《混凝-超滤去除腐殖酸的试验研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《混凝-超滤去除腐殖酸的试验研究（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1混凝-超滤去除腐殖酸的试验研究摘要：进行了直接超滤和混凝超滤组合工艺对腐殖酸的去除效果和膜污染状况的试验。结果表明，超滤前加混凝预处理对腐殖酸的 DOC 和 UV254 的去除率分别从 28%、40%提高到 53%、78%。同时高效液相色谱(HPLC)分析表明，混凝超滤组合工艺对分子质量6000u 的有机物的去除率提高幅度更为显著。混凝超滤组合工艺的最佳 pH 值条件为 pH=7，通过卷扫混凝使小分子有机物结合成微絮体，降低了膜孔污染，使超滤保持了较高的渗透通量。 关键词：混凝 超滤 卷扫 渗透通量 Experimental Study on the Humic Acid Removal b
2、y Means of Coagulation-Ultrafilt rationAbstract：Experiment was made on the humic acid removal and the membrane fouling by means of ultrafiltration with and without coagulation pretreatment.The results show th at use of coagulation ahead of ultrafiltration for pretreatment of humic acid results in a
3、rise in removal rate ofDOC and UV254 from 28% and 40 % to 53% and 78% respectively.In the meantime,it is shown by high performance l iquid chromatographic (HPLC) analysis that the coagulation-ultrafiltration proce ss has significant improvement of removal rate of organic matters with molecular weigh
4、t6000u.The optimal pH value for coagulation-ultrafiltration process i s 7,and sweeping coagulation can make small molecular organic matter agglomerate d into micro flocs,which results in the reduction of membrane pore fouling and makes the ultrafiltration kept at high permeation flux. Keywords:coagu
5、lation;ultrafiltration;sweeping;permeation flux为了提高超滤对水中天然有机物的去除效果并减轻膜污染，一种可行的方法就是通过各种预处理来改变水中污染物的表面性质和存在形态14。其中混凝预处理由于简便、易行，与超滤组合去除水中污染物的工艺受到了关注，但是对于2该组合工艺的特点和控制方法的研究尚不深入(尤其是去除机理方面)，许多问题还不明确。为此，以水中天然有机物的代表性物质腐殖酸为研究对象，利用国产超滤膜进行了混凝超滤组合工艺的试验。 1 试验内容1.1 试验装置试验装置如图 1 所示。 超滤组件采用截留分子质量为 1105u 的国产中空纤维膜，材质为
6、聚丙烯腈(PAN)，加压方式为内压式，处理能力为 109L/(m2h)。1. 试验方法原水用从某湖泊底泥中提取的天然腐殖酸经 0.45m 滤膜去除水中悬浮性杂质后的原液配制，其溶解性有机碳(DOC)浓度为 5mg/L。采用两种工艺：一是原水直接超滤，二是混凝超滤组合，混凝剂为精制硫酸铝Al2(SO4)318H2O，投药量为 3.5mg/L(以铝离子浓度计)，采用泵前投药、水泵混合和管式混合器混凝，停留时间为 1min 左右，G 值为 10s-1(属于微絮凝)。为了比较不同 pH 值对处理效果的影响，加药后水的 pH 值控制在 5 和 7 两种条件。 1.3 分析方法有机物浓度 DOC：利用日本
7、岛津公司的 TOC-5000A 总有机碳分析仪测定。 UV254：在许多研究中用 UV254 作为评价 NOM 总量的一个指标，利用 751G型紫外分光光度计测定。 混凝颗粒 电位 3利用日本 Macrotech Nichion 公司产 ZC-2000 型 电位仪测得原水 电位为-28.5mV，在投药量为 3.5mg/L、pH=5 和 7 条件下，混凝后颗粒的 电位都保持在0mV 左右。 高效液相色谱(HPLC)分析利用日本岛津公司产 LC-9A 高效液相色谱仪，色谱柱为日立 W520 型(能够较准确地测定分子质量6000u 的有机物)，配 UV 检测器(波长为 254nm)对原水以及直接超滤
8、出水和混凝超滤组合工艺出水进行分析，以考察两种工艺对溶解性有机物的去除率。 1.4 试验数据的处理超滤膜的平均半透膜压通过 Tutujian 公式计算： Ptm=(Pi+Po)/2-Pp (1) 式中 Ptm 半透膜压 Pi膜组件进口处的压力 Po膜组件出口处的压力 Pp渗透液压力 为了正确区分膜污染引起的渗透通量下降及温度对膜通量的影响，将半透膜通量均统一到 20时的通量值。在压力保持恒定的情况下，通量表示膜的产水量，从其变化可了解膜的污染状况，而比渗透通量 Kw(通量与半透膜压的比值)可在无需保持压力恒定的情况下用以代表膜污染的状况，故将任一时刻的比渗透通量除以膜初始的比渗透通量能更明确地
