臭氧生物活性炭金属膜联用工艺在水处理中的应用

净水技术2017,36(2):69-72,77WaterPurificationTechnology向嫄，李伟英，许晨，等.臭氧-生物活性炭-金属膜联用工艺在水处理中的应用[1[].净水技术，2017,36(2):69-72,77.XiangYuan,LiWeiying,XuChen,etal.Applicationofcombinedprocessesofozone-biologicalactivatedcarbon-metallicmembraneinwatertreatment[J].WaterPurificationTechnology,2017，36(2):69—72,77.臭氧-生物活性炭-金属膜联用工艺在水处理中的应用向嫄u，李伟英〃，许晨'高炜鹏\王瑾\张伟3(1.同济大学环境科学与工程学院，上海200092;.长江水环境教育部重点实验室（同济大学），上海200092;.成都川力智能流体设备股份有限公司，四川成都611530)摘要采用臭氧-生物活性炭（〇3-bac)-金属膜联用工艺去除水中污染物，探讨膜污染及膜清洗方法。试验结果表明，联用工艺对浊度、菌落总数、D0C的平均去除率分别为86.1%、96.2%、66.4%，出水颗粒总数低于100个/mL。恒通量(2m3/m2.h)终端过滤条件下，金属膜连续过滤60mm后其跨膜压差由0MPa升至0.7MPa。扫描电镜观察发现小颗粒污染物堵塞膜孔、覆盖膜表面，导致膜通量下降。采用膜滤后水反冲洗污染膜4mm(0.4MPa)，膜通量恢复率为86.4%;水反冲洗后分别采用2%柠檬酸和2%氢氧化钠对污染膜进行化学浸泡，通量恢复率均高于97.0%。关键词水处理臭氧生物活性炭金属膜联用工艺中图分类号：TU991.2文献标识码：A文章编号：1009-0177(2017)02-0069-05DOI：10.15890/j.cnki.jsjs.2017.02.012ApplicationofCombinedProcessesofOzone-BiologicalActivatedCarbon-MetallicMembraneinWaterTreatmentXiangYuan1,2,LiWeiying1,2,XuChen1,2,GaoWeipeng1,WangJin1,ZhangWei3(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，TongjiUniversity,Shanghai200092,China；2.StateKeyLaboratoryofPollutionControl&ResourceReuse,TongjiUniversity,Shanghai200092,China；3.ChengduChuanliuIntelligenceFluidEquipmentCo.,Ltd.,Chengdu611530,China)AbstractRemovalofpollutantsinwaterbycombinedprocessesofozone-biologicalactivatedcarbon(0^BAC)andmetallicmembranewasinvestigated.Membranefoulingandcleaningmethodswerestudiedbyauthors.Resultsshowedthataverageremovalrateofturbidity,totalbacteriaandD0Cbytheintegratedprocesswas86.1%，96.2%and66.4%,respectively.Thenumberofparticlesinmembraneeffluentwaslessthan100p/mL.Fordead-endmodewithconstantflux(2m3/m2•h),thetrans-membranepressureofthemetallicmembraneincreasesfrom0MPato0.7MPaafteroperatingfor60minutes.Scanningelectronmicroscopyobservationsshowedthatsmallparticlesblockmembraneporesorcovermembranesurface,thuscausingmembranefluxdeclined.Membranefluxrecoveryratiowas86.4%afterbackwashingbymembraneeffluentfor4min(0.4MPa).Metallicmembranewasthensoakedin2%citricacidor2%sodiumhydroxideandthemembranefluxrecoverywasabove97.0%.Keywordswatertreatmentozonebiologicalactivatedcarbon(BAC)metallicmembranecombinedprocesses[收稿日期]2016-08-26[基金项目]国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07403-001);成都川力直饮水工程安全保障技术的研究（CDCL201501)[作者简介]向嫄（992—)女，硕士，研究方向为水处理理论与膜技术。电话：[phone];E-mail:[e-mail]。[通信作者]李伟英，E-mail:[e-mail]。[本文编辑]李佳佳—69—IZ\25jim20—25jim15〜20|imE3l〇〜15|imII7〜10|im\：'\57|im1//I3〜5jim2〜3|im速为4m/h、空床接触时间为12min、臭氧浓度为1mg/L;活性炭柱出水进入金属膜过滤。