陶瓷膜處理地表水的工藝
行業(yè)動態(tài)
隨著飲用水水源污染的日趨嚴重以及新的《生活飲用水衛(wèi)生標準》的實施，對飲用水的凈化技術(shù)提出了新的要求。陶瓷超濾膜能有效去除微生物、懸浮物等污染物，提高出水水質(zhì)。20世紀80年代起，歐洲各國、美國、日本等開始采用陶瓷膜進行工業(yè)規(guī)模的飲用水生產(chǎn)，保證了出水具有更好和更可靠的水質(zhì)，但我國尚未有大規(guī)模的陶瓷膜法引用水生產(chǎn)工藝及應用。
混凝-膜過濾工藝在地表水凈化過程中得到了廣泛的應用。Lerch等研究表明陶瓷膜凈化地表水能夠在恒通量80L/(㎡·h)下穩(wěn)定運行。Li等發(fā)現(xiàn)在線絮凝不僅可以將通量提高近2.5倍，同時濁度的去除率液可以由97.2%提高到99.5%。隋賢棟等認為膜過濾的壓力與膜通量呈線性關(guān)系。Chellam等認為在高跨膜壓差（△p）時濾餅會壓實，污染也會加劇。采用陶瓷膜處理地表水的研究較多集中在原水中有機物、操作模式等對膜污染及滲透性能的影響。因此，工藝條件的選擇和優(yōu)化能有效提高膜過濾的性能。
膜過濾的操作方式對膜過濾性能同樣存在較大的影響。Lee等發(fā)現(xiàn)恒通量和恒壓力2種操作方式獲得的結(jié)果相似。提高恒壓力過程的操作壓力或者提高恒通量過程的過濾通量則膜污染都會加速發(fā)生。大孔徑微濾膜在應用過程中發(fā)生的膜污染主要以不可逆污染為主，因為水中的有機物等極容易堆積在膜孔內(nèi)部。Chae等認為外壓式比浸沒式產(chǎn)生的污染更嚴重，在外壓式過濾時產(chǎn)生濾餅的厚度和濾餅的壓縮程度都要大于浸沒式。因此，合適的操作條件可有效控制膜污染，提高滲透通量。
本文以興化橫涇河水為處理對象，研究陶瓷膜構(gòu)型、操作模式等對陶瓷膜過濾性能的影響。本研究陶瓷膜的連續(xù)運行實驗可為陶瓷膜凈化地表水的工業(yè)化應用提供參考。
1 實驗部分
1.1 膜材料與膜組件
實驗所用陶瓷膜采用恒壓力操作和恒通量操作模式。恒壓力操作使用膜孔徑分別為20、50、200和500nm的19通道陶瓷膜，膜面積均為0.1㎡。
1.2 主要分析儀器
實驗過程中，對原水和產(chǎn)品水的部分水質(zhì)指標進行檢測分析。濁度采用美國HACH公司的2100N型濁度儀分析；pH采用上海雷磁有限公司的pHS-25型pH計分析；總有機碳（TOC）采用日本島津公司的TOC-VCPH型TOC分析儀分析；電導率采用上海雷磁有限公司的DDS-307型電導率儀分析；金屬離子濃度采用美國Perkin Elmer公司的OPTIMA 2000DV型等離子發(fā)射光譜儀分析；吸收254nm波長紫外線的有機物（UV254）含量采用上海棱光有限公司的GOLDS54型紫外可見分光光度計分析。
1.3 工藝流程
實驗采用預處理耦合陶瓷膜組合工藝對原水進行深度凈化處理。預處理采用興化市自來水廠已有工藝，主要包括柵格、混凝和沉降過程。該過程先后投加Al3Cl3（25～30mg/L）、FeCl3（15～20mg/L）2種絮凝劑，混凝沉降時間為30min，然后取沉淀池出水進行陶瓷膜過濾制取成品水。
2 結(jié)果與討論
2.1 操作壓力對過濾性能的影響
在終端過濾的模式下，考察不同跨膜壓差（△p）對膜過濾擬穩(wěn)態(tài)通量（J）的影響。J與△p不呈線性關(guān)系，J隨△p增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，0.075MPa為壓力拐點。這是因為混凝產(chǎn)生的絮狀物以及膜面形成的濾餅均具有可壓縮性，增大△p會使濾餅壓實，導致膜過濾阻力增大，滲透性能下降。由于原水中的有機物和Ca2+含量均比較高，而Ca2+又會同水中的有機物作用，形成更加致密的濾餅層。
2.2 膜孔徑對過濾性能的影響
在跨膜壓差為0.05MPa時，終端過濾和錯流過濾2種操作方式下，考察膜平均孔徑對地表水凈化過程的影響，連續(xù)過濾6h可以看出：在終端過濾下，平均膜孔徑為50、200和500nm的J大致相當，均高于孔徑為20nm的陶瓷膜；錯流過濾下，J隨著孔徑增大而增大。這是因為終端過濾時，膜污染嚴重，對孔徑＞50nm的陶瓷膜來說，形成了相同阻力的污染層，且污染阻力占主導地位，孔徑為20nm的膜由于其自身膜阻力大于污染阻力，因此其J較?。欢湍っ媪魉伲?span style="font-family: Arial;">0.5m/s）的錯流過濾，由于流體帶走部分膜面的沉積物，使污染阻力發(fā)生變化，總體呈現(xiàn)出隨孔徑增大，總阻力下降的趨勢。比較終端過濾和錯流過濾，錯流過濾膜J是終端過濾的1.5～2.2倍，因此對陶瓷膜處理地表水工藝來說，保持膜面微錯流有利于膜過濾的長期穩(wěn)定運行。
