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臭氧氧化对陶瓷膜降低水浊度的影响

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-12-03 5:28:59 * 浏览: 0

1 引言

地表水是重要的饮用水源水,但降雨等季节性因素会影响地表水水质.雨季河水浊度会大幅上升,不仅增加了水厂处理成本,还可能影响到传统工艺的处理效果.因此,需要开发一种有效的工艺方法,处理雨季高浊度原水.研究发现,膜工艺能有效去除饮用水中的颗粒物和有机物,且随着膜制备成本的降低及应用技术的成熟,膜过滤在饮用水处理中的研究与应用日趋广泛(Leiknes,2009;2009;VanGeluweetal.,2011;Songetal.,2010).但当前所用的膜大多为有机膜,其机械强度和化学稳定性较差,使用年限短;而且为增强混凝效果,去除藻类和臭味等,水处理工艺过程中投加的氧化剂也会对有机膜产生危害.因此,迫切需要开发一种机械强度高且耐氧化的膜,以满足饮用水处理的需求。

陶瓷膜具有机械强度高、化学稳定性好等优点,能够耐受极端污染环境和清洗条件(Pendergastetal.,2011),在饮用水处理中的应用日渐增多.截至2010年,日本METWATER公司已有近100套生产规模设备在运行,总供水能力约为490×103m3·d-1,最长运行年限已超过13年,但均无膜破损现象发生.同时,陶瓷膜优良的化学稳定性使其可以与臭氧等氧化剂联用,在改善污染物去除效果的同时减缓膜污染(Byunetal.,2011;Schlichteretal.,2003;Sartoretal.,2008).目前,有关臭氧陶瓷膜工艺的研究主要集中在臭氧投加量(Karniketal.,2005)、原水pH(Karniketal.,2007)、陶瓷膜表面特性(Cornealetal.,2010;Cornealetal.,2011;Karniketal.,2009;Byunetal.,2011)和工艺运行方式(Kimetal.,2008)等方面.通常情况下,陶瓷膜超滤工艺膜出水的浊度一般低于0.2NTU,但一些研究发现,无论是超滤还是纳滤,尽管其孔径小于0.1μm,在有机膜和陶瓷膜的出水中仍存在2~5μm的颗粒物(Lietal.,2011;Muhammadetal.,2009;Pattersonetal.,2012).此体积范围的颗粒物可能包含隐孢子虫卵囊等致病微生物,这可能会降低饮用水的生物安全性,需要引起人们的重视.而且,臭氧氧化后,颗粒物与膜之间的相互作用机理发生了显著变化,这也需进一步的探索.因此,研究臭氧陶瓷膜工艺对颗粒物的去除,不仅有助于明确臭氧陶瓷膜与颗粒物之间的相互作用机理,控制膜污染,同时对膜处理工艺中饮用水生物安全性的提高也有帮助.

本文针对地表水浊度易受降雨影响的现象,利用陶瓷膜处理不同浊度原水,并通过对膜通量、颗粒物和有机物指标进行讨论,研究臭氧对陶瓷膜超滤工艺处理不同浊度原水的过滤性能及其机理,为臭氧陶瓷膜在饮用水处理中的推广和应用提供科学依据.

2 材料和方法

2.1 原水配制

在水厂取水口采集河水沉积物,并与河水按体积比为1∶10混合配制成浊度母液.母液过100目双层不锈钢筛网后,将其加入河水中配制成浊度分别为14、52、108和510NTU的原水.所配制原水的pH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为臭氧-陶瓷膜实验系统示意图.实验所用陶瓷膜为单通道非对称式管式陶瓷膜(SCHUMASIV,PallFiltersystemsGmbH,德国),平均孔径为100nm.膜与支撑体材料分别为ZrO2和α-Al2O3,膜管长200mm,过滤面积44cm2,PTFE封装.新膜浸润纯水后浸泡于体积分数为2%的硝酸中10h.利用纯水测定膜的初始通量,操作方式为死端过滤,恒定跨膜压差为0.1MPa.采用纯氧制备臭氧,臭氧接触池尾气通过碘化钾溶液吸收后排放.实验所用管路及阀门材质皆为不锈钢或聚四氟乙烯.

2.3 实验方法

将原水用蠕动泵输入接触池,同时开始通入臭氧曝气,接触池出水进入陶瓷膜组件.臭氧浓度用在线臭氧检测仪(Model-600,Ebara)监测,仪器定时用碘量法校正,通过调节曝气时间控制臭氧投加量,达到预定投加量(1~5mg·L-1)后停止曝气.采用死端过滤模式过滤,恒定跨膜压差为0.1MPa.以10min为间隔单位取样,计算通量,并测定浊度、颗粒物数量、CODMn.

