科技有限公司，蘇州215152)

目前，我國(guó)大部分的飲用水處理工藝仍是傳統(tǒng)的混凝、沉淀、過(guò)濾工藝.隨著2006年新飲用水水質(zhì)國(guó)標(biāo)的推出，在地表水質(zhì)沒(méi)有根本性好轉(zhuǎn)的情況，傳統(tǒng)飲用水處理工藝很難實(shí)現(xiàn)出水水質(zhì)完全達(dá)標(biāo).因此，大部分水廠在未來(lái)的幾年都需要進(jìn)行工藝改造，而以超濾為代表的膜分離工藝是水廠改造的理想選擇［1］.超濾工藝在水處理中大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙在于膜污染和不能控制溶解性的有機(jī)物質(zhì).Sundaramootthy等［2］研究發(fā)現(xiàn)，不同形態(tài)的NOM對(duì)MF/UF膜污染會(huì)產(chǎn)生不同影響，膠體狀有機(jī)物最容易產(chǎn)生不可逆污染.Lin等［3］還對(duì)腐殖酸的相對(duì)分子質(zhì)量、親水性的污染程度進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)小分子物質(zhì)中的親水性部分所產(chǎn)生的影響更大.這些研究都表明單純依靠膜截留作用處理沉淀池出水時(shí)膜污染風(fēng)險(xiǎn)很高，因?yàn)樗此?jīng)過(guò)混凝沉淀處理之后，水中大部分懸浮顆粒被去除，但是還殘留大量膠體狀和溶解性的有機(jī)物質(zhì)，有必要采取投加粉末活性炭等措施.許多研究表明［4－9］，將PAC的吸附作用與UF的截留作用相結(jié)合可以提高超濾工藝的性能，減緩膜通量的下降速率，并有效控制出水中的溶解性有機(jī)物，減少水中消毒副產(chǎn)物的形成.

本試驗(yàn)以沉淀池出水為處理對(duì)象，研究了PAC－UF工藝控制水中顆粒狀物質(zhì)、有機(jī)污染物的能力和PAC對(duì)超濾膜污染控制的能力，并確定PAC－UF工藝處理沉淀池出水最佳的粉末活性炭投加量，為以超濾代替砂濾的傳統(tǒng)工藝改造提供技術(shù)支持.

1 試驗(yàn)

1.1 原水水質(zhì)

試驗(yàn)用水采用凈水廠平流沉淀池出水，沉淀池出水水質(zhì)詳見(jiàn)表1.

表1 原水水質(zhì)

1.2 試驗(yàn)裝置和材料

試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1.試驗(yàn)中使用的膜組件是由海南立升公司提供的浸沒(méi)式中空纖維膜組件，截留分子質(zhì)量為100 ku，膜的材料為改性PVC.試驗(yàn)中使用的粉末活性炭是山東省萊陽(yáng)市康德化工有限公司產(chǎn)的分析純粉末活性炭.

圖1 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中，粉末活性炭溶液與凈水廠的沉后水在混合池中混合，充分吸附后進(jìn)入膜池，混合液在跨膜壓力的作用下，清水經(jīng)過(guò)膜組件進(jìn)入清水池，膜組件的跨膜壓差由產(chǎn)水泵吸水管的真空度來(lái)提供.試驗(yàn)中采用恒壓方式運(yùn)行，跨膜壓力采用0.04 MPa.粉末活性炭投加采用濕投的方式，先配成一定質(zhì)量濃度溶液，再由加藥泵投加到混合池中.試驗(yàn)中對(duì)0，10，20，30，40，50 mg/L的粉末活性炭投量水平進(jìn)行了研究，每次試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行1 d，對(duì)前12個(gè)小時(shí)通量下降進(jìn)行逐時(shí)監(jiān)測(cè).

1.4 分析方法

濁度采用哈希2100濁度儀測(cè)定;pH值采用HANNA pH211酸度計(jì)測(cè)定;TOC采用德國(guó)Liquid TOC儀測(cè)定;UV254采用北京普析通用儀器公司產(chǎn)的TU－1810紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定;三氯甲烷用Angilent 6890氣相色譜儀測(cè)定，前處理采用美國(guó)OI分析儀器公司的吹掃捕集樣品濃縮儀E-clipse 4660;三氯甲烷生成勢(shì)測(cè)定采用五日氧化法，余氯量控制在 5 mg/L以上，培養(yǎng)溫度在(25±2)℃［10］.