2.3 陶瓷膜構(gòu)型對操作壓差的影響
實驗考察19通道陶瓷膜組件與蜂窩陶瓷膜組件的過濾性能，均采用內(nèi)壓終端式過濾方式，設(shè)定組件在恒通量100L/(㎡·h)下運行，反沖洗周期為60min。
19通道陶瓷膜和蜂窩陶瓷膜的過濾性能比較如下：
組件類型 | 運行時間（min） | 生產(chǎn)能力（t） | 水回收率（%） | 壓差增長率（Pa/min） |
19通道陶瓷膜 | 900 | 3 | 92.5 | 62.2 |
蜂窩陶瓷膜 | 900 | 5.4 | 94.1 | 96.6 |
隨著過濾時間的延長，2種構(gòu)型陶瓷膜組件的跨膜壓差均呈增大趨勢，但19通道陶瓷膜組件的壓差增大幅度小，反沖洗可以使△p有一定的降低，但不能抑制壓差總體增長趨勢。在相同條件下，蜂窩陶瓷膜組件的生產(chǎn)能力高于19通道構(gòu)型，水的回收率也高，這表明高裝填密度的組件產(chǎn)能高，但運行穩(wěn)定性（△p增長較快）略差。從總體工藝設(shè)計考慮，產(chǎn)能相同的情況下，蜂窩陶瓷膜組件構(gòu)成的整體設(shè)備占地面積小，更適合工業(yè)化應用。
2.4 滲透通量對操作壓差的影響
水溫15℃時考察蜂窩陶瓷膜滲透通量（100、150和200L/(㎡·h)對跨膜壓差的影響。預設(shè)的滲透通量愈大，初始△p也愈大，這與Darcy定律相吻合，即滲透通量與△p成正比。當滲透通量預設(shè)大于150L/(㎡·h)時，周期反沖洗的作用效果不明顯，這主要是在高滲透通量的情況下，濃差極化現(xiàn)象加重，導致反沖洗不能克服溶質(zhì)在膜面的積累，要保持通量不變只能升高△p，污染加重導致反沖洗水量加大，使得水回收率降低（僅為92%作用）。當滲透通量為100L/(㎡·h)時，初始跨膜壓差較低，周期反沖洗效果較明顯，產(chǎn)水回收率較高（大于94%）。在相同運行時間內(nèi)（660min），高滲透通量意味著高生產(chǎn)能力，但由于設(shè)定高滲透通量，意味著需要在較高的△p下操作，對于本實驗體系，3種通量的運行過程中，壓差增大趨勢相當，可以按滲透通量150L/(㎡·h)進行工藝設(shè)計。
2.5 連續(xù)運行實驗結(jié)果
蜂窩陶瓷膜組件在恒通量100L/(㎡·h)下連續(xù)運行33d，設(shè)備運行過程中水溫變化較大，從開始運行時水溫16℃降到5℃，陶瓷膜設(shè)備均能穩(wěn)定運行。當溫度降低，△p變化幅度增大；當水溫較高時，△p變化相對穩(wěn)定，上升的幅度較小。這表明水的溫度變化對過濾性能的影響不容忽視，因為當溫度變化時，體系黏度發(fā)生改變，導致過濾阻力發(fā)生變化，因此如果采用恒壓力操作就會出現(xiàn)不同季節(jié)水處理設(shè)備運行生產(chǎn)能力亦不相同，夏季偏高，冬季偏低。
在恒通量運行過程中，溫度改變△p，只要控制△p在許可的范圍內(nèi)，設(shè)備的處理能力是不會改變的。隨著膜組件運行時間的延長，過濾過程中的可逆阻力即膜面形成的濾餅阻力可以通過周期正反沖洗有效去除，設(shè)備基本處于穩(wěn)態(tài)運行。
2.6 水質(zhì)分析
實驗對原水以及膜滲透出水水質(zhì)進行分析比較，從比較結(jié)果得知：膜過濾不能去除水中的Ca2+和Mg2+，也不能降低水的電導率。膜對濁度的去除率可以維持在99%以上，對UV254的去除率大于47.7%，但對TOC的去除率較低，這主要是因為地表水中的總有機碳以相對分子質(zhì)量小于500的溶解有機物為主，主要依靠臭氧氧化或活性炭吸附等方法去除。膜過濾可以大幅降低水中的Fe3+和Al3+的含量，滲透液中的Fe3+和Al3+含量均低于國標的要求，且未檢出Al3+。這一方面可以說明作為絮凝劑加入的Al3+可以被膜完全截留，另一方面可以說明Al2O3陶瓷膜錯流不會溶出，可保證膜滲透出水的安全性。
3 結(jié)論
（1）終端過濾時，膜操作壓差應小于0.075MPa，進一步增大操作壓力不利于通量提高；在終端過濾時孔徑為50、200和500nm的陶瓷膜的滲透通量基本相當，而錯流過濾條件下，膜通量隨孔徑增大而增大。
（2）高裝填面積的蜂窩陶瓷膜比19通道陶瓷膜具有更大的優(yōu)勢，可降低設(shè)備投資成本，減少占地，提高水回收率，適宜工業(yè)化應用。恒通量150L/(㎡·h)，微錯流（0.5m/s）的膜過程能保持長期穩(wěn)定運行。
（3）實驗研究的混凝沉淀與陶瓷膜組合工藝能夠滿足自來水生產(chǎn)的需要，對地表水中濁度、Fe3+和Al3+等基本去除，對UV254的去除率大于47.7%，不同孔徑的陶瓷膜出水水質(zhì)相差不大。陶瓷膜材料在水中不會溶出，保證了出水安全。
