臭氧氧化降低陶瓷膜水浊度的效果
* 来源: * 作者: * 发表时间: 2019-08-26 0:25:51 * 浏览: 17
1引言地表水是饮用水的重要来源，但降雨等季节性因素会影响地表水质。雨季河水浊度显着增加，不仅增加了水厂的处理成本，而且影响了传统工艺的处理效果。因此，有必要开发一种有效的方法来处理雨季的高浊度原水。结果表明，膜过程可有效去除饮用水中的颗粒物和有机物，随着膜制备成本的降低和应用技术的成熟，膜过滤研究及其在饮用水处理中的应用越来越广泛（ Leiknes，2009,2009，Van Geluwe等，2011，Song等，2010）。然而，目前使用的大多数膜是有机膜，其具有差的机械强度和化学稳定性。年龄短，并且为了增强凝结效果，去除藻类和气味等，在水处理过程中添加的氧化剂也可能损害有机膜。因此，迫切需要开发具有高机械强度和抗氧化性的薄膜。满足饮用水处理的需要。陶瓷膜具有高机械强度和良好的化学稳定性的优点，并且可以承受极端污染的环境和清洁条件（Pendergastetal。，2011）。饮用水处理的应用正在增加。截至2010年，日本METWATER已有近100套生产规模设备投入运行，总供水能力约为490×103m3·d-1，最长运行期已超过13年，但未发生膜损坏。同时，陶瓷膜的优异化学稳定性使其可以与臭氧等氧化剂结合使用，减少膜污染，同时改善污染物的去除（Byunetal。，2011，Schlichter et al。，2003，Sartoretal。， 2008）。目前，臭氧陶瓷膜工艺的研究主要集中在臭氧剂量上。数量（Karnik等，2005），原水pH（Karnik等，2007），陶瓷膜表面特征（Cornealetal。，2010，Cornealetal。，2011，Karniketal。，2009，Byunetal。，2011）和工艺操作模式（Kimetal。，2008）。一般来说，陶瓷膜超滤工艺流出物的浊度一般小于0.2NTU，但有些研究发现超滤和纳滤均为孔径虽然孔径小于0.1μm，但仍有2~5μm的颗粒。有机薄膜和陶瓷膜的流出物（Lietal。，2011，Muhammadetal。，2009，Pattersonetal。，2012）。该体积范围的颗粒可能含有隐藏的病原微生物，如子孢子卵囊，这可能会降低饮用水的生物安全性，需要引起重视。此外，臭氧氧化后，颗粒与膜之间的相互作用机制发生了显着变化，这需要进一步探索。因此，臭氧陶瓷膜工艺去除颗粒物的研究不仅有助于阐明臭氧陶瓷膜与颗粒物之间的相互作用机理，而且有助于控制膜污染，提高饮用水的生物安全性。膜处理过程。在本文中，地表水的浊度受降雨的影响。陶瓷膜用于处理不同的浊度原水。讨论了膜通量，颗粒物和有机物指数，研究了臭氧在陶瓷膜超滤过程中的不同浊度。原水的过滤性能和机理为臭氧陶瓷膜在饮用水处理中的推广应用提供了科学依据。 .2材料和方法2.1原水制备在水厂的进水口收集河水沉积物，并以1：10的体积比与河水混合，制备浊度母液。母液通过100目双层不锈钢网后，加入河水中。浊度的原水分别为14,52,108和510NTU。制备的原水pH值为7.8~8.2，UV254为0.050~0.060cm-1，CODMn为2.8~4.0mg·L-1.2.2实验装置图1为示意图臭氧 - 陶瓷膜实验系统的ic图。在该实验中使用的陶瓷膜是单通道不对称管状陶瓷膜（SCHUMASIV，PallFiltersystems GmbH，Germany），平均孔径为100nm。膜和载体材料分别是ZrO2和α-Al2O3。膜管长度为200mm，过滤面积为44cm2，PTFE封装。将新膜用纯水渗透，然后浸入体积分数为2％的硝酸中10小时。