处理垃圾渗滤液的反渗透膜污染研究

第!卷第#期环境工程学报$%&’!!(%’#)**#年#月+,-./0/1%23.4&%56.7-3%.8/.94&6.:-.//3-.:12&’)**#处理垃圾渗滤液的反渗透膜污染研究刘研萍李秀金北京化工大学环境科学与工程系!北京!***)A#摘要膜污染及其防治是影响膜系统运行效果的重要因素&本研究选取工程中运行一年多的处理垃圾渗滤液的碟管式反渗透膜!经研究判断!污染絮体的主要成分是有机物!并含有?&’C-等的胶体物质以及G/和+4的化合物&通过化学清洗来验证对污染层结构的判断!先碱洗后酸洗的清洗效果远远好于先酸洗后碱洗!有机物在污染层形成过程中起主要作用!减少渗滤液中的有机物质!将会大大减轻膜污染的发生&关键词反渗透膜垃圾渗滤液膜污染化学清洗中图分类号#*b文献标识码?文章编号!;#=@A!*B)**##*#@*!*!@*bJ*@6-%?P’.,$%’0-@2)%/)%2$%0)222’$&+$*’*,’$*’%*J-2H4.T-.:J--2k-.a/T4398/.9%56.7-3%.8/.94&CO-/.O/4.P6.:-.//3-.:!F/-k-.:R.-7/30-9L%5+,/8-O4&Z/O,.%&%:L!F/-k-.:!***)A#!.(*,$&*4W3/7/.9-%.4.PO%.93%&%58/8M34./5%2&-.:-0484k%354O9%3-.5&2/.O-.:8/8M34./T/35%384.O/’C92PL%.8/8M34./5%2&-.:4.PO,/8-O4&O&/4.-.:V40O433-/P%29ML4.4&L[-.:a-0O@92M/EQ8/8M34./93/49-.:&4.P5-&&&/4O,49/5%38%3/9,4.%./L/43’Z,/092PL3/02&90-.P-O49/P9,498/8M34./5%2&-.:&4L/3V404O%8T&/U0L09/8!-.V,-O,%3:4.-O02M094.O/0T&4L/P484k%33%&/-.8/8M34./5%2&-.:!O%.94-.-.:?&4.PC-O%&&%-P!40V/&&40+44.PG/O%8T%2.P’Z,/%T9-8288/9,%P%5O,/8-O4&O&/4.-.:-04&\4&-4:/.905%&&%V/PML4O-P4:/.9!M/O420/%3:4.-O02M094.O/04O94.-8T%394.93%&/-.5%2&-.:&4L/35%3849-%.’5’63-,(4EQ8/8M34./(&4.P5-&&&/4O,49/(5%2&-.:(O,/8-O4&O&/4.-.:基金项目!教育部科学技术重点研究资助项目*=*)b#收稿日期!)**;]*A]);(修订日期!)**#]*‘])b作者简介!刘研萍!A#)^#!女!博士!教师!主要从事固体废物处理与资源化研究工作&6@84-&)&-20,2-,4._!;=’O%8膜的污染是指与膜接触的料液中的微粒’胶体粒子或溶质大分子与膜存在物理’化学或机械作用!而发生膜面或膜孔内吸附’沉积!造成膜孔径变小或堵塞!使膜产生通量降低及分离特性变差的现象*!+&料液与膜一旦接触!膜污染即开始!即溶质与膜之间相互作用!开始改变膜的特性!使膜本身发生劣化*)!=+&膜污染的形成过程非常复杂!因进水组成成分’膜材质’运行方式等因素而具有不同的特点!必须有针对性进行分析研究&膜污染主要包括无机污染结垢#’有机污染’微生物污染及胶体污染*‘^B+&不同类型的污染常常同时发生!并相互影响!引起系统脱盐率下降’产水量降低’工作压力提高’压差上升等问题!并且需要经常化学清洗!从而引起膜性能下降!缩短膜的使用寿命&在系统设计及运行过程中!需采取相应的措施防止或减缓膜污染的发生&74试验材料与方法774试验准备为了有效分析碟管式反渗透膜P-0O@92M/3/@7/30/%08%0-0!aZEQ#系统处理国内垃圾渗滤液的运行过程中!