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        陶瓷微濾膜在納濾系統(tǒng)預(yù)處理的生產(chǎn)性試驗

        2022-05-12 08:10:00樊丞越頡亞瑋劉宏遠
        凈水技術(shù) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:產(chǎn)水量濾餅原水

        張 奔,樊丞越,肖 鑫,頡亞瑋,劉宏遠

        (浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,浙江杭州 310023)

        納濾(nanofiltration,NF)技術(shù)作為一種高效節(jié)能的分離技術(shù),能夠有效去除水中大部分有機污染物和多價無機鹽離子[1]。關(guān)于NF系統(tǒng)預(yù)處理工藝的研究一直是水處理行業(yè)的熱點,采用合適的預(yù)處理工藝可降低NF工藝運行負(fù)荷、減小膜污染。近年來,無機陶瓷膜(ceramic membrane,CM)制備技術(shù)快速發(fā)展,相比有機膜具有耐腐蝕、耐氧化能力強、機械強度高、使用壽命長等特點[2-3],抗污染性更強[4],在給水處理方面的應(yīng)用愈發(fā)廣泛[5-6]。將其作為NF系統(tǒng)的預(yù)處理工藝可有效保護NF系統(tǒng)穩(wěn)定運行,但目前關(guān)于該工藝的嘗試和采用修正污染指數(shù)(MFI)評價CM出水的研究仍然較少。

        因此,本文以某自來水廠出水作為試驗原水,通過生產(chǎn)性試驗,研究了不同孔徑CM出水的淤泥密度指數(shù)(SDI)、MFI、工況差異及對水廠出水中污染物的去除效能,為納濾預(yù)處理系統(tǒng)的選擇提供技術(shù)支撐。

        1 試驗材料與方法

        1.1 試驗方法

        試驗規(guī)模為20 m3/h,具體工藝流程如圖1所示,主要包括CM裝置、產(chǎn)水箱、酸洗/堿洗加藥箱、壓力罐及其配套空壓機等。試驗流程:水廠出水通過增壓泵進入CM膜殼(單個膜殼加裝3只膜)中,以死端過濾的方式,產(chǎn)水先收集在膜殼上端的產(chǎn)水區(qū),最終收集在產(chǎn)水箱中作為NF系統(tǒng)的進水和CM的反沖洗水。采用4種不同孔徑的CM(0.1、0.3、0.5、1.0 μm),具體參數(shù)如表1所示,每種膜連續(xù)運行1個月后更換。

        注:①增壓泵;②加藥泵;③加藥箱-堿;④加藥箱-酸;⑤壓力罐;⑥CM;⑦反洗泵;⑧產(chǎn)水箱圖1 試驗裝置Fig.1 Experimental Device

        表1 CM性能參數(shù)Tab.1 Performance Parameters of CM

        CM的清洗方式為氣水反沖洗+化學(xué)清洗,運行參數(shù)如表2所示。氣水反沖洗中,單支膜曝氣反洗水量為15 L/次,曝氣反洗氣量為0.2 Nm3。4種CM的初始膜通量為12.31 m3/(m2·d),待膜通量下降至7.39 m3/(m2·d)時進行化學(xué)清洗。步驟如圖2所示:首先排空膜殼中的水,加藥泵將堿液填滿膜殼,通過循環(huán)泵(反洗泵)循環(huán)清洗1 h,然后用CM產(chǎn)水反洗60 s,同樣的操作進行加酸循環(huán)清洗0.5 h,再用CM產(chǎn)水反洗60 s,化學(xué)清洗結(jié)束后開始正常過濾?;瘜W(xué)清洗中堿洗所用藥劑為500 mg/L NaClO、500 mg/L NaOH、500 mg/L KOH,酸洗所用藥劑為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的檸檬酸。

        表2 CM運行參數(shù)Tab.2 Operation Parameters of CM

        圖2 化學(xué)清洗流程Fig.2 Flow of Chemical Cleaning

        1.2 進水水質(zhì)

