粉末活性炭-平板陶瓷膜聯(lián)用工藝處理長江水特性研究

曾嶸， 王興雙， 段冬， 婁巖巖， 夏圣驥

（1.同濟大學 環(huán)境科學與工程學院， 上海 200092； 2.常州通用自來水有限公司， 江蘇 常州 213004；3.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司， 上海 200092）

膜處理技術(shù)可有效去除水中的顆粒物、 藻類、 有機物， 具有操作條件簡單、 占地小、 可選擇性分離污染物的特點， 被廣泛應用于飲用水和廢水的處理［1－3］。 與 有 機 膜 相 比， 陶 瓷 膜 具 有 分 離 精 度 高、化學穩(wěn)定性好、 機械強度高、 耐高通量且抗污染等優(yōu)點［4-5］。 陶瓷膜可顯著去除水中無機顆粒物， 降低水中濁度， 但對水中天然有機物的去除效果還有待提高， 且會造成較嚴重的膜污染。 因此， 常將陶瓷膜與預處理工藝聯(lián)用以提升其凈水效果和膜污染控制效果［6］。

目前， 關(guān)于陶瓷膜聯(lián)用工藝的研究多集中在氧化方面， 吸附－陶瓷膜聯(lián)用工藝的相關(guān)文獻報道較少。 粉末活性炭（PAC）作為常用的吸附劑， 可有效去除水中的色、 嗅、 味、 微量有機物、 消毒副產(chǎn)物， 此外還能高效地去除水中的農(nóng)藥和鉻、 汞、鎘等重金屬［7］。 PAC 的吸附能力主要由其性能特點和水質(zhì)環(huán)境、 操作條件決定。 一般來說， PAC 的投加量越高， PAC 吸附有機物的效果越好［8］。

平板陶瓷膜結(jié)構(gòu)簡單、 清洗方便、 易于分析表征膜污染情況。 因此， 本研究采用PAC－平板陶瓷膜聯(lián)用工藝處理長江水， 探究在不同PAC 投加量下， 聯(lián)用工藝對膜污染的控制效果及其對出水水質(zhì)的提升效果。

1 材料與方法

1.1 試驗原水

本試驗采用冬季常州段長江水為試驗原水， 其水質(zhì)參數(shù)如表1 所示。

表1 原水主要水質(zhì)指標Tab. 1 Main quality indicators of raw water

1.2 試驗材料與儀器

平板陶瓷膜由Al2O3制成， 外形尺寸為250 mm×100 mm， 平均膜孔徑為0.1 μm， 有效膜過濾面積為0.04 m2。 粉末活性炭（200 目， 木質(zhì)）。

主要儀器： DR6000 紫外可見分光光度計，TOC－L CPH 型總有機碳分析儀， 熒光分光光度計等。

1.3 試驗裝置

試驗裝置由膜過濾、 數(shù)據(jù)記錄2 個系統(tǒng)組成，裝置示意如圖1 所示。 PAC 于試驗開始時一次性投加。 為防止裝置運行過程中發(fā)生PAC 隨液體流出的“跑炭”現(xiàn)象， 裝置中設置液位控制器， 其高低探頭差不超過1 cm， 可近似認為液位恒定（體積近16 L）。 為防止PAC 在膜池底部沉積， 運行過程中通過曝氣泵實現(xiàn)持續(xù)曝氣。

圖1 試驗裝置示意Fig. 1 Experimental device

1.4 試驗方法

試驗過程中陶瓷膜固定于液面以下， 采用恒定通量模式， 蠕動泵提供過濾動力， 恒定過濾通量為120 L／（m2·h）。 每次運行時間為3 h， 至運行終點時水力反沖洗2 min， 反沖洗通量為200 L／（m2·h）。壓力傳感器檢測管道內(nèi)壓力變化， 信號經(jīng)由通訊控制儀傳送至計算機， 每隔2 s 記錄1 次壓力值。 每組試驗結(jié)束后將陶瓷膜取出， 于50 ～ 100 mg／L NaClO 溶液中浸泡18 h 以上， 以盡可能多地去除膜孔內(nèi)及膜表面殘留的污染物。 試驗以PAC 投加量為變量， 考察其對聯(lián)用工藝處理長江水的凈水效能及膜污染控制效果的影響。 為建立不同條件下試驗間的聯(lián)系， 采用比壓差表征陶瓷膜污染情況。

試驗采用連續(xù)阻力模型來評價膜污染［9］， 膜過濾阻力包括膜固有阻力及膜污染引起的阻力， 而膜污染阻力又可根據(jù)水力反沖洗可逆性分為可逆污染阻力和不可逆污染阻力。 具體計算公式如下：