膜的初始通量由纯水确定。操作方式为死端过滤，恒定交叉膜压差为0.1MPa。臭氧由纯氧制备，臭氧接触池的尾气被碘化钾溶液吸收。实验中使用的管道和阀门材料均为不锈钢或PTFE。 2.3实验方法原水由蠕动泵输入。池同时开始臭氧曝气，接触池流出物进入白银陶瓷膜组件。通过在线臭氧检测器（Model-600，Ebara）监测臭氧浓度，并通过碘量法定期校准仪器，并通过调节曝气时间来控制臭氧剂量。达到预定剂量（1~5mg·L-1）后，停止通气。通过死端过滤模式过滤，恒定的跨膜压差为0.1MPa。以10分钟的间隔取样，计算通量，并确定通量。浊度，颗粒物质的量，CODMn.2.4分析方法CODMn：酸性高锰酸钾法（TA-88微型自动分析仪，Sinsche），颗粒数：激光照射/光吸收法（GR-1000A激光粒子分析仪，IBR） ，浊度：光散射法（2100P浊度计，HACH），UV254：紫外 - 可见分光光度法（UV-1700，SHIMADZU），有机物分子量：分子排阻色谱（LC-20A液相色谱，SHIMADZU，TSK-3000SWXL凝胶）柱。通量由公式Ft = Qt / S计算，其中Ft是时间t处的膜通量（L·m-2·h-1），Qt是膜在时间t的流出物。流速（L·h-1），S是膜面积（m2）.3结果3.1陶瓷膜通量变化图2显示了陶瓷膜过滤不同浊度原水时膜通量的变化。从图中可以看出，膜通量变化分为两个阶段：第一个10分钟是膜通量快速下降阶段，陶瓷膜初始通量为2045L·m-2·h-1，陶瓷膜将膜分别过滤10分钟。四种原水的膜通量分别降至初始通量的25.0％~28.5％。过滤20分钟后，膜通量很慢。近线性下降趋势。臭氧氧化后，膜通量得到改善。与没有臭氧的情况相比，添加3mg·L-1臭氧增加了14,52和108NTU原水的浊度的膜通量。添加5mg·L-1臭氧可使这三种浑浊原水的膜通量分别增加116.3％，65.1％和52.2％，分别增加116.3％，95.1％和71.1％，但添加1mg·L。这三种浑浊原水的膜通量没有显着提高-1和2 mg·L-1臭氧，平均增长率分别为16.4％至36.8％，2.6％至17.3％和8.5％至16.6％。 。随着原水浊度的增加，臭氧对膜通量的影响逐渐减弱，不同臭氧剂量之间膜通量的差异逐渐减小。臭氧对510NTU原水膜通量的影响最小，1~5mg·L-1臭氧只能使膜通量增加12.5％~21.7％.3.2陶瓷膜出水中颗粒量的变化。图3显示了陶瓷膜流出物中2~3μm颗粒量的变化。 14,52,108和510 NTU原水，2~3μm颗粒量约为3×103,38×103,66×103和110×103·mL-1（平均值），陶瓷膜出水浊度小于0.15NTU，2~3μm的最大颗粒数为35·mL-1，低于普通砂滤器中颗粒物的量（约100·mL-1）。在初始过滤中，即在0min附近，膜中的颗粒物质的量最高，并且随着过滤的进行，t膜的颗粒物质被排出。数量逐渐减少和稳定。 20分钟后，基本上形成污染层，并且膜流出物中的颗粒物质的量稳定在约10mL-1。当用不同的浊度原水分别过滤陶瓷膜时，滤出膜中2~3μm颗粒的量。适用于10~15·mL-1。加入1和2mg·L-1臭氧后，初级过滤出水中颗粒物的含量没有明显变化，但3和5mg·L-1臭氧的氧化可以增加初级过滤出水中颗粒物的含量。 。增加到22~36·mL-1。膜污染层形成后，原水的初始浊度和加入膜流出物中的臭氧量对颗粒物的量没有明显影响。此时，一体化工艺膜流出物中颗粒物的量低于15·mL-1.3.3通过一体化工艺去除CODMn的效果。图4是陶瓷膜出水中CODMn的变化曲线，考虑到510NTU的原水浊度太高，用TA-88微量分析仪测量COD。