9、表示膜通量的下降情况(称之为正规化比渗透通量，其值用百分数表示)。 2 试验结果2.1 对 DOC 和 UV254 的去除对以 DOC 和 UV254 代表的天然腐殖酸的去除状况如图 2、3 所示 。 4从图 2、3 中可以明显看到，经混凝预处理后特别是在 pH=7 的条件下，对有机物的去除率明显提高(与直接超滤相比)，对 DOC 的去除率从 28%提高到 53%，对 UV254 的去除率从 40%提高到 78%。 2.2 有机物分子质量分布用 HPLC 测得的原水和出水的谱图如图 4、5 所示。 根据 Tambo 和 Kamei 的研究5，日立 W520 型色谱柱的流出时间与腐殖酸分子质量之
10、间存在对应关系，根据 HPLC 谱图的吸收峰面积对不同处理条件下各分子质量范围有机物的去除率进行计算的结果见表 1。表 1 HPLC 谱图分析结果流出时间(min)32 3240 4045 45 分子质量分布(u)6 000 6 0003 000 3 0001 000 1 000直接超滤5原水吸收峰面积(mm2)789.9 349216.9 120988.1 68515.8 539519.7出水吸收峰面积(mm2)0 325803.3 113195.3 67481.5 506480.1去除率(%) 100 6.7 6.4 1.5 6.1混凝超滤(pH=7)原水吸收峰面积(mm2)950.2 2
11、70822.3 108662.2 87833.7 468268.4出水吸收峰面积(mm2)0 75807.5 55785.4 58929.2 190522.1去除率(%) 100 72648.7 33 59.3从图 4、5 和表 1 可知，直接超滤对于分子质量6000u 的溶解性有机物基本上全部去除，但对分子质量6000u 的有机物去除率很低，而在 pH=7 条件下的混凝超滤工艺则大大提高了对分子质量6000u 有机物的去除率(分子质量在60003000u 的有机物去除率从 6.7%提高到 72%，分子质量在 30001000u 的去除率从 6.4%提高到 48.7%，分子质量1000u 的去
12、除率从 1.5%提高到 33%，总去除率从 6.1%提高到 59.3%)。 2.3 渗透通量和压力膜污染状况可通过正规化比渗透通量、超滤膜进、出口压差和半透膜压随过滤时间的变化来讨论。正规化比渗透通量随过滤时间的变化见图 6。 从图 6 可明显看到，在连续超滤试验中直接超滤工艺的渗透通量下降很快(2.5h 后下降了 60%，10h 后下降了 75%)；而组合工艺在 pH=5 时渗透通量略有下降，在 pH=7 时渗透通量几乎没有变化。 超滤膜进、出口压差(反映了膜表面沉积层的状况)随过滤时间的变化见图 7。 从图 7 可知，在 10h 的连续超滤试验中不加混凝预处理的超滤膜进、出口压差未发生明显
13、变化，而在 pH=5 的混凝预处理条件下，压差从 10kPa 增加到 20kPa，在 pH=7 时前 4h 内压差增加较慢(从 10kPa 增加到 16kPa)，4h 后压差则增加较快(10h 后增加到 50kPa 左右)。超滤半透膜压的变化(反映了膜污染阻力的变化)随过滤时间的变化见图 8。 7从图 8 看到直接超滤的半透膜压虽然在过滤开始时最小，但在过滤 1h 后就超过了混凝超滤组合工艺的半透膜压。在 pH=5 的混凝预处理条件下，超滤半透膜压呈等速增加的趋势；在 pH=7 的混凝预处理条件下，超滤半透膜压先略有降低，在过滤 4h 后又有所增加，但总的增长幅度小于 pH=5 的情况。 3
14、讨论3.1 混凝超滤工艺对腐殖酸的去除功效试验采用超滤膜的截留分子质量为 1105u，直接超滤条件下对 DOC 和UV254 的去除率均很低(对分子质量6000u 的有机物几乎不能去除)，而经混凝预处理后，对 DOC 和 UV254 的去除率均大幅度提高，尤其对分子质量6000u有机物去除 率的提高更为明显。在 pH=7 条件下对同样的腐殖酸进行常规的混凝沉淀过滤处理后，对 DOC 和 UV254 的最大去除率分别为 40%和 70%6，而混凝超滤组合工艺的相应去除率可分别达到 53%和 78%。这一结果说明混凝超滤组合工艺的功效在于：通过混凝作用使有机物生成微絮体而改善了其分离性能；通过超滤
15、作用使水中可凝聚性有机物得到最大限度的去除。需要指出的是试验采用的 HPLC 色谱柱主要适用于对分子质量6000u 有机物的定量分析，而对较大分子质量的有机物难以准确测定，因此表 1 中根据谱图计算的总去除率比实际 UV254 的去除率低。 3.2 混凝预处理对膜污染的缓解作用从图 68 可以看到，混凝超滤组合工艺使膜渗透通量基本上保持不变，从而保证了处理装 置的产水量。与直接超滤相比，半透膜压增长缓慢，但压差增长加快，说明膜表面滤饼层形成较快。表面滤饼层通常可通过水力反冲洗剥离以使8膜过滤性能得到恢复。因此，混凝预处理对膜污染起到了很好的缓解作用。这种缓解膜污染、提高渗透通量的机理可用图 9
16、 进行说明。 减少了进入膜孔的污染物量。直接超滤的污染主要来自膜孔内的吸附，过滤阻力也主要来自于孔内吸附污染物的阻力。水中天然有机物(尤其是小分子有机物)在膜孔内的吸附对膜形成了不可逆污染，使膜的渗透通量下降很快，而通过混凝预处理使小分子溶解性有机物聚集 或吸附在金属氢氧化物上形成絮体，这些絮体在膜表面被截留，不能进入膜孔内。 改善了膜表面沉积层的性质。由 Carman-kozeny 方程 ac=180(1-)d23可知，膜表面沉积层的比阻 ac 随颗粒尺寸 d 和孔隙率 增大而减小，经过混凝预处理后颗粒尺寸增大，形成的滤饼层阻力减小，渗透通量增大。提高了颗粒的反向传输速度。颗粒在水中通过对流靠近膜表面，通过反向传输远离膜表面。反向传输的原理在于布朗扩散、惯性提升和剪切扩散。布朗扩散随颗粒尺寸增大而减小，惯性提升和剪切扩散随颗粒尺寸增大而增大，三种反向传输速度都与颗粒直径有关。经混凝预处