式中： R 為膜過濾阻力， m－1； TMP 為跨膜壓差， kPa； μ 為動力粘滯系數(shù)， Pa·s； J 為膜過濾通量， L／（m2·h）； Rm為膜固有阻力， m－1； RT為膜污染阻力， m－1； Rr為膜可逆污染阻力， m－1； Rir為膜不可逆污染阻力， m－1。

1.5 分析方法

DOC 采用總有機碳分析儀測定； UV254采用紫外可見分光光度計測定； 三維熒光光譜采用Cary Eclipse 熒光分光光度計測定。 水樣經(jīng)儀器檢測分析前均經(jīng)過0.45 μm 濾膜過濾。

2 結(jié)果與討論

2.1 膜污染控制效果

目前， 關(guān)于PAC 對膜污染的控制效果存在較大爭議。 有研究表明， PAC 能夠通過吸附腐殖酸、單寧酸、 藻源有機物等以緩解膜污染［10］。 也有研究表明PAC 吸附預處理對膜污染控制無明顯作用［11］，甚至可能會由于運行過程中PAC 在膜表面積累而加劇膜污染［12］。

當維持膜運行通量為120 L／（m2·h）時， 不同PAC 投加量下各組陶瓷膜過濾試驗中跨膜壓差變化情況如圖2 所示。

圖2 PAC 投加量對運行過程中跨膜壓差的影響Fig. 2 Effect of PAC dosage on transmembrane pressure difference during operation

由圖2 可知， PAC 預處理可有效緩解膜污染，相較于陶瓷膜直接過濾的情況， 投加PAC 后運行過程中跨膜壓差顯著降低， 但這并不意味著PAC的投加量越高其對膜污染的控制效果越好。 比較PAC 投加量為10、 30 mg／L 對應的跨膜壓差變化情況可知， 提高PAC 投加量可顯著提升PAC 對膜污染的控制效果。 但當PAC 投加量超過30 mg／L 后發(fā)現(xiàn)， 提高PAC 投加量會提高跨膜壓差， 輕微加劇膜污染。 因此， 從控制膜污染的角度考慮， 本試驗中PAC 最佳投加量為30 mg／L。

結(jié)合膜污染指數(shù)、 膜污染控制效率2 個指標，定量分析了不同PAC 投加量下各組陶瓷膜過濾試驗對應的膜污染情況， 結(jié)果如圖3 所示。

圖3 PAC 投加量對膜污染控制的影響Fig. 3 Effect of PAC dosage on membrane fouling control

由圖3 可知， PAC 吸附預處理可顯著降低膜污染指數(shù)， 膜污染指數(shù)表現(xiàn)出隨PAC 投加量的升高而先降低后升高的趨勢。 當PAC 投加量為30 mg／L 時， 該組試驗對應的膜污染指數(shù)最低， 膜污染程度相對最輕， 對應的膜污染控制效率最高， 可達57.08%。 這一結(jié)論與從跨膜壓差角度得到的結(jié)論相互印證。

不同PAC 投加量下膜過濾阻力的變化如圖4所示。

圖4 不同PAC 投加量下膜過濾阻力的變化Fig. 4 Changes of membrane filtration resistance under different PAC dosage

由圖4 可知， 投加PAC 可顯著降低膜污染阻力RT， 但其降低程度并非隨PAC 投加量的升高而升高，而是具有先升高后降低的趨勢。 當PAC 投加量為30 mg／L 時， 其對應的膜污染阻力RT最小， 將其從不投加PAC 時的5.76×1011m－1降至2.59×1011m－1。 膜固有阻力Rm變化幅度很小， 說明陶瓷膜經(jīng)由化學清洗后能去除絕大部分殘留在膜表面或膜孔中的污染物。 從水力反沖洗導致的膜污染可逆性的角度來分析， 可通過水力沖洗去除的膜可逆污染占比較高。投加PAC 可有效降低膜可逆污染和膜不可逆污染，當PAC 投加量為30 mg／L 時， 對應的膜不可逆污染阻力Rir最低， 僅為0.73×1011m－1。

2.2 有機物去除效果

當膜運行通量為120 L／（m2·h）時， 不同PAC 投加量下聯(lián)用工藝對UV254、 DOC 的去除效果如圖5所示。

圖5 不同PAC 投加量下有機物去除效果Fig. 5 Effect of PAC dosage on organic matters removal

由圖5 可知， 陶瓷膜單獨過濾對長江水中UV254、 DOC 的去除效果不好， 水樣中UV254、 DOC值未降低， 反而略微升高。 向原水中投加PAC 有利于提升水樣中UV254、 DOC 的去除效果。 提高PAC投加量對DOC 去除率的影響不大， DOC 去除率在12.01%～20.07%范圍內(nèi)波動。 隨著PAC 投加量的增加， 水樣中UV254的去除率大致上表現(xiàn)出升高的趨勢， 最高可達47.83%。