膜污染的结构特点及组成成分!利用电镜扫描与射线能谱分析C6N@6a#技术联合进行膜污染层形态及无机污染分析!利用傅里叶红外光谱分析GZ@YE#技术进行膜污染层中有机物的分析&研究采用的膜是在长生桥垃圾渗滤液aZEQ处理工程运行一年后!在化学清洗前!利用系统维护时机!从后段膜柱选取的膜片&主要试验设备型号)扫描电镜hYZ?+hYC@‘#**型!傅里叶红外光谱仪Q8.-Ob;*!hWbBA*j+cNC色谱@质谱联用仪&7L:4JN;KNQ‘的分析样品制备)E*C6N@6a的分析样品制备步骤如下)!#分析样品制备&从污染膜上选取待分析的环境工程学报第!卷样品一块!约bxb88!将待测样品固定在直径约)O8的铝质平台!进行真空镀膜(当观察膜样品的断面结构时!样品断口是在液氮中冷却’脆断而制成的!断面样品制作的好坏直接关系到能否观察到膜面污染物层的断面结构&)#真空镀膜&由于反渗透膜不导电!进行扫描电镜分析时!需要对试样表面进行导电处理!即在试样被观察的表面采用蒸发沉积的办法镀上一层均匀的碳或金本研究镀金#!厚度通常控制在)*^B*.8之间&因需采用6a进行元素分析!镀膜尽可能薄一些!以减少吸收效应!从而减少对成分定量分析的影响*!*+&7L=4W8K^?的分析样品制备试验样品采用压片法制备!将样品与金属卤化物晶体混合!压制成薄片进行检测&溴化钾在整个中红外光区透明!因而被广泛应用于压片法中&取)**目光谱纯干燥KF3粉末)**8:与样品!8:混合!用玛瑙研钵研细混匀&转移混合物到模具中!放好压杆!边抽气边加压!几分钟后!卸掉压力!得到厚度!88的透明薄片&将得到的样品压片放入光路!即可测定样品的红外吸收光谱&:4污染反渗透膜的结构及形态分析:’74污染膜的表面形态选取aZEQ膜柱运行一年!在化学清洗前!为研究膜污染而拆卸下来的膜片&肉眼观察单片膜的污染特点!膜片上有粘滞感!膜片的正面呈黄色!边缘处膜污染较严重!明显附着褐色污染物(膜片与水导流盘上分布的凸点接触处呈褐色!并由内向外呈放射状&膜片背面污染较轻!颜色为浅黄色!边缘污染亦相对较重&用于C6N分析的污染膜照片如图!所示&:L:4污染膜的JN;分析取新膜和污染膜样品!经过脆断’真空镀膜后!采用C6N技术进行膜表面污染垢层和膜面污染层断面倾斜角#b}#分析!C6N分析结果如图)所示&膜正面边缘处的污染层外观为一种堆积结构!较致密图)M#!对局部点再放大可以观察到局部点污染物成团簇结构(在真空条件下进行C6N观察时!膜污染层出现断裂现象&与正面相比!膜背面边缘处的污染层较疏松!为大面积的堆积状絮状图)O#&膜中部正面部位形成了大量的形体较大的絮状污染物!且存在凹陷型的小孔图)P#!分析认为是4#膜片正面M#膜片正面局部O#膜片背面图!污染的膜片照片G-:!W,%9%0%55%2&/P8/8M34./O20,-%.系统运行过程中!膜与水力导流盘上排布的凸点接触所致&膜背面中部局部区域颗粒物较多!但并未形成大的絮体!污染物层有较浅的凹陷孔!数量较正面少图)/#&对膜不同部位污染状态差异进行分析!认为膜的边缘处与中部’正面与背面的污染层差异是与膜柱内水力运动状况密切相关的&进料液进入膜柱后!首先沿导流盘边缘到达膜柱的底部!然后!B*}逆转到另一膜面!此过程中水流的湍流作用不强!膜面流动的浓缩液极易在边缘处沉淀’吸附’堆积&而在膜面中部!由于水力导流盘的作用!料液在膜面形成湍流!使得浓缩液中的污染物质吸附沉淀的机率相对较小!因此污染较边缘处轻&:’=4膜污染的线扫描分析线扫描分析是联合扫描电镜与射线能谱仪)*!第#期刘研萍等)处理垃圾渗滤液的反渗透膜污染研究4#新膜M#膜正面边缘处的C6NO#膜背面边缘处的C6NP#膜正面中部的C6N/#膜背面中部的C6N图)污垢形态结构的电镜扫描照片G-:)C6N%58/8M34./5%2&-.:&4L/3C6N@6a#!以二次电子扫描像来选定待分析的区域!