金属膜过滤采用恒通量(2.0m3/m2•h)终端过滤方式，分别在运行5、15、30、45、60爪出取膜进、出水样进行水质检测。过滤后对污染膜进行水力清洗和化学清洗。水力清洗采用〇3_BAC-金属膜联用工艺出水作为清洗水，清洗压力为0.4MPa，清洗时间分别为2、3、4、5、10min;化学清洗分别采用0•5%、1%、2%柠檬酸和氢氧化钠溶液浸泡金属膜，浸泡时间分别为15、30、60、90、120、180min。水力清洗和化学清洗后分别计算膜通量的恢复率[9]。每次试验结束后，对金属膜进行超声清洗30min。1.3检测方法与仪器哈希浊度仪(2100Q)，IBR颗粒计数仪，总有机碳分析仪（TOC-VCPN)。扫描电镜采用S-3400型。菌落总数采用异养菌平板计数法（heter〇tr〇phicplatecount，HPC)。2结果与讨论2.1浊度和颗粒物〇3-BAC-金属膜联用工艺对浑浊度的平均去除率为86.1%，出水浑浊度均在0.3NTU以下。由图2可知，活性炭柱出水中10〜25pm颗粒数量减少、2〜5pm颗粒数量增加，这是由于较大颗粒被炭柱截留，部分较小的活性炭颗粒随水流流出[0]，使活性炭柱出水总颗粒数高于原水。经金属膜过滤后水中颗粒总数平均低于100个/mL，表明金属膜可有效截留颗粒和胶体物质，提高了联用工艺对浊度和颗粒数的去除效果。原水活性炭5min15min30min45min60min出水时间图2〇3_BAC-金属膜过滤对颗粒物质的去除Fig.2ParticlesRemovalEffectsofO3-BAC—MetallicMembrane臭氧-生物活性炭(〇3_BAC)深度水处理工艺在我国许多城市得到应用，该工艺可有效去除可生物降解有机碳（BDOC)、微囊藻毒素、消毒副产物前体物等[]，但其出水存在浊度增加、细菌总数升高[h]等现象。〇3-BAC也是引起水中抗性细菌增加的关键因素[]。因此，需要改进水处理工艺以保障水质安全。金属膜是一种由Fe、Cu、Ni、Ti等金属粉末制成的无机膜，具有材料无污染、机械强度高、寿命长、易拆换、便于维护等特点。Phelps等[]研究发现金属膜可截留水中的细菌。Kim等[]利用金属膜有效地去除雨水中的大肠杆菌和颗粒物质。李伟英等[]发现薄片筛网、非织网式、粉末烧结三种类型的金属膜的出水浊度均低于0.08NTU。本文考察了〇3_BAC-金属膜联用工艺对水中污染物的去除效果，探讨膜污染现象并提出膜的清洗方法。1试验装置和方法1.1试验装置〇3-BAC-金属膜过滤小试装置如图1所示，臭氧接触柱和活性炭滤柱均为玻璃材质，高度和直径分别为1m和0.05m。活性炭为煤质炭，粒度12X40目。金属膜过滤试验装置由德瑞克化工设备（昆山）有限公司提供，其中金属膜滤芯（0.3pm)有效过滤面积为0.01593m2，为德国GKN公司生产。图1O3-BAC-金属膜过滤小试装置Fig.1LaboratoryScaleSetupof〇3—BAC-MetallicMembraneFiltration注：灰色箭头为过滤方向和水正冲洗方向，黑色箭头为水反冲洗方向；1一臭氧发生器；一曝气头;3—臭氧柱;4一活性炭柱；5—活性炭滤后水罐;6—金属膜过滤组件;7—产水罐1.2试验方法原水浊度为3.1NTU，可溶解性有机碳(dissolvedorganiccarbon，DOC)浓度为2.3mg/L，菌落总数9160CFU/mL。O3-BAC工艺运行参数：滤向嫄，李伟英，许晨，等.臭氧-生物活性炭-金属膜联用工艺在水处理中的应用Vol.36，No.2，2017-/黐_腠一70—净水技术WATERPURIFICATIONTECHNOLOGYV〇1.36，N〇.2,2017February25th,20172.2囷洛总数活性炭柱出水菌落总数为33500CFU/mL，高于原水的菌落总数。由图2可知，活性炭柱出水中颗粒总数增加，活性炭上生长的细菌可随颗粒物一起流出，因此出水菌落总数增加。相关研究表明，细菌在颗粒物质上的含量高于水中的细菌含量[11_12]，并且水中的颗粒物质保护细菌不被氯、臭氧等消毒剂去除。金属膜滤后水中菌落总数平均为1260CFU/mL，去除率达96.2%，表明金属膜可通过截留颗粒物质有效去除细菌，保障出水的生物安全性。2000厂0102030405060时间/min图3金属膜滤后水中的菌落总数Fig.3TotalBacterialCountsinFilteredWaterfromMetallicMembrane2.3DOC膜过滤对DOC的平均去除率仅为15%，对溶解性有机物的去除效果不明显[3]。而联用工艺对DOC的平均去除率达66.4%，表明O3-BAC和金属膜联用可有效去除DOC。这主要是由于臭氧氧化后，水中的大分子量有机物转化为小分子量有机物，可被活性炭吸附去除，同时活性炭表面的微生物也参与降解部分有机物[14_15]，有效提高对DOC的去除效果。2.4膜污染金属膜运行60min后跨膜压差由0MPa上升到0.7MPa。过滤前后金属膜的扫描电镜图像如图4所示。在2000倍的放大倍数条件下发现新膜表面由金属粉末颗粒组成，粉末颗粒之间的间隙构成膜孔。金属膜通过物理筛分作用可有效截留水中的污染物，而污染物堵塞膜孔或覆盖金属膜表面，导致跨膜压差持续增加[6]，试验运行期间膜表面尚未形成滤饼层。b.污染后金属膜表面图4金属膜扫描电镜图像Fig.4ScanningElectronMicroscopeImagesofMetallicMembrane2.5膜清洗2.5.1水力清洗采用正冲和反冲两种方式对污染膜进行清洗，水压为0.4MPa。正冲洗水流方向与膜过滤水流方向一致。由图5可知，正冲洗5min后膜通量恢复率达到52.3%;反冲洗4min后膜通量恢复率最大为86.4%，此后随冲洗时间的增加，膜通量恢复率没有明显增加。试验结果表明，正冲洗不足以将膜污染物冲出，清洗效果不佳。因此建议对污染膜采用水反冲洗，反冲洗时间为4min。2.5.2水力、化学联合清洗膜污染分为可逆