        試驗采用浙江省某水廠的出水(未加氯)作為CM系統(tǒng)的進水,進水水質(zhì)如表3所示。

        表3 試驗進水水質(zhì)Tab.3 Test Water Quality

        1.3 SDI和MFI的測定及計算方法

        SDI一定程度上反映了進水的膠體物質(zhì)和懸浮物的含量,是衡量NF系統(tǒng)進水水質(zhì)的重要指標(biāo)[7]。采用美國材料試驗協(xié)會(American Society of Testing Materials,ASTM)標(biāo)準(zhǔn)D4189—2007[8]方法進行測定。在壓力為207 kPa的條件下通過直徑為47 mm、膜孔徑為0.45 μm的MF膜,計算如式(1)。

        SDI=100×(1-T1/T2)/T

        (1)

        其中:T1——初始過濾500 mL水樣所需時間,s;

        T2——經(jīng)過時間間隔T之后,記錄再次過濾得到500 mL水樣所需時間,s;

        T——一般取15 min,計算得到SDI15作為標(biāo)準(zhǔn)參考值。

        MFI是基于濾餅層過濾機制,用以測算NF進水的顆粒污染潛力的重要指標(biāo)之一,該法通過修正和改進SDI方法得出,采用ASTM發(fā)布的測試方法 D8002-15測定[9]。在壓力為207 kPa下通過直徑為47 mm、膜孔徑為0.45 μm的MF膜,記錄過濾V(L)水所需時間t(s),作對應(yīng)的t/V和V的關(guān)系曲線圖。在測試過程中,濾餅層形成與發(fā)展階段,t/V隨著過濾體積增加表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,即可以此衡量MFI的大小。如圖3所示,曲線圖由3個部分組成:(1)孔堵過濾,顆粒在孔隙內(nèi)沉積或堵塞孔隙;(2)濾餅過濾,顆粒在膜表面形成濾餅層(未壓縮);(3)壓縮過濾,餅層過濾階段曲線所對應(yīng)的斜率即為MFI[10]。

        圖3 t/V和V關(guān)系曲線[9]Fig.3 Relationship Curve between t/V and V[9]

        1.4 分析方法

        TOC、UV254、有機物的熒光強度分別采用島津TOC-L分析儀檢測、DR6000紫外可見分光光度計、上海棱光熒光分光光度計F97檢測;電導(dǎo)率和TDS使用HACH多功能水質(zhì)分析儀檢測;鈣鎂離子采用EDTA滴定法。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 CM出水的SDI和MFI

        2.1.1 SDI

        圖4是4種CM進出水SDI的情況,4種CM均可進一步降低試驗原水的SDI,出水SDI均小于4,滿足NF進水SDI<5的基本要求,但降低程度存在差異。對比0.1、0.3、1.0 μm CM進出水SDI的變化可知,膜孔徑越小,對SDI的降低效果越顯著,造成該現(xiàn)象的原因是試驗原水為水廠出水,膠體含量少且粒徑較小,渾濁度在0.1 NTU以下。粒徑較小的膠體在SDI測試過程中被膜片截留,造成測試流量的衰減,表現(xiàn)為不同的SDI。如圖5所示,不同孔徑CM對小粒徑膠體的截留性能不同,孔徑越小,截留效果越明顯,測試膜片上截留的膠體越少。0.5 μm CM比0.3 μm CM出水SDI低的原因可能是試驗原水SDI較低。SDI被認(rèn)為是水源水中顆粒污染物的代表性指標(biāo)[11],SDI較高的原水進入NF膜系統(tǒng)會造成嚴(yán)重的膜孔堵塞,進而發(fā)展為致密濾餅層,嚴(yán)重影響膜組件的使用。0.1 μm CM出水SDI最低,對納濾膜的保護應(yīng)更好。

        圖4 4種CM系統(tǒng)出水的SDIFig.4 Outflow SDI of Four Types of CM System

        圖5 SDI測試膜片F(xiàn)ig.5 Test Membrane of SDI

        2.1.2 MFI

        (1)膜孔堵塞階段

        圖6(a)是不同CM系統(tǒng)出水的MFI,圖6(b)是圖6(a)的局部放大圖。圖6(b)中的a’、b’、c’、d’、e’是膜孔堵塞階段向濾餅過濾階段的轉(zhuǎn)折點。由圖6(b)可知,4種CM和試驗原水在膜孔堵塞階段所經(jīng)歷的過濾體積存在差異,膜孔堵塞階段過濾體積:0.1 μm CM>0.3 μm CM>0.5 μm CM>1.0 μm CM>試驗原水,即0.1 μm CM在膜孔堵塞階段最長,過濾體積為4.1 L。該階段顆粒在膜孔內(nèi)沉積或者顆粒將膜孔堵塞,造成膜不可逆污染[12],膜孔堵塞階段越長,不可逆污染形成的過程越緩慢。

