新型陶瓷膜過濾去除水中濁度顆粒工藝研究
行業(yè)動態(tài)
膜處理技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的水處理技術(shù)。其能夠快速凈化分離水質(zhì)顆粒態(tài)污染物，還能夠防止賈第蟲和隱孢子蟲孢子進(jìn)入供水系統(tǒng)，保障飲用水生物安全性。目前，常用的膜是有機(jī)膜，包括聚偏氟乙烯（PVDF）和聚氯乙烯（PVC）。但是，在水源受到污染情況下，自來水凈化過程中通常需要預(yù)氧化，這會損壞有機(jī)膜，縮短其使用壽命。陶瓷膜具有優(yōu)良的耐酸耐堿性、機(jī)械強(qiáng)度高、使用壽命長等優(yōu)點，已經(jīng)成為近幾年水處理技術(shù)研究的熱點，國外也在嘗試在飲用水處理中應(yīng)用。陶瓷膜孔徑可以控制在很窄的范圍，其在水處理應(yīng)用中顯著的優(yōu)點是對顆粒物有很高的截留率，目前國內(nèi)外初步研究陶瓷膜與傳統(tǒng)工藝的結(jié)合，但是對于陶瓷膜去除濁度顆粒的特性和規(guī)律還沒有深入研究。隨著國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高和人們對引用水質(zhì)要求越來越高，飲用水中顆粒物含量將會越來越受關(guān)注。本文采用先進(jìn)的顆粒計數(shù)儀器，研究陶瓷膜對濁度顆粒的去除規(guī)律，對于提高水質(zhì)的表征水平具有指導(dǎo)意義。
1 試驗方法
1.1 原水的配制
在自來水的基礎(chǔ)上用相同的泥土進(jìn)行配水試驗。配制濁度分別為：10NTU、50NTU、100NTU、500NTU、1000NTU的原水。要求原水中各粒徑范圍包括＞2μm、＞3μm、＞5μm、＞7μm、＞10μm、＞15μm、＞20μm、＞25μm等都有一定數(shù)量顆粒。例如，對于濁度1000NTU原水，各通道顆粒數(shù)較多，粒徑為3～5μm的顆粒數(shù)約4.5×105個mol/L，對于濁度10NTU原水，粒徑為20～25μm的顆粒數(shù)223個/mL，粒徑介于3～5μm的顆粒數(shù)量較多。
1.2 試驗工藝
采用陶瓷膜小試裝置進(jìn)行試驗，陶瓷膜平均孔徑分別是200nm和50nm。試驗采取的過濾方式是死端過濾。手動關(guān)閥門，將配制好的原水加入至原水箱，由離心泵輸送到陶瓷膜組件，進(jìn)行過濾操作，由水壓表讀出膜前壓力。濾后水經(jīng)管路流至清水箱，對濾后水進(jìn)行檢測。
試驗堆配制的不同濁度（10NTU、50NTU、100NTU、500NTU、1000NTU）原水在相同壓力下分別試驗；對同一濁度原水，改變離心泵轉(zhuǎn)速以改變膜前壓力（0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa）和更換不同膜孔（選用50nm和200nm）陶瓷膜分別進(jìn)行試驗。每組試驗完成后，進(jìn)行錯流反沖。手動打開閥門，將原水箱換成自來水，由離心泵提供動力，經(jīng)陶瓷膜組件和循環(huán)側(cè)流量計后，回到原水箱；自動控制單元控制反沖電磁閥和排氣電磁閥關(guān)閉，打開空壓機(jī)端電磁閥。由空壓機(jī)提供高壓氣體。自陶瓷膜組件滲透側(cè)進(jìn)入，將堵塞物沖出膜孔，與切向水流混合，共同將膜內(nèi)部管壁雜質(zhì)帶至原水箱。反沖5min后，空壓機(jī)端電磁閥關(guān)閉，排氣電磁閥打開排氣，再打開反沖電磁閥完成一次反沖洗。
反沖洗切向水流速1.68m/s，反沖氣壓6.5～8bar。離心泵轉(zhuǎn)速5～50Hz，死端過濾能提供的膜前壓力0～0.3MPa；空壓機(jī)壓力8bar；所用陶瓷膜：19通道、外徑φ30mm、內(nèi)徑φ4mm，管長240mm，過水面積0.045㎡。