2 結(jié)果與分析

2.1 PAC－UF對(duì)濁度的控制

由圖2可知，浸沒(méi)式膜組件直接超濾沉淀池出水，可以將出水的濁度控制在0.16 NTU，去除率為88%;投加粉末活性炭10～50 mg/L以后，出水的濁度都在0.1 NTU以下，去除率在95%左右，說(shuō)明在膜池中投加粉末活性炭以后，活性炭的吸附作用和粉末炭形成的泥餅層的截留作用能夠增強(qiáng)PAC－UF對(duì)濁度的控制.水廠出水的濁度在0.4 NTU左右，可以看出PAC－UF工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)砂濾池可以很大程度地提高工藝對(duì)水中顆粒及膠體物質(zhì)的去除.

圖2 粉末炭投量對(duì)PAC－UF工藝控制濁度的影響

2.2 PAC－UF對(duì)有機(jī)物的控制

由圖3可知，超濾膜直接處理沉淀池出水，CODMn、UV254和 TOC的去除率分別為16.7%，11.0%和18.5%，這說(shuō)明沉淀池出水還具有部分顆粒狀膠體狀的有機(jī)物，能夠通過(guò)超濾膜實(shí)現(xiàn)分離，但去除的量有限.從粉末活性炭投加量對(duì)CODMn和TOC的去除率影響曲線(xiàn)可以看出，粉末活性炭投量從10 mg/L增加到50 mg/L，CODMn和TOC的去除率僅增加20個(gè)百分點(diǎn)，這說(shuō)明粉末活性炭投加量增加對(duì)水中有機(jī)污染物去除的影響不大，其原因可能在于連續(xù)投加方式不能充分利用粉末活性炭的吸附性能，需要進(jìn)一步考慮粉末活性炭回流或者增加接觸時(shí)間等措施來(lái)解決.從UV254去除率曲線(xiàn)可知，粉末活性炭的投加對(duì)UV254指代的不飽和有機(jī)物的去除效果非常明顯.粉末活性炭投加量增加對(duì)水中有機(jī)物3個(gè)替代指標(biāo)的去除率影響差異很大，僅對(duì)UV254去除水平影響明顯，可能有兩點(diǎn)原因:第一，UV254指代的有機(jī)物相對(duì)分子質(zhì)量范圍在粉末活性炭能高效吸附的相對(duì)分子質(zhì)量范圍內(nèi);第二，UV254指代的有機(jī)物在試驗(yàn)用水的有機(jī)物中占的比重小.從總體上看，PAC－UF工藝處理沉淀池出水時(shí)，粉末活性炭的最佳投加量為20～30 mg/L，投量為20 mg/L時(shí)，CODMn、UV254和 TOC的去除率分別為27.2%，38.5%和30.7%.

圖3 粉末活性炭投量對(duì)PAC－UF控制水中有機(jī)污染物的影響

2.3 PAC－UF對(duì)三氯甲烷生成勢(shì)的控制

飲用水消毒后產(chǎn)生三氯甲烷等消毒副產(chǎn)物一直是飲用水預(yù)氯化處理和液氯消毒中存在的一個(gè)問(wèn)題，也是傳統(tǒng)水處理工藝不可避免的問(wèn)題之一.由圖4可知，沉淀池水經(jīng)過(guò)超濾后，三氯甲烷的生成勢(shì)僅降低5.5%，說(shuō)明超濾膜對(duì)三氯甲烷前驅(qū)物質(zhì)的去除能力非常有限.在投加粉末活性炭以后，三氯甲烷生成勢(shì)大幅度降低，投量為10 mg/L時(shí)，去除率為16.5%，當(dāng)粉末活性炭投加量增至50 mg/L時(shí)，三氯甲烷生成勢(shì)的去除率達(dá)到38.1%，從整體上看，粉末活性炭最佳投量在20～30 mg/L，三氯甲烷生成勢(shì)的去除率在23.9%～31.4%.

圖4 粉末活性炭投加量對(duì)三氯甲烷生成勢(shì)去除的影響

2.4 PAC對(duì)超濾膜污染的控制

膜污染是超濾工藝應(yīng)用的障礙之一.超濾膜污染的方式主要有3種［11－12］:小分子在膜空內(nèi)吸附引起的膜孔窄化;膜表面的膜孔堵塞;被膜截留的物質(zhì)在膜表面形成濾餅層.將粉末活性炭和超濾膜聯(lián)合使用，目的就在于利用粉末活性炭吸附溶解性有機(jī)物質(zhì)減少膜孔窄化和膜表面的膜孔堵塞，減少不可逆污染的形成，同時(shí)在膜表面形成以粉末活性炭顆粒為主的濾餅層，阻止有機(jī)污染與膜表面的接觸.