        (2)濾餅過濾階段

        圖6(a)中A、B、C、D、E是濾餅過濾階段的結(jié)束點。由圖6(a)可知,試驗原水MFI為7.13,4種CM(0.1、0.3、0.5、1.0 μm)出水MFI分別為0.80、1.58、2.12、3.75。0.1、0.3、0.5 μm CM對MFI有顯著的降低,1.0 μm CM對MFI的降低程度相對較小。4種CM出水都可以滿足NF進水MFI<10的要求[13]。該階段污染物在膜表面堆積進而形成濾餅層,膜阻力增加,通量降低。MFI越小,表明CM出水水質(zhì)越好,更大程度上減緩NF膜污染的形成過程。

        (3)壓縮過濾階段

        圖6(a)中A、B、C、D、E點后為壓縮階段。由圖6(a)可知,在壓縮階段的曲線變化中,試驗原水的斜率最大,0.3 μm CM和0.5 μm CM較為接近,0.1 μm CM最小。此階段,在驅(qū)動壓的作用下開始壓縮濾餅層,餅層孔隙率隨著顆粒壓縮而降低,濾餅層將越來越致密,膜的不可逆污染占比增大,膜阻力及膜通量急劇下降。該階段曲線的陡峭程度間接表示膜污染的加劇速度,即0.1 μm CM出水對膜污染的形成、加劇及通量的下降影響最小。

        綜合SDI和MFI可知,4種CM均可進一步提升出水水質(zhì),其中,0.1 μm CM出水水質(zhì)最優(yōu),0.3 μm CM和0.5 μm CM出水差異性較小且優(yōu)于1.0 μm CM。

        圖6 4種CM系統(tǒng)出水的MFIFig.6 Outflow MFI of Four Types of CM System

        2.2 CM系統(tǒng)的凈水效能

        2.2.1 對TOC和UV254的去除效果

        圖7是4種CM對TOC和UV254的去除率,孔徑越小,CM對TOC和UV254的去除率越高,0.1 μm CM的去除率是其他CM的2倍以上,但4種CM對TOC和UV254的去除率均小于10%,說明原水中分子寬度在0.1~0.5 μm的有機污染物多于0.5 μm以上的,但大部分有機物的分子寬度小于0.1 μm,無法被4種CM截留。圖8(a)和圖8(b)是試驗原水和0.1 μm CM出水的熒光物質(zhì)檢測圖。試驗原水有2個特征峰,結(jié)合Cobel分類標(biāo)準(zhǔn)[14]可知,試驗原水主要存在腐植酸類有機物和溶解性微生物代謝產(chǎn)物,在經(jīng)過CM過濾后,相比試驗原水特征峰的強度和面域有一定程度的降低。CM主要去除試驗原水中大分子的腐植酸和溶解性微生物代謝產(chǎn)物。

        圖8 試驗原水和CM系統(tǒng)出水的三維熒光響應(yīng)Fig.8 EEM of Test Raw Water and Outflow of CM Systems

        MFCM作為一種選擇透過性的分離材料,分離機理主要為篩分機理,根據(jù)膜結(jié)構(gòu)的差異分為膜表面截留和膜內(nèi)部截留。其中,膜表面截留主要分為3種:①機械截留,膜可截留比它孔徑大或者相當(dāng)?shù)碾s質(zhì);②吸附截留,膜材料本身吸附;③架橋截留,雜質(zhì)因架橋作用被截留。膜內(nèi)部截留主要依靠膜的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部截留作用,將雜質(zhì)截留在膜的內(nèi)部。圖9為試驗原水不同分子量的TOC分布情況,試驗原水中的有機物主要分布在500 Da以下,占總有機物的97.2%。4種CM對TOC和UV254去除率低的原因是試驗原水中主要為500 Da以下的小分子有機物,小于其截留精度,CM對有機物的少量去除主要依靠膜吸附截留和架橋截留。結(jié)合圖7可知,CM孔徑越小,膜的吸附截留能力越強。

        圖7 不同孔徑CM對TOC和UV254的去除效果Fig.7 Effect of CM on TOC and UV254 Removal with Different Pore Sizes

