基于反渗透工艺处理地下水的试验研究

张洪菊

(西宁市湟中区水利项目服务中心,青海 西宁 811600)

压力驱动膜法作为水工业中的一种处理方法引起越来越多的关注。与传统处理相比,膜处理在去除颗粒和溶解污染物(包括致病微生物、硬度和产品前体消毒)方面具有竞争力和效率[1]。具体而言,反渗透(RO)膜显示出对TDS和有机化合物的最佳整体去除[2]。因此,反渗透膜可用于生产用于工业目的、特别是饮料工业的高质量饮用水。

污垢在膜表面积聚导致的膜污染是反渗透系统故障的主要原因。反渗透膜污染是一种复杂的现象[3-5],涉及有机、无机和生物材料以颗粒或胶体悬浮液的形式沉积[6]。膜污染会导致一些有害影响,包括通量逐渐下降导致的产水量减少、恒定产水量所需的施加压力增加、导致膜寿命缩短的膜逐渐降解以及渗透质量下降[7]。

污垢是指颗粒和胶体沉积在膜表面,以及较小的溶解物质沉淀在膜孔内和膜表面,导致的孔隙堵塞和外部孔隙堵塞[8]。在胶体和大分子对超滤(UF)和微滤(MF)膜的污染机理中,孔隙堵塞是重要的,但在反渗透膜和纳滤(NF)膜中,其作用并不重要[9]。反渗透膜结垢也可以作为沉淀结垢或生物生长结垢而出现[10]。

在这项研究中,对饮料行业的地下水反渗透装置进行了12个月的试验观察。首先,根据对地下水中不同物种的排斥程度来评估反渗透处理的性能[11]。根据总溶解固体(TDS)和微生物去除效率来评估水质。其次,利用串联电阻理论研究地下水的污染潜力。

1 材料和方法

1.1 装置的简要说明和操作

再生水反渗透处理系统见图1。它包括进水单元、预处理单元、反渗透处理单元、加药单元、运行监控单元和后处理单元[12]。再生水反渗透处理系统通常以经过二级或三级处理的城市污水或工业废水为原水。预处理单元包含多个处理过程,如消毒预处理、介质过滤、超滤/微滤等。水进入预处理部分[13],包括注入次氯酸钠(1.75 mg/L)作为消毒剂,通过一系列初始过滤步骤,以去除水中的颗粒物质和胶体固体,这些步骤包括砂滤器、活性炭过滤器和分别为10 μm和2 μm的微滤筒式过滤器。

图1 典型再生水反渗透处理系统示意(括号中的值为相对体积流量)Fig.1 Scheme of a typical RO system for treatment of reclaimed water

反渗透处理单元是整个系统的核心单元,通常包括保安过滤器、反渗透装置、反渗透产水箱等[14]。加药单元是保障整个系统稳定高效运行的关键,反渗透系统涉及的药剂种类较多,通常包括阻垢剂、非氧化性抑菌剂、还原剂、膜清洗药剂等。此外,预处理单元通常会采用氯消毒灭活进水中的微生物从而控制生物污堵,超滤/微滤单元也需要用柠檬酸、次氯酸钠等进行定期的化学清洗。

运行监控单元主要用于监控反渗透系统的运行状况,如产水流量、产水电导率等[15],以便及时调整运行工况,满足用户对产水水量、水质的要求。后处理单元是指在用户端对水质要求较高、反渗透处理无法完全满足要求时,需要对反渗透产水进行进一步处理,如进行消毒、高级氧化或离子交换等处理。根据图1所示的方案,在部分循环模式下运行的反渗透装置中处理来自预处理单元的水流。在反渗透装置的上游,注入阻垢剂,以抑制膜表面微量溶质的沉淀。

1.2 水质特征

通过在处理之前、在预处理步骤之后以及在反渗透处理之后测量水质参数来表征采出水。使用超声波计测量总溶解固体和电导率。根据标准通过滴定测定碱度。使用原子吸收技术测量钙、钠、钾、硫酸盐、铁、氯化物和硝酸盐,见表1。

表1 地下水、预处理水和渗透物的组成Tab.1 Composition of groundwater, pretreated water and permeate

2 结果和讨论

理化分析结果(表1)表明,地下水输送的原水含有大量的溶质和悬浮固体(TDS范围为757～964 mg/L)。此外,就最重要的离子种类而言,该水的组成表明,原水富含硫酸盐、氯化物和钙,并具有高度的毛环。预处理产生的水的质量表明,浊度下降幅度最大(87%);它从1.3 NTU降低到0.167 NTU。此外,反渗透膜能够对预处理水的离子进行更大的截留,这主要是由于反渗透工艺的可能性。总分析离子的拒绝百分比超过95%。然而,硝酸盐的截留率约为88.18%,略低于其他溶质。