由圖5可知，超濾膜起始通量隨著粉末活性炭投量的增加而降低，但增幅逐漸減小，這是因?yàn)樵谀こ刂型都臃勰┗钚蕴恐螅勰┗钚蕴垦杆僭谀け砻嫘纬蔀V餅層，從而增加膜阻力降低膜通量.試驗(yàn)期間，監(jiān)測(cè)了PAC－UF工藝運(yùn)行前12個(gè)小時(shí)通量的下降，發(fā)現(xiàn)通量下降基本上可以分為3個(gè)階段:快速下降階段，在裝置運(yùn)行的前1 h，膜污染以膜孔窄化和膜表面的膜孔堵塞為特征;緩慢下降階段，在運(yùn)行的1～4 h，膜污染以濾餅層變厚和變得密實(shí)為特征;穩(wěn)定階段，在4 h之后，以膜污染增加非常緩慢、通量穩(wěn)定為特征.

當(dāng)超濾膜直接處理沉淀池出水時(shí)，通量下降非常快，在第一階段，小分子有機(jī)物在膜空內(nèi)吸附造成膜孔窄化，同時(shí)膠體物質(zhì)可能在膜表面堵塞膜孔，因此膜通量迅速下降;在第二階段，膠體和顆粒物質(zhì)在膜表面逐漸形成密實(shí)的泥餅層，使得膜通量繼續(xù)下降;在第三階段，由于泥餅層截留了大量的雜質(zhì)，降低了膜表面的污染負(fù)荷，使得膜通量下降非常緩慢，進(jìn)入穩(wěn)定階段.在膜池中投加粉末活性炭之后，膜通量下降的規(guī)律同沉后水直接超濾類(lèi)似，但是通量下降的程度比直接超濾小，在第一階段，由于粉末活性炭吸附了水中許多有機(jī)物分子，使得膜孔窄化現(xiàn)象緩和，另外粉末活性炭顆粒迅速在膜表面形成以粉末活性炭顆粒為主的濾餅層，阻止膠體和微小顆粒物質(zhì)與膜表面接觸，減少了膜孔堵塞的現(xiàn)象;在第二階段，膜表面的粉末活性炭濾餅層隨著處理水量的增加而加厚，同時(shí)大量水中的雜質(zhì)在粉末活性炭濾餅層上截留，使得濾餅層變厚、膜阻力增加，因而通量還會(huì)緩慢下降;第三階段，超濾膜纖維絲表面的泥餅層將不再增厚，原因在于泥餅層表面的粉末活性炭顆粒會(huì)在重力的作用下，脫落并沉至膜池的底部，只有部分微小顆粒物質(zhì)和小分子物質(zhì)會(huì)進(jìn)入泥餅層，使泥餅層更為密實(shí)，因此，在穩(wěn)定階段，通量?jī)H有微小的下降.

圖5 粉末活性炭投量對(duì)通量下降的影響

綜上可知，PAC投加確實(shí)能降低膜污染，減少膜通量降低的程度，投量越大，效果越明顯;而且投加粉末活性炭后引起的膜污染可能是以粉末活性炭濾餅層為主的可逆污染，可通過(guò)水力反沖洗解決.有關(guān)長(zhǎng)期運(yùn)行中粉末活性炭對(duì)膜污染的具體影響后期將進(jìn)一步論證.

3 結(jié)論

1)PAC－UF工藝處理沉淀出水，能夠?qū)⒊鏊疂岫瓤刂圃?.10 NTU以下，對(duì)水中顆粒物質(zhì)的去除率達(dá)到95%以上;PAC的吸附作用和超濾膜截留作用的聯(lián)合能夠有效去除沉淀池出水中的有機(jī)物質(zhì)，粉末活性炭的最佳投量在20～30 mg/L，投量為 20 mg/L時(shí)，CODMn、UV254和TOC的去除率分別為27.2%，38.5%和30.7%.

2)PAC－UF工藝能夠有效降低三氯甲烷的生成勢(shì)，當(dāng)粉末炭投加量為20～30 mg/L時(shí)，三氯甲烷生成勢(shì)降低23.9%～31.4%.

3)PAC的投加能夠有效降低超濾膜污染，而且形成以粉末活性炭顆粒泥餅層為主的可逆污染，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的水力反沖洗實(shí)現(xiàn)通量恢復(fù).

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