粉末活性炭-超滤组合工艺处理沉后水的试验研究

张建辉,崔俊华,井天晓,梁衡,李圭白

(1.河北工程大学城市建设学院,邯郸056038;2.华北电力大学能源与动力工程学院,河北保定071000;3.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090;)

超滤(ultra-filtration,UF)和微滤(micro filtration,MF)被认为是代替传统饮用水处理工艺的最佳选择[1-3]。但是由于UF膜有较大的截留分子量,所以不能有效去除色度、NOM(特别是低分子腐殖酸)和人工合成有机物等[4]。为了提高UF对这些物质的去除能力,可将UF与粉末活性炭(powdered activated carbon,PAC)联用。有研究表明PAC-UF是非常有效的水处理工艺[5-7]。

本试验研究粉末活性炭-淹没式中空纤维膜过滤装置联用对东莞市东江水务集团第二水厂沉淀池出水的处理,探讨不同浓度的PAC投加量对出水水质及膜污染的影响,并确定PAC的最优投量。

1 材料和方法

1.1 试验装置和膜组件

本试验装置如图1所示。该装置共有2组并行,运行过程由可编程控制器(programmerable logic controller,PLC)全程控制。试验用超滤膜采用海南立升净水科技实业有限公司提供的外压式中空纤维超滤膜,膜组件自行制作,膜面积0.05m2。超滤膜主要工艺参数如表1所示。以浮球阀稳定膜池液面,过滤方式为终端过滤,过滤通量恒定为30 L/(m2◦h),原水在膜池中的停留时间为20min。超滤以抽吸泵抽吸作为过滤动力,出水端的压力通过压力传感器采集并反馈回PLC记录。通过调整抽吸泵反转进行水洗,使用鼓风机曝气进行气洗。

表1 外压式膜组件主要参数Tab.1 Main parameters of submerged outside-inside membrane module

试验中反洗周期为1h,反冲洗时间为1min,反洗水量为60L/(m2◦h),空气泵连续向反应器内曝气,曝气量为0.8L/min。PAC手动投加,投加量分别为0、10、20和40mg/L,每12h投加一次。

1.2 原水水质特点

本试验原水为东莞市东江水务集团第二水厂沉淀池出水。原水主要水质指标见表2。

表2 原水主要水质指标Tab.2 Main water quality parameters of raw water

1.3 水质指标分析方法

浊度采用HACH-2100N浊度仪测定;温度用酒精温度计测定;CODMn采用酸性高锰酸钾法测定;UV254采用上海精科754N型紫外可见分光光度计测定。

2 污染物去除效果分析

2.1 浊度

图2为UF和PAC-UF的出水浊度对比,图3为不同PAC投加量下浊度的去除率。从图2中可以看出,不论投加PAC与否,出水浊度一直稳定在0.10NTU以下,不受进水浊度的影响。综合图2和图3中可以看出,UF膜对浊度的平均去除率是84.38%,PAC-UF组合工艺对浊度的平均去除率是80.04%,去除效果并没有明显变化。这说明沉淀池出水中产生浊度的颗粒粒径大于膜孔孔径,大部分可以通过膜的截留作用加以去除,也说明UF膜本身对浊度就具有良好的去除效果,投加PAC并未明显提高UF膜对颗粒的去除效率。

2.2 有机物

有机污染物是饮用水中一项重要指标,是造成膜污染的重要因素,考察PAC对有机物的去除效果可更深入了解PAC对膜污染的影响机理[8]。UV254是指在波长254nm处单位比色皿光程下的紫外吸光度。芳香族化合物或具有共轭双键的化合物在紫外区具有吸收峰。UV254可作为TOC及三卤甲烷前体物的替代参数[9-10]。

本试验每天2次测定原水和膜出水CODMn和UV254,其结果如图4和图5所示。其中图4为不同PAC投加量下UF对CODMn的去除效果,图5为不同PAC投加量下UF对UV254的去除效果。