1.3 分析方法
采用IBR在線顆粒計數(shù)儀在線測定陶瓷膜濾后水的顆粒數(shù)，采用IBR便攜式顆粒計數(shù)儀測定原水顆粒數(shù)。采用哈希2100P便攜式濁度計測定配制原水和陶瓷膜濾后水濁度。1000mL量筒和秒表測定膜后流量，再換算出通量。
對每組試驗開始后5min、10min、15min、20min、25min，5個時間點采樣測定。測定5個時間點陶瓷膜濾后水的濁度，通過在線顆粒計數(shù)儀讀出每個時間點各粒徑范圍，包括：＞2μm、＞3μm、＞5μm、＞7μm、＞10μm、＞15μm、＞20μm、＞25μm的顆粒數(shù)。在配制原水時，完成原水濁度和顆粒數(shù)的測定。
2 結(jié)果與討論
2.1 濁度對膜通量的影響
配制濁度為10NTU、50NTU、100NTU、500NTU、1000NTU的原水，在膜前壓力為0.1MPa，膜平均孔徑為200nm，初始通量都是708L/（㎡·h）的條件下開始過濾。
當(dāng)原水濁度10NTU，過濾時間為25min時，膜通量的下降不明顯，膜通量隨過濾時間的延長變化不大。隨著原水濁度升高，相同的過濾時間，膜通量下降速度增加。原水濁度越高，通量下降越快。從500NTU和1000NTU的曲線可以看出，試驗開始后5min，通量曲線迅速下降，然后逐漸平緩，濁度對膜通量的影響隨過濾時間延長而變緩?？梢?，濁度顆粒對膜通量影響顯著，膜通量的下降可能主要由顆粒物堵塞膜孔引起。顆粒物數(shù)量越多，對膜孔的堵塞越嚴(yán)重，通量隨時間下降越快。
2.2 陶瓷膜過濾出水濁度的變化
在0.2MPa膜前壓力下進(jìn)行過濾試驗。配制不同濁度包括10NTU、50NTU、100NTU、500NTU、1000NTU等，在0.2MPa壓力下，分別采用200nm和50nm陶瓷膜進(jìn)行過濾，試驗開始后5min、10min、15min、20min、25min取膜后水樣測定膜后水濁度。
膜后水濁度在試驗開始10min以后基本沒有變化，僅在0.7NTU和0.12NTU之間無規(guī)律變動。無論原水濁度高低，膜后出水濁度均很穩(wěn)定。測量過程中發(fā)現(xiàn)，所使用的便攜式濁度計在測量膜后水這種顆粒少、濁度低的水樣時，容易出現(xiàn)偏差。這可能是由光學(xué)式濁度計自身原理的局限性所引起的。
2.3 陶瓷膜過濾后出水顆粒數(shù)分布特征
選擇孔徑為200nm的陶瓷膜，膜前壓力0.2MPa的條件下，對不同濁度包括10NTU、50NTU、100NTU、500NTU、1000NTU等原水進(jìn)行過濾試驗。試驗開始后5min、10min、15min、20min、25min，通過在線顆粒計數(shù)儀讀出每個時間點在各粒徑范圍，包括：＞2μm、＞3μm、＞5μm、＞7μm，＞10μm、＞15μm，＞20μm、＞25μm的顆粒數(shù)，可換算出2～3μm、3～5μm、5～7μm、7～10μm、10～15μm、15～20μm、20～25μm之間的顆粒分布。
從不同濁度原水經(jīng)陶瓷膜過濾后，出水中＞2μm總顆粒數(shù)隨時間的變化情況可以看出，經(jīng)陶瓷膜過濾后，出水并沒有隨原水濁度升高出水顆粒明顯增多，而是保持相對穩(wěn)定。甚至原水濁度為1000NTU，膜后出水＞2miu總顆粒數(shù)比原水濁度為10NTU時的出水＞2μm總顆粒數(shù)每個時間都要低。可能是因為1000NTU原水更容易形成厚厚的濾餅層，對小顆粒攔截更有效。
采用孔徑為50nm的陶瓷膜，重復(fù)上述試驗，從試驗結(jié)果可以看出，原水濁度從10NTU到1000NTU，膜后出水顆粒數(shù)同樣保持相對穩(wěn)定，沒有隨原水濁度升高出水顆粒數(shù)增多。這說明，陶瓷膜出水顆粒數(shù)受原水濁度影響不顯著。