使电子束沿着指定的直线方向为膜进水端指向膜出水端#对试样进行轰击!同时用阴极射线管记录和显示元素射线强度在该直线上的变化!从而取得元素在线度方向上的分布信息&试验采用C6N@6a技术以膜面污染层沿直线方向进行线扫描分析!对膜面污染物的分布情况与分布规律进行研究&膜面污染层中污染元素的分布情况如图=和图‘所示&图=表示6a分析检测出的主要元素的相对含量!可看出污染物的主要成分是+’C-和C!且含有少量的?&’+4和G/&图‘的曲线表示膜面污染层进行线扫描的直线上!?&’C-’C’+4和G/元素在直线上每一点的相对含量!可通过图‘求得该元素在膜表面上的平均含量表!#&图=污染物的6a分析结果G-:=6a4.4&L0-03/02&9%5T%&&294.90图‘污染膜面元素分布情况G-:‘6&/8/.9P-093-M29-%.0%.8/8M34./5%2&-.:02354O/表74膜面主要元素的比例8$.2’74?$*)--0$)%’2’’%*(-%’.,$%’(@,0$&’元素重量百分比d#原子量百分比d#+*’BB)’!#Q!#’b;=)’b*?&!’Ab)’!‘C-b’=Ab’;AC‘;’=;‘)’B!+4)’#=)’*)G/!‘’A‘#’A)+2!*’!#‘’#‘=*!环境工程学报第!卷对图‘中的污染结构进行局部放大!可知其为结构紧密的絮体!对该絮体颗粒物进行C6N@6a分析!分析结果如图b和图;所示&由图;中污染元素在直线方向的元素分布数据!求得该元素在膜表面上的平均浓度!分析结果见表)&图b污染物的6a分析结果G-:b6a4.4&L0-03/02&9%5T%&&294.90图;污染膜面元素分布情况G-:;6&/8/.9P-093-M29-%.0%.8/8M34./5%2&-.:02354O/表:4污染物元素比例8$.2’:4?$*)-%-01-22@*$%*’2’’%*(元素重量百分比d#原子量百分比d#+!’!B)’B=Q!B’*‘=)’‘;?&=’!B=’‘*C-=’Bb=’A‘Cb!’B!‘;’b!+4b’*;=’;‘G/!*’B;b’;*WP;’*)!’;=通过线扫描分析可知!絮体的主要成分为+’Q’C-’C’G/’+4和WP元素!其中WP是因制作C6N@6a分析样品时镀金而呈现的元素&对表)的数据进行分析!图;中絮体C-’+4’?&’G/等无机金属的含量都较低!分别为=Bbd’b*;d’=!Bd和!*B;d!所以絮体不应以这些金属元素组成的无机垢体为主!而应该以有机物为主要成分!并含有?&’C-等的胶体物质!以及G/’+4的化合物等&这一絮体的形成过程可能是)首先细小颗粒或者是C-和?&作用生成不溶性的盐在膜面截留!然后有机物’微生物不断在其表面吸附’积累!最终形成图‘中的絮体!是有机物’无机物和微生物共同作用的复杂体系&:LB4膜污染的W8K^?分析GZ@YE技术通过波数进行化合物的定性分析!因为多数有机物的吸收峰出现在;)b^‘***O8]!区间!对波数在;)bO8]!以下的未加考虑&取污染膜并采用压片法制作样品!进行GZ@YE分析!将得到的红外吸收光谱减除反渗透膜本底的红外吸收!在;)b^!Bb*O8]!和)‘=*^=bB*O8]!区间存在吸收峰!认为膜面污染物可能主要是烷基酸类’氯代烷类及酯羰基类化合物&=4膜污染的清洗研究通过对膜污染的分析!得知膜面污染的无机物质主要是C’C-’+4’G/和?&的化合物!有机物质是烷基酸类’氯代烷类和酯羰基类化合物&根据膜面污染物情况!有针对性地选用碱性清洗剂和酸性清洗剂!进行化学清洗!考察清洗效果及污染层形成过程&分别采用先碱洗再酸洗’先酸洗再碱洗!进行了)种清洗顺序的对比!分析结果如表=和表‘所示&表=4先酸洗后碱洗的结果8$.2’=492’$%)%/,’(@2*3)*+$&)$/’%*0-22-3’.6$2X$2)$/’%*$d%样品外观特征+4CC-G/?&酸洗后淡黄色=’;#=;’=)b*