微濾去除懸浮物和天然有機(jī)物的試驗(yàn)研究

張紅要

(廣州市凈水有限公司，廣東 廣州 510627)

近年來，膜分離技術(shù)不僅越來越多地用于海水的水處理[1]，而且也越來越多地用于地面、地表和廢水的處理[2]。和傳統(tǒng)的水處理方法相比(如混凝和經(jīng)典過濾)，膜分離技術(shù)越來越流行的原因主要在于通過使用膜分離技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)完美水質(zhì)[3]。

膜分離技術(shù)解決了水中不良物質(zhì)超標(biāo)的問題[4]。這些物質(zhì)的存在，使得水很難成為優(yōu)質(zhì)水[5]。這些技術(shù)的最大優(yōu)勢在于，它們能夠完全去除氯無法消除的病原微生物[6]。膜分離技術(shù)與水的適當(dāng)預(yù)處理相結(jié)合的方法也非常有效，可去除一些天然有機(jī)物。

1 膜法的比較

1.1 微 濾

與傳統(tǒng)過濾方法相反，當(dāng)從水中去除的較小顆粒的尺寸為μm時，在使用微濾的過程中，尺寸為104～102nm的顆?？赡軙槐Ａ?。微濾的壓力要求高達(dá)2 bars。這一過程被用于去除水中的懸浮物、細(xì)菌、藻類和原生動物。最常見的是在飲用水處理中應(yīng)用微濾。微濾膜組件通常是平板膜組件或帶有由聚合物和管狀制成的中空纖維膜組件。微濾可以通過兩種方式進(jìn)行，即死端過濾(DEF)和錯流過濾(CFF)。但目前，另一種更為普遍的過濾方法也越來越流行——死端過濾和錯流過濾相融合的方法(交叉流過濾)，如圖1所示。

圖1 交叉流過濾方法

1.2 超 濾

通常使用超濾來分離大分子。因此，直徑約為0.002 μm的顆粒和直徑約為100 nm的更大顆粒也可以進(jìn)行分離。膜前和膜后所需的壓差僅略高于微濾時的壓差。超濾的膜組件類似于微濾。

1.3 納 濾

低分子量的有機(jī)物通常使用納濾進(jìn)行分離。分離物質(zhì)的大小以分子量為單位。膜前和膜后所需的壓差高于超濾時的壓差。納濾的膜組件僅使用螺旋纏繞膜組件，中空纖維膜組件很少。但它們所用的材料總是相同的，即聚合物材料。

腐殖酸物質(zhì)存在于幾乎所有的天然水體中，通常為有機(jī)污染的主要成分。

腐殖物質(zhì)對水質(zhì)及其處理的負(fù)面影響可概括為：增加水的顏色強(qiáng)度；增加水的酸度；影響金屬絡(luò)合物的形成，增加水中的重金屬含量；影響水氯化過程中產(chǎn)物的形成；降低已凝固的低分子量黃腐酸的可去除性；增加水處理過程中凝固劑和消毒劑的消耗。

水中有機(jī)鹵素化合物的重要前體主要是黃腐酸和腐殖酸。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，與腐殖酸相比，黃腐酸在有機(jī)氯化合物中的含量增加了約60%。為了防止氯代烴的形成，有必要降低水中腐殖物質(zhì)的含量或改變消毒方法。

在實(shí)踐中，天然有機(jī)物是造成水中棕黃色的主要因素。因此，顏色的測量可以用來判斷水中天然有機(jī)物的含量。

2 材料與方法

本研究進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)旨在研究使用不同混凝劑的陶瓷膜微濾法的性能(從地表水中有效去除濁度、顏色、有機(jī)物、固體物質(zhì)、活生物體、殘余混凝劑等方面的性能)。

該試驗(yàn)使用性能為5 m3/h的微濾裝置進(jìn)行了膜過濾試驗(yàn)?；炷托跄謨蓚€階段運(yùn)行。在第一階段，混凝劑被投加到靜態(tài)混合器中，該混合器將混凝劑輸送到第二階段。第二級為管狀絮凝器。在膜組件中，放置了一個陶瓷元件，其膜表面積為25 m2，孔徑為0.1 μm，由2000根直徑為2.5 mm的小管組成。首先，在5 bars的壓力下進(jìn)行反沖洗。然后在2 bars的壓力下進(jìn)行曝氣。利用20 s的時間進(jìn)行清洗和通風(fēng)。剩下的被引入廢水蓄水池。從試驗(yàn)開始每2 h進(jìn)行一次膜清洗，試驗(yàn)結(jié)束后每4 h進(jìn)行一次膜清洗。

設(shè)備本身在上述時間間隔內(nèi)自動執(zhí)行化學(xué)清洗。該過程可以是氧化的，也可以是酸性的。硫酸濃縮物用于每天進(jìn)行一次的酸性化學(xué)清洗。使用次氯酸鈉進(jìn)行氧化清洗，實(shí)驗(yàn)開始時每天進(jìn)行一次，試驗(yàn)后期每天進(jìn)行三次。時間間隔的延長是為了避免跨膜壓力的增加，因此沒有必要頻繁地進(jìn)行氧化清洗。

3 結(jié)果和討論

進(jìn)行試驗(yàn)的目的是評估當(dāng)水比較純凈時，在水處理過程中，在陶瓷膜上使用微濾技術(shù)進(jìn)行初步凝固的可能性。在水比較純凈的季節(jié)，較高的活性(生物活性)是該季節(jié)水質(zhì)的典型特征。

圖2為使用硫酸鐵或聚合氯化鋁作為混凝劑進(jìn)行微濾時的不同性能。水處理測試后的結(jié)果表明，處理后的水符合國家標(biāo)準(zhǔn)。圖3表明如果不使用凝固劑，堵塞膜孔的速度更快，跨膜壓力也隨之增加。因此，縮短過濾過程的一般后果是需要更頻繁的進(jìn)行膜清洗。這意味著水處理成本的增加。

圖2 不同混凝劑對微濾過程的影響

圖3所示為前4 d投加硫酸鐵混凝劑和隨后8 d 投加聚合氯化鋁混凝劑的區(qū)別。投加混凝劑硫酸鐵后，鐵的值在0.47～1.59 mg/L之間，而投加混凝劑聚合氯化鋁，鋁的值在0.020～0.294 mg/L 之間。在過濾后這些值接近于0 mg/L。

圖3 不同混凝劑對鐵和鋁的過濾效果

圖4(a)顯示了原本水中的濁度值(范圍在2.14～3.89 NTU)以及投加混凝劑硫酸鐵進(jìn)行微濾后的濁度值(范圍在0.09～0.16 NTU)。在使用混凝劑聚合氯化鋁進(jìn)行第二次試驗(yàn)的情況下，原本水中的濁度值在2.36～5.16 NTU，投加混凝劑進(jìn)行微濾后的濁度值在0.08～0.19 NTU(圖4(b))。

圖4 微濾試驗(yàn)中水的濁度變化情況

圖5(a)顯示了原本水中的pH值(范圍在7.65～8.34)以及投加混凝劑硫酸鐵進(jìn)行微濾后水中的pH值(范圍在7.11～7.49)。在使用混凝劑聚合氯化鋁進(jìn)行第二次試驗(yàn)的情況下，原本水和過濾后水中的pH值分別在7.65～7.89和7.22～7.85之間(圖5(b))。

圖5 微濾試驗(yàn)中水的pH值變化情況

4 結(jié) 論

本文中試驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)了陶瓷微濾膜能夠很好地處理地表水，并使其成為飲用水。試驗(yàn)中的膜分離技術(shù)屬于低壓膜技術(shù)，具有很高的化學(xué)耐受性。在加入不同混凝劑進(jìn)行微濾后，會改善水中的濁度及pH值，且會將水中的鐵和鋁的含量降低至約0 mg/L。如果不使用混凝劑，可能會在一定程度上增加過濾的成本。但本文試驗(yàn)中選取的水的類型較少，無法驗(yàn)證使用微濾對所有類型的水進(jìn)行處理的適用性，后續(xù)應(yīng)該對該方法進(jìn)行更廣泛的驗(yàn)證。綜上所述，該技術(shù)是一種有前景的水處理技術(shù)，可通過該技術(shù)獲得高質(zhì)量的飲用水。