2.3 三維熒光光譜

根據(jù)高連敬等［14］提出的FRI 方法， 三維熒光光譜可由波長劃分為5 個區(qū)域， 具體的劃分方法見表2。

表2 三維熒光光譜各區(qū)域劃分Tab. 2 Region division of three-dimensional fluorescence spectrum

當 膜 運 行 通 量 為120 L／（m2·h）時， 在 不 同PAC 投加量條件下， 原水和濾后水三維熒光光譜如圖6 所示。

由圖6 可知， 長江水在富里酸類和腐殖酸類熒光區(qū)域， 即區(qū)域Ⅲ和區(qū)域Ⅴ有較強的熒光峰， 且區(qū)域Ⅲ熒光強度高于區(qū)域Ⅴ， 在蛋白類熒光區(qū)域的響應相對較弱。 陶瓷膜直接過濾時， 濾后水與長江水的三維熒光光譜中各熒光區(qū)域熒光峰的強度差別不大， 這說明陶瓷膜過濾對有機物的去除效果并不好。 PAC 吸附預處理使得出水中腐殖酸類熒光區(qū)域熒光強度相較于原水有明顯降低， 且降低程度隨PAC 投加量的增加而增加。 長江水中蛋白類及微生物代謝產(chǎn)物類的熒光強度經(jīng)PAC 吸附后進一步降低。

圖6 不同PAC 投加量下進出水三維熒光光譜Fig. 6 Three-dimensional fluorescence spectrums under different PAC dosage

不同PAC 投加量下濾后水相比于原水各熒光區(qū)域標準積分體積的變化情況如圖7 所示， 其中總量是指熒光區(qū)域Ⅰ～Ⅴ的標準積分體積之和。

圖7 不同PAC 投加量下各熒光區(qū)域標準積分體積去除率Fig. 7 Standard integral volume removal rates of each fluorescence region under different PAC dosage

由圖7 可知， 未投加PAC 時， 陶瓷膜過濾可有效降低長江水中熒光區(qū)域標準積分總體積， 腐殖酸類熒光區(qū)域標準積分體積也有所降低， 其對富里酸的去除效果最優(yōu)， 但蛋白類及微生物代謝產(chǎn)物類熒光區(qū)域標準積分體積卻略有增加。 推測這可能是以下兩方面綜合作用的結(jié)果： 一是持續(xù)運行過程中隨著運行時間的延長， 原水中污染物在膜池內(nèi)逐漸富集， 使得污染物濃度較最初時略有增加； 二是陶瓷膜過濾更易于去除水中腐殖酸、 富里酸等疏水性物質(zhì)。

PAC 吸附預處理可顯著提升工藝對原水中熒光區(qū)域標準積分體積總量的去除效果。 當PAC 投加量從0 提升至30 mg／L 時， 其去除率隨著PAC 投加量的增加而顯著升高。 當PAC 投加量超過30 mg／L后， 增加PAC 投加量對提升去除率的意義不大。本聯(lián)用工藝對腐殖酸類熒光區(qū)域標準積分體積的去除效果最好， 對富里酸類熒光區(qū)域標準積分體積的去除效果最差。 由此可知， 與單獨陶瓷膜過濾情況不同， 投加PAC 后， 對其他有機物的吸附去除效果比對富里酸類有機物的更好。

3 結(jié)論

PAC－陶瓷膜聯(lián)用工藝對長江水的凈水效能及其膜污染控制效果均有大幅提升。 增大PAC 投加量， 可提升對長江水中有機污染物的去除率， 且其變化趨勢逐漸放緩， PAC 對腐殖酸類疏水性有機物的吸附效果最好。 投加PAC 后， 裝置運行過程中的跨膜壓差顯著降低， 可緩解膜污染， 其中膜的水力不可逆污染也得到有效緩解。 在陶瓷膜運行通量為120 L／（m2·h）， 運行時間為3 h 的條件下， 當PAC 投加量為30 mg／L 時， 該聯(lián)用工藝的膜污染控制效率最高， 為57.8%， 對應的水力不可逆污染阻力值也最低， 為0.73×1011m-1。

長江水中富里酸、 腐殖酸、 蛋白類有機物占比較大， 易造成陶瓷膜的水力不可逆污染。 陶瓷膜耐化學清洗， 清洗后其過水能力可大部分恢復。