浊度太高会影响测量结果。因此，文中没有给出浊度下的CODMn曲线。从图4中可以看出，没有添加臭氧。在过滤的情况下，14,52和108 NTU原水中的CODMn分别下降了27.4％，28.1％和39.1％。不同浊度原水中CODMn的平均去除率小于10.0％。 5mg·L-1臭氧氧化对CODMn的去除效果高于其他臭氧。在一体化工艺中添加5mg·L-1臭氧，改善了膜，CODMn在14,52和108NTU原水中对有机物的去除。平均去除率可以提高到28.7％，43.5％和46.9％。加入3mg·L-1臭氧氧化后，三种原水中CODMn的平均去除率分别为19.4％，32.2％和38.4％。当L-1臭氧剂量增加时，膜流出物的有机物浓度相对于非剂量增加氧气的情况增加。这表明陶瓷膜对有机物的截留效应与臭氧氧化程度有关：一方面，臭氧可以将一些有机物完全分解为二氧化碳，从而导致原水CODMn的减少。另一方面，臭氧氧化可以促进一些有机物质。通过膜，它将导致膜流出物中有机物质的增加。 4讨论（讨论）4.1通量变化机理分析在陶瓷膜分离过滤和臭氧 - 陶瓷膜一体化过程中，不同浊度原水的膜通量在过滤初期（0~10min）迅速降至20.0％初始通量的~30.0％。在现有的臭氧陶瓷膜工艺研究中也有类似的报道（Kimetal。，2008，Byunetal。，2011）。实验中使用的原水取自河流，含有天然有机物（NOM）和无机颗粒物。杰曼等人。 （2007年，2008年）认为无机颗粒物质和NOM组分对膜具有协同污染，导致膜通量迅速下降。黄等人。 （2008）认为过滤初始膜孔堵塞和滤饼形成过程共存，并且大量颗粒物质在膜表面上快速积聚，导致过滤过程迅速阻塞膜孔。过滤滤饼。在这项研究中，在较高的跨膜压差（TMP）和较大的初始通量（2045L·m-2·h-1）下，大量污染物被原水带到陶瓷膜上。原水中的颗粒物质和溶解的有机物质导致膜孔堵塞并在膜表面上形成污染层，这两者都导致过滤通量的快速下降。 10分钟后，通量下降速度减慢。从表2可以看出，从第20分钟开始，膜过滤进入过滤状态，其中通量随时间线性减小，这表明此时膜孔堵塞过程基本上是稳定的。臭氧氧化可以改善不同浊度r的膜通量水。以浊度为14NTU的原水为例臭氧氧化后，与没有臭氧氧化相比，膜通量增加了36.8％~116.3％。许多报告表明，原水中的天然有机物（NOM）和颗粒物质是导致膜污染的主要因素（Karnik等，Leeetal。 ，2004，Sch228，feretal。，2000）。实验中膜通量的增加表明臭氧的氧化导致原水的性质发生变化，进而影响膜通量。从图3中可以看出，无论是否添加臭氧，都可以保留陶瓷膜。原水对于大部分颗粒物，膜流出物中2~3μm颗粒的量低于40·mL-1。然而，在加入3和5mg·L-1臭氧后，膜流出物中的颗粒物质的量在过滤的初始阶段增加。有利于减缓膜污染，减少膜通量的减少。从图5可以看出，随着臭氧用量的增加，一体化工艺流出物UV254的去除效率得到提高。然而，在相同的臭氧剂量下，CODMn的去除率明显低于UV254.CODMn和UV254两种有机指标具有不同的去除效果，表明臭氧预氧化改变了有机物的官能团结构，但不会降解它二氧化碳。图6中所示的有机物的分子量分布变化直接表明氧化在分子量为1000Da后，分子量的有机物质减少，分子量为390Da的有机物质增加。臭氧氧化后，有机物的分子量降低，亲水性增强，陶瓷膜更容易渗透。降低膜上有机物的污染程度，减轻膜通量的降低。 4.2颗粒物质含量变化的机理分析在本研究中，原水的浊度为14,52,108和510NTU，颗粒直径大于2μm的颗粒数量分别为20。 ×103~25×103·mL-1,156×103~173×103·mL-1,220×103~290×103·mL-1和560×103~660×103·mL-1（5批次相同水样的实验范围值）。从图3中可以看出，在用孔径为100nm的陶瓷膜过滤后，高达99％的颗粒被捕获，但是流出物仍含有相当数量的颗粒，其颗粒直径大于100nm。 2微米。最大数量可达36·mL-1。相应地，臭氧对通量的贡献也因膜污染的快速形成而相对减弱。因此，随着浊度增加，臭氧对膜通量的影响逐渐减弱臭氧。它可以显着影响颗粒物质的稳定性，但仍不清楚臭氧是否在改善或降低颗粒物质的稳定性（Chandrakanthetal。，1996，Beckeretal。，2001）。在这项研究中，添加臭氧后原水中2~3μm颗粒的量。增加，大颗粒数量减少（表3），随着臭氧用量的增加，颗粒量增加2~3μm。这种现象类似于Yan等人的研究结果。 （2007年）。这可以是臭氧预处理后吸附在氧化可分解颗粒上的大分子有机物。也可以分解由大分子有机物质收集的大颗粒。因此，氧化后小颗粒增加。氧化后原水中的颗粒的体积分布发生变化，颗粒的空间位阻效应降低，使其更加容易通过陶瓷膜。另一方面，在臭氧氧化之后，有机物质的分子量变小，有机物质的亲水性增强，并且对膜的亲和性提高。相关研究表明，预处理过程是改变污染物的体积。改变污染物之间或污染物与膜之间的亲和力会影响膜的过滤性能（Huang等，2009）。因此，臭氧氧化可以降低颗粒物质的空间位阻效应并增强其亲水性有机物。反过来，膜的过滤性能发生变化，导致在过滤初始阶段膜流出物中2~3μm颗粒的量增加（图2）。 3）。 52NTU原水通过3mg·L-1和5mg·L-1臭氧氧化后，膜过滤初始阶段出水中2~3μm颗粒量高于其他3组原水这可能与原水中有机物含量高有关。因为较高的有机物浓度有利于臭氧的反应，臭氧的氧化对膜的性能影响更为明显。过滤20分钟后，堵塞后的膜孔和形成的滤饼对颗粒物质具有良好的保留效果。在此阶段，膜中的颗粒物质的量不会显着改变。实验中使用的陶瓷膜的平均孔径分布为100nm。然而，仍然可以在膜流出物中检测到大于2μm的颗粒。原因可能如下：一方面，可能是因为陶瓷膜具有大于平均孔径分布的异常膜孔，另一方面，纯有机物质处于压力下。可能发生变形并通过蠕变作用穿过膜，然后返回到原始状态，导致膜流出物含有大于膜孔径的颗粒。后一个原因对于通过膜孔解释细胞或孢子形式的病原微生物的过程具有意义。微观过程需要进一步详细研究。 5结论（结论）1）氧氧化改变有机结构是膜通量增加的主要原因。在3~5mg·L-1臭氧用量下，与未添加的臭氧相比，14,52,108和510NTU原水的陶瓷膜通量增加。 104.9％~116.3％，65.8％~65.1％，52.2％~71.1％和21.7％~23.6％，1~2mg·L-1臭氧可使膜通量增加2.6％~36.8％。随着原水浊度的增加，臭氧对膜通量的影响减弱。 2）添加3~5mg·L-1臭氧导致初始膜出水中2~3μm颗粒的量增加。整合过程可以去除原水中99％以上的颗粒物质。在浊度原水的膜出水中，2~3μm颗粒的量小于40·mL-1.3。臭氧氧化可以改变原水中有机物的分子结构，小分子量的有机物增加，这对膜过滤特性有显着影响。 1~3mg·L-1Ozone导致膜出水中CODMn略有增加，原水中CODMn去除率为14,52和108 NTU，5mg·L-1臭氧从27.4％，28.1增加未掺杂臭氧的％和39.1％分别为28.7％。 43.5％和46.9％。陶瓷过滤器陶瓷膜陶瓷膜过滤器
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