        2.2.2 對無機鹽離子去除效果

        圖10是4種CM對電導(dǎo)率、鈣鎂離子和TDS的截留情況,4種CM對鈣鎂離子和TDS的去除率在2%左右,電導(dǎo)率相對于原水下降了2%左右。CM對無機鹽離子去除率低的原因主要是原水中無機鹽離子濃度較低,無機鹽難形成沉淀析出,鈣鎂離子的水合半徑小于CM的截留粒度,對無機鹽離子的微量去除主要源于膜材料的吸附。CM對無機鹽離子幾乎無去除效果,主要依賴NF工藝,為緩解NF膜元件無機鹽結(jié)垢,可采用CM系統(tǒng)前端增加軟化除鹽工藝或微絮凝工藝等。

        表4 CM清洗次數(shù)Tab.4 Cleaning Times of CM

        圖9 試驗原水分子量分布Fig.9 Molecular Weight Distribution of Test Raw Water

        圖10 不同孔徑CM對電導(dǎo)率、TDS和鈣鎂離子的去除效果Fig.10 Effect of CM on Conductivity, TDS and Ca2+/Mg2+ Removal with Different Pore Sizes

        圖11 不同孔徑CM系統(tǒng)產(chǎn)水量及膜通量變化Fig.11 Water Treatment Capacity and Membrane Flux Changes in CM Systems with Different Pore Sizes

        2.3 工況差異性分析

        圖11是不同CM的平均日產(chǎn)水量和一個化學(xué)周期內(nèi)每日膜通量下降情況。4種CM(0.1、0.3、0.5、1.0 μm)一個化學(xué)周期內(nèi)每日膜通量下降情況為19.61%、14.49%、11.11%、8.89%,其中0.1 μm CM下降最快,0.3 μm CM和0.5 μm CM相對接近,1.0 μm CM下降最慢。0.1 μm CM產(chǎn)水量相比其他3種CM最低,為297.7 m3;1.0 μm CM產(chǎn)水量最高,為381.0 m3;0.3 μm CM和0.5 μm CM產(chǎn)水量相差不大,分別為365.0 m3和370.9 m3。0.1 μm CM產(chǎn)水量相比其他CM較低的原因是其膜通量下降快,需要頻繁物理清洗和化學(xué)清洗,由表4可知,0.1 μm月物理/化學(xué)清洗次數(shù)最多,分別為174次和17次。

        CM預(yù)處理系統(tǒng)運行成本主要考慮電費、藥劑費和人工費。由表4可知,CM孔徑越小,月物理/化學(xué)清洗次數(shù)越多,頻繁的物理/化學(xué)清洗導(dǎo)致藥劑費、電費和人工費的增加。0.5 μm CM清洗頻次相比其他3種CM適中,結(jié)合出水水質(zhì)及SDI、MFI的分析,0.1 μm CM雖然出水水質(zhì)和SDI、MFI的去除效果最佳,但是產(chǎn)水量顯著低于其他3種CM。0.3 μm CM和0.5 μm CM出水SDI均小于3,且t/V和V曲線圖的變化趨勢相近,但0.5 μm CM膜通量下降相對較緩,化學(xué)清洗頻率降低,日常維護上更加經(jīng)濟,適合作為NF系統(tǒng)的預(yù)處理工藝。

        3 結(jié)論

        (1)從CM出水的SDI、MFI等參數(shù)考慮,4種CM相比試驗原水都有一定程度的降低,4種CM出水的SDI和MFI均滿足納濾的進水要求,其中0.1 μm CM去除效果更好。從實際工程角度考慮,在滿足NF系統(tǒng)進水條件下,0.5 μm CM產(chǎn)水量高,物理/化學(xué)清洗頻率及維護管理成本相對較低,更適合作為NF系統(tǒng)的預(yù)處理工藝。

        (2)試驗原水中有機物的分子量主要分布在500 Da以下,4種CM對小分子有機物去除效果不顯著,有機物去除率小于10%,對無機鹽離子基本上沒有去除。

        (3)本研究受限于研究時間等影響僅從CM處理本身展開討論,后續(xù)將結(jié)合CM預(yù)處理與NF膜工藝,研究CM預(yù)處理對納濾膜污染關(guān)鍵因子的去除作用以及運行成本等方面的影響。

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