從0.2MPa下，采用50nm陶瓷膜過濾25min時，不同出水顆粒對應(yīng)粒徑的顆粒數(shù)可以看出，濾后水中顆粒數(shù)小于20，＞18μm的顆粒數(shù)均為0.除10NTU以外，出水中2μm顆粒數(shù)相差不多，＞6μm顆粒只有1～2個/mL。對于10NTU、50NTU、100NTU，膜后出水較多的是4μm的顆粒，其次是2μm顆粒。而500NTU和1000NTU出水中2μm顆粒較4μm顆粒多?？梢娞沾赡π☆w粒去除效果較大顆粒差。高濁度水對4μm小顆粒去除效果較低濁度水好，可能是由于濾餅層的形成加強(qiáng)了對4μm小顆粒的截留作用。高濁度各粒徑顆粒數(shù)含量高，對各粒徑顆粒物截留量大，可能是高濁度水對膜通量影響更顯著的原因。
上述試驗中發(fā)現(xiàn)，所使用的便攜式濁度計在測量膜后水時容易出現(xiàn)偏差。出水中各通道顆粒數(shù)相差數(shù)倍的水樣，測量的濁度常常結(jié)果相同；甚至顆粒數(shù)少的水樣濁度反而高。通過濁度跟顆粒數(shù)的比對更進(jìn)一步說明濁度不能精確反映膜后水中顆粒物含量。顆粒計數(shù)儀能精確反映膜后水中＞2μm顆粒的粒徑分布。陶瓷膜對水中顆粒物的去除效果明顯且穩(wěn)定，膜后出水顆粒少；出水顆粒數(shù)受原水濁度影響不顯著，不會隨原水濁度升高出水顆粒數(shù)明顯增多。
2.4 膜前壓力對濾后水顆粒數(shù)的影響
原水濁度100NTU的條件下，采用200nm和50nm的陶瓷膜，在膜前壓力分別為0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa下進(jìn)行過濾。結(jié)果顯示，膜前壓力的提高均會導(dǎo)致出水＞2μm總顆粒數(shù)的升高。膜前壓力增大，離心泵的擾動加劇可能導(dǎo)致出水部分小粒徑顆粒物增加。
在陶瓷膜過濾穩(wěn)定的情況下，對粒徑2μm和4μm顆粒數(shù)，隨壓力升高而增加。粒徑＞12μm顆粒數(shù)在三個壓力下均相等。對于200nm陶瓷膜，8μm顆粒數(shù)在0.2MPa下比在0.3MPa下略高。
以上試驗說明，膜前壓力的提高會導(dǎo)致出水中2～6μm顆粒數(shù)增加。膜前壓力的變化對于出水中其他粒徑顆粒數(shù)影響不明顯。
2.5 陶瓷膜孔徑對濾后水顆粒數(shù)的影響
0.1MPa下陶瓷膜對顆粒數(shù)去除效果較好。在膜前壓力為0.1MPa的條件下，考察陶瓷膜孔徑對濾后水顆粒數(shù)的影響。原水濁度100NTU，膜前壓力0.1MPa的條件下，用200nm和50nm的陶瓷膜分別進(jìn)行過濾試驗。
原水濁度100NTU，膜前壓力0.1MPa條件下，200nm和50nm陶瓷膜，過膜25min時各粒徑的顆粒數(shù)。出水中粒徑＞2μm總顆粒數(shù)，在每個時間點上，50nm均明顯小于200nm。出水中2～18μm顆粒數(shù)，50nm均明顯小于200nm，22μm顆粒數(shù)均為0。
以上試驗說明，陶瓷膜孔徑對出水顆粒數(shù)有明顯影響。相同條件下，50nm陶瓷膜出水各通道顆粒數(shù)均小于200nm。
3 結(jié)語
原水濁度對膜通量有明顯影響。原水濁度越高，陶瓷膜通量下降越快。濁度對膜通量的影響隨時間延長而變緩。
在原水濁度為10～1000NTU時，200nm和50nm陶瓷膜對濁度的去除效率高，出水穩(wěn)定在0.12NTU以下。但是，濁度指標(biāo)不能精確表征膜后水顆粒物的含量，顆粒數(shù)相對于濁度指標(biāo)更加準(zhǔn)確和可靠。在陶瓷膜過濾過程中，出水顆粒數(shù)保持相對穩(wěn)定，出水顆粒數(shù)沒有隨原水濁度變化而呈規(guī)律性變化。
膜前壓力的提高會導(dǎo)致出水2～6μm顆粒數(shù)增加。膜前壓力的變化對于其他通道顆粒數(shù)影響不明顯。陶瓷膜孔徑對出水顆粒數(shù)有明顯影響。相同條件下，50nm陶瓷膜出水各通道顆粒數(shù)均小于200nm陶瓷膜。
