新闻中心

瓷膜-生物活性炭净水工艺探讨

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2021-02-03 4:14:52 * 浏览: 10

饮用水源微污染已成为我国面临的普遍问题,且在今后很长一段时间内都会继续存在。有机物和氨氮是饮用水源中主要的污染物,有机物会导致COD含量高、生成消毒副产物和为微生物在管道内的生长提供营养物质。此外,水中嗅味物质的存在会引起用户感官的不适。而内分泌干扰物(EDCs)、药品和个人护理品(PPCPs)等新兴污染物也开始在水体和自来水厂中检出,由此带来的风险值得重视。

在我国,90%以上的饮用水厂都采用混凝、过滤、消毒的传统处理工艺,不能有效地去除水中的溶解性有机物和氨氮。为达到新的饮用水卫生标准(GB5749-2006),很多水厂都面临着升级改造的需求。在实际应用中,常在传统处理工艺前加入预氧化,在工艺后添加以臭氧活性炭为代表的深度处理工艺,有时甚至在最后添加膜处理工艺。这使得处理流程冗长,相应的建设和运行成本上升,尤其对于一些用地紧张的水厂更是难以实现。

本文采用耐氧化的平板陶瓷膜,将传统的预氧化、混凝、沉淀、砂滤和臭氧氧化等5个单元通过平板陶瓷超滤膜,集成为一个复合单元,后续采用生物活性炭过滤,如图1所示。这使得饮用水处理工艺从“串级”发展到“并级”形式。其中,混凝将微小颗粒物聚合形成絮体,膜过滤将颗粒物完全去除,臭氧可以氧化有机物和提高有机物的可生化性,活性炭可以进一步去除有机物和水中的氨氮,从而达到去除污染物的目的。本文集成工艺有助于在现有水厂构筑物基础上实现传统工艺向深度处理工艺的升级。

一、试验材料与方法

实验采用东江水和东莞运河的配水为原水,以混凝/臭氧/陶瓷膜→炭滤→消毒为处理工艺,中试实验规模为120m3/d。实验采用的浸没式平板陶瓷膜由明电舍(日本)公司采用新型纳米材料工艺研制,膜平均孔径为60nm。单块陶瓷膜的尺寸为1046mm×260mm×6mm,每个膜组件包含50块陶瓷膜,实验共使用两个膜组件,总的膜面积为50m2。膜过滤时恒定通量为100L/m2·h,过滤周期为240min反冲洗3min,反冲洗强度为15m3/h。臭氧发生器为OZONIACFS-32G型,以纯氧为气源,通过设在膜池底部的微孔曝气板进入水体。

浊度采用HACH2100P浊度仪测量,采用GR-100A台式激光颗粒物分析仪(IBR)测量颗粒数,用SinscheTA-88微量自动分析仪测量氨氮、亚硝态氮,用ShimadzuUV-1700紫外-可见光分光光度计测量UV254和硝态氮,用ShimadzuTOC-VCPH测量DOC,用GC-μECD测量三卤甲烷,用HSPME-GC/MS测量Geo-smin和2-MIB,用SPE-GC/MS测量EDCs,用SPE-LC/MS/MS测量卤乙酸和PPCPs。

二、结果与讨论

1、集成工艺对浊度的去除

陶瓷膜对浊度的去除效果显著,出水浊度稳定在0.1NTU以下,不受原水浊度波动的影响。经过活性炭过滤后出水浊度略有上升,但仍低于0.25NTU,优于国家饮用水卫生标准的要求。膜出水中粒径大于2μm的颗粒数基本低于10个/mL,炭滤出水中粒径大于2μm的颗粒数低于50个/mL。原水中可以检出的细菌总数、总大肠菌群以及隐孢子虫和贾第虫卵囊在膜出水中均未检出,可以认为原水中的有害微生物在进入活性炭滤池之前已被有效截留,显著降低了出水的微生物风险。

2、集成工艺对有机物和氨氮的去除

混凝对DOC的去除低于20%,臭氧/陶瓷膜对DOC的去除为16%,炭滤对DOC的去除率为65%。UV254的去除规律与DOC相似,集成工艺对UV254和DOC的去除率分别为87%和73%。在本工艺中,臭氧除了通过氧化去除有机物,还能通过反应提高有机物的可生化性,促进后续生物活性炭对有机物的去除,从而达到好的去除效果。

原水氨氮浓度小于3.5mg/L时,工艺出水氨氮浓度小于0.1mg/L,远低于国家标准GB5749-2006规定的0.5mg/L,氨氮总去除率>95%。而且出水中几乎没有亚硝酸氮存在,氨氮基本都经过硝化转化为硝酸盐氮。混凝和陶瓷膜对氨氮的去除有限,臭氧对陶瓷膜去除氨氮没有促进作用。活性炭滤池对氨氮去除效果显著,占整个工艺去除率的70%以上。溶解氧是氨氮去除的关键因素,本工艺中的臭氧由纯氧制备,投加臭氧时水中溶解氧浓度升高至11~13mg/L,基本满足氨氮去除的要求。(图2~9)3、集成工艺对消毒副产物前体物的去除以三卤甲烷(THMs)和卤乙酸(HAAs)的生成潜势作为消毒副产物前体物进行考察,原水中THMFP以CHCl3为主,占85%以上,其次为CHCl2Br和CHClBr2,未检测到CHBr3的存在。HAAs的生成势以DCAA和TCAA为主,二者共占90%以上。消毒副产物前体物的去除规律基本与DOC保持一致,集成工艺对THMFP和HAAFP的去除率分别为77%和76%。

4、集成工艺对嗅味物质、EDCs和PPCPs的去除嗅味物质、EDCs和PPCPs在原水中含量很低,浓度在ng/L的范围,但传统工艺不能有效去除。典型的嗅味物质如土臭素(Geosmin)和2-甲级异莰醇(2-MIB)在ng/L水平时已能影响人的感官,而EDCs和PPCPs则会给人体带来未知的健康风险。臭氧和陶瓷膜的组合工艺能大幅降低此类微量有机物在水中的浓度,集成工艺对Geosmin、2-MIB、EDCs和PPCPs的去除率分别为:96%、87%、98%和98%。

本研究提出的新型超滤膜工艺中将臭氧和陶瓷膜进行结合,陶瓷膜除了具有传统超滤的分离功能外,无数的陶瓷膜膜孔相当于纳米级尺寸的微反应器。陶瓷膜材料促进了臭氧与通过膜孔的有机物进行反应,由于纳米尺度下的传质时间大幅缩短和传质效率大幅提高,传统工艺中不能去除的微量有机物得以在膜孔内得到去除。

三、结论臭氧/陶瓷膜新型净水工艺出水浊度低于0.25NTU,大于2μm的颗粒数小于50个/mL,对传统污染物氨氮、DOC、THMFP和HAAFP的去除率分别为95%、73%、77%和76%,对致嗅味物质Geosmin和2-MIB的去除率分别为96%和87%,对新型微量污染物质EDCs和PPCPs的去除率分别为98%和98%。臭氧/陶瓷膜新型净水工艺将传统工艺中的多个处理单元进行有机结合,使臭氧/陶瓷膜单元具有传统工艺中的混凝、沉淀、过滤、预氧化、臭氧氧化和膜过滤等多个单元的功能,同时臭氧与陶瓷膜的结合还能在线控制膜污染,而活性炭可以进一步去除残留的有机物和氨氮。在这种情况下,处理工艺由传统的“串级”处理模式转变为“并级”处理模式,保持高的处理效率的同时大幅降低投资、运行成本和占地面积,在水厂的升级改造中具有很强的应用前景。