磁性离子交换树脂对原水中有机物去除效能的研究陈卫2

中国环境科学2009,29(7)：707~712ChinaEnvironmentalScience磁性离子交换树脂对原水中有机物去除效能的研究陈卫1*,韩志刚1,刘成1,许航1,袁恒2(1.河海大学环境科学与工程学院,江苏南京210098；2.北京天雨润泽科技有限公司,北京100053)摘要：采用磁性离子交换树脂(MIEX)预处理原水中有机物的中试试验结果表明,MIEX技术可有效地去除原水中的有机物,对UV254,DOC和CODMn的去除率分别稳定在82%、66%和50%,MIEX预处理可以有效强化混凝沉淀对有机物、藻细胞和浊度的去