2.1 反渗透处理的有效性

图2显示了总溶解固体中渗透水和给水浓度变化。由图2可知,反渗透膜高度排斥给水中含有的所有物质。截留率在97%～98%之间变化,并在反渗透操作期间保持稳定,这表明渗透质量恒定。

图2 渗透水和给水的TDS浓度变化Fig.2 Change in TDS concentration of the permeate and feed water

2.2 微生物去除效率

微生物质量,在反渗透装置的上游和下游进行的分析包括大肠菌群和总细菌检测的膜过滤程序。结果表明,膜显著减少了给水中存在的细菌总数(图3)。菌落细菌数量从90 UFC/100 mL减少到50 UFC/100 mL,这意味着总消除率为44%。

图3 反渗透装置上游和下游的细菌计数Fig.3 Bacteria enumeration at the upstream and downstream of the RO installation

2.3 平均渗透通量的演变

平均渗透通量是指示反渗透工艺性能的最常用参数[16]。通过将总渗透流量除以总膜表面积,可以很容易地测量全尺寸RO中的平均渗透通量[17]。两个循环的平均渗透通量结果见图4。从图4可以看出,在运行的前12周,平均渗透通量大致保持恒定,此后开始下降。反渗透系统的污垢可能是由于微溶性盐在膜表面积聚而导致的沉淀[18]。

图4 2个循环期间平均渗透通量随时间的变化Fig.4 Evolution of average permeate flux with time during 2 cycles

在通过反渗透从地下水中去除溶解物质的情况下,平板型材料主要附着在膜表面,并导致渗透通量下降。此外,清洁废物的分析揭示了污垢的无机性质。因此,在过滤过程20周后需要进行化学清洗,以恢复初始渗透通量。

2.4 反渗透模块的压降

渗透通量的下降导致维持恒定产水量所需的施加压力增加。反渗透操作的第一个循环期间,膜组件压降的增加见图5。

图5 反渗透模块的压降演变Fig.5 Pressure drop evolution across the RO modules

压降的增加是由于细菌粘附在膜表面和主要用于螺旋缠绕模块的隔离元件上。生物淤积的发展也是通量限制和渗透质量恶化的原因[19]。而生物膜取决于细菌增殖的有利条件,特别是温度、pH值和主要基质(有机物)的存在[20]。然而,在所研究的案例中,温度从未超过23 ℃。此外,有机物比例很小。由原水COD值估算,该值始终不超过11 mg/L。此外,每周在反渗透装置的上游和下游进行的微生物研究未显示两个采样点的显著增殖;渗透物的微生物分析证实了这一点,该分析证实了微生物的存在。

2.5 膜电阻

通过平均渗透通量和相对阻力Rf/Rm之间的关系来评估污垢。根据达西定律[7]计算相对阻力:

其中,(Δp-Δπ))是作为驱动力施加在膜系统上的压力梯度,μ是流体粘度,Rf/Rm是污垢阻力与固有膜阻力的比值。通过观察发现,相对电阻曲线以相同的方式叠加并逐渐增加(图6)。

图6 反渗透操作2个周期的相对电阻随时间变化Fig.6 Relative resistance as a function of time for 2 cycles of the RO operation

一个周期的相对阻力的演变遵循指数规律,相关系数等于0.98:

在20周的操作期间,在膜表面上形成滤饼层,增加了膜阻力,导致渗透通量下降,主要是在膜表面形成碳酸钙和石膏沉积物。最后一次化学清洗后,通过膜分析能说明这个结论。

3 结论

从离子排斥和微生物去除方面考察了反渗透工艺处理生产超纯水的性能。获得的结果有助于提出研究的重要发现,总结如下:

1)反渗透装置的处理有效地降低了地下水的电导率和总溶解固体含量,总离子含量超过95%,并消除了微生物;

2)盐度和渗透压相对较低,渗透通量很重要。尽管如此,在反渗透装置运行20周后,该参数出现了下降,这是膜污染发展的结果;

3)结垢研究表明,在运行20周后,通量下降约10%。采用串联电阻模型研究反渗透膜的污染。相对电阻的演化符合一级指数增长规律,这一演变表明,降水机制是通量下降和膜阻力增强的原因。

然而,化学清洗程序允许分解沉积物,从而恢复初始生产流速。