2.4 分析方法

CODMn:酸性高锰酸钾法(TA-88微量自动分析仪,Sinsche);颗粒物数量:激光照射/光吸收法(GR-1000A激光颗粒物分析仪,IBR);浊度:光散射法(2100P浊度仪,HACH);UV254:紫外可见分光光度法(UV-1700,SHIMADZU);有机物分子量:分子排阻色谱法(LC-20A液相色谱,SHIMADZU,TSK-3000SWXL凝胶色谱柱).通量采用公式Ft=Qt/S进行计算,其中,Ft为t时刻的膜通量(L·m-2·h-1),Qt为t时刻膜的出水流量(L·h-1),S为膜面积(m2).

3 结果

3.1 陶瓷膜膜通量的变化

图2为陶瓷膜过滤不同浊度原水时膜通量的变化曲线.由图可见,膜通量变化分为两个阶段:前10min为膜通量迅速下降阶段,陶瓷膜初始通量为2045L·m-2·h-1,陶瓷膜单独过滤10min,4种原水的膜通量分别降至初始通量的25.0%~28.5%;过滤20min后,膜通量均呈现缓慢的近乎线性下降趋势.

臭氧氧化后,膜通量均有改善.投加3mg·L-1臭氧使浊度为14、52和108NTU原水的膜通量相对于没有投加臭氧的情况分别提高了104.9%、65.8%和52.2%;投加5mg·L-1臭氧可将这3种浊度原水的膜通量平均提高116.3%、95.1%和71.1%;但投加1mg·L-1和2mg·L-1臭氧对这3种浊度原水的膜通量改善不明显,平均增长率分别为16.4%~36.8%、2.6%~17.3%和8.5%~16.6%.随着原水浊度的提高,臭氧对膜通量的影响逐渐减弱,且不同臭氧投加量之间的膜通量差别逐渐减小.臭氧对510NTU原水的膜通量影响最小,1~5mg·L-1臭氧仅可将膜通量提高12.5%~21.7%.

3.2 陶瓷膜出水颗粒物数量的变化

图3为陶瓷膜出水中2~3μm颗粒物数量的变化.14、52、108和510NTU原水中,2~3μm颗粒物数量分别约为3×103、38×103、66×103和110×103个·mL-1(平均值),陶瓷膜出水浊度低于0.15NTU,2~3μm颗粒物数量为35个·mL-1,低于普通砂滤池出水的颗粒物数量(100个·mL-1左右).

在初始过滤即0min附近,膜出水颗粒物数量;随着过滤的进行,膜出水的颗粒物数量逐渐降低并趋于稳定;20min后污染层基本形成,膜出水的颗粒物数量稳定在10个·mL-1左右.陶瓷膜单独过滤不同浊度原水时,膜初滤出水中2~3μm颗粒物数量为10~15个·mL-1.投加1与2mg·L-1臭氧后,初滤出水中颗粒物数量变化不明显;但3与5mg·L-1臭氧氧化可使初滤出水中颗粒物数量增加至22~36个·mL-1.膜污染层形成后,原水初始浊度和臭氧投加量对膜出水中颗粒物数量无明显影响,此时集成工艺膜出水中颗粒物数量均低于15个·mL-1.

3.3 集成工艺对CODMn的去除效果

图4为陶瓷膜出水中CODMn的变化曲线,考虑到510NTU原水的浊度太高,使用TA-88微量分析仪测定COD,太高的浊度会影响测定结果,因此,文中未给出该浊度下得CODMn变化曲线.由图4可见,无臭氧投加的情况下,单独陶瓷膜过滤后,14、52和108NTU原水中CODMn分别降低了27.4%、28.1%和39.1%.单独臭氧氧化对不同浊度原水中CODMn的平均去除率均低于10.0%,投加5mg·L-1臭氧氧化对CODMn的去除效果高于其它臭氧投加量.

集成工艺中投加5mg·L-1臭氧提高了膜对有机物的去除效果,14、52和108NTU原水中CODMn的平均去除率可提高至28.7%、43.5%和46.9%.投加3mg·L-1臭氧氧化后,3种原水中CODMn的平均去除率分别为19.4%、32.2%和38.4%.低于3mg·L-1臭氧投加量时,膜出水的有机物浓度相对于不投加臭氧的情况反而有所上升.这说明陶瓷膜对有机物的截留效果与臭氧氧化程度有关:一方面,臭氧可彻底分解部分有机物为CO2,导致原水CODMn降低;另一方面,臭氧氧化可促进部分有机物透过膜,反而导致膜出水中有机物增加.

4 讨论(Discussion)