从图4和图5可以看出,随着PAC浓度的提高,PAC-UF组合工艺对CODMn和UV254的去除率也在逐步提高。在图4中,不投加PAC时,UF膜对CODMn的去除率均在30%以下,随着投加的PAC浓度提高,CODMn的去除率也在逐步提高,当投加的PAC浓度为40mg/L时,CODMn去除率基本在50%以上,如果不考虑PAC和UF之间的协同作用,那么可认为增加的去除率是由PAC吸附去除的。在图5中,UV254的去除率随PAC浓度的变化更加明显,在不投加PAC时,UF膜对UV254的平均去除率仅为16.07%,当PAC投量为40mg/L时, UV254的平均去除率达到71.84%,这可以有效减少后续消毒过程中消毒副产物的生成。

3 组合工艺对膜污染的影响

3.1 对跨膜压差的影响

试验中超滤膜采取恒定通量运行,膜污染状况可通过跨膜压差(the transmembrane pressure,TMP)的变化来间接表示[11-12],实验结果如图6所示。

从图6可以看出,相对于PAC投量0mg/L时, PAC投量为10mg/L,TMP增长速度有略微减缓, PAC投量为20 mg/L和40mg/L时,TMP增长速度则大大减缓。其原因可能是：PAC在膜表面形成一层结构疏松的炭膜,这部分炭膜会充当滤饼层的骨架部分;由于结构疏松,使得滤饼层易于被反冲洗去除;且炭膜结构会吸附小分子有机物,减轻了膜孔对有机物的吸附污染,延缓膜污染的进程。

从图6中还可以看出,PAC投量从20mg/L提升至40mg/L,TMP增长速度变化不大,这说明从TMP增长角度来看,20mg/L已经比较适宜。

3.2 膜清洗效果对比

通常认为膜污染主要由吸附、孔堵、浓差极化、滤饼层的形成和压缩等4种原因引起[13]。在试验中,膜清洗分步骤进行,每个清洗步骤都单独记录跨膜压差。过程如下：

1)采用水力反冲洗及曝气清洗,即系统的自动清洗。此步骤主要去除较疏松的滤饼层[14];

2)采用不同药剂进行浸泡清洗,药剂种类依次为pH=12的NaOH溶液,200mg/L的NaClO溶液和pH=2的柠檬酸溶液,浸泡时间均为2h。此步骤主要去除残余的滤饼层,有机物和无机离子造成的吸附及孔堵污染。

以上每步骤均记录TMP,实验结果如图7所示。

从图7中可以看出,水洗后TMP平均降低1.6kPa,NaOH清洗后TMP平均降低1.5kPa,NaClO清洗后TMP平均降低7.3kPa,柠檬酸清洗后TMP平均降低0.7kPa。污染后的膜经过NaClO溶液清洗后TMP降低的幅度最大,表明NaClO溶液清洗的效果比NaOH和柠檬酸好。由于NaClO可以氧化降解有机物,而NaOH和柠檬酸对有机物的降解作用并不明显。所以,造成膜污染的主要物质是水中的有机物。

在不同 PAC投加量下(0、10、20和 40 mg.L-1),水洗、NaOH清洗、柠檬酸清洗造成的TMP下降基本相等,而对于NaClO清洗,TMP的减少量依次为10、8.5、6.5和4kPa。其原因可能是, PAC的投量越大,膜上的有机污染物越少。

从图7中还可以看出,污染后的膜经过水洗及化学清洗后,TMP基本都可以恢复到初始值18kPa,这说明本实验所用的立升的PVC膜具有较好的抗污染性能,PAC-UF工艺可以长期稳定运行。

4 结论

1)超滤膜本身对浊度具有很好的去除效果,投加粉末活性炭并没有明显提高超滤膜对浊度的去除。

2)随着PAC投加量的增加,超滤膜对UV254和CODMn去除率的效果,以及延缓膜污染的效果也越强。

3)PAC-UF工艺中,膜污染后经过化学药洗后TMP可以恢复到初始值,NaClO对膜的清洗效果较好。

4)在本试验的原水条件及运行参数下,综合考虑出水水质、膜污染情况及经济成本,PAC的最优投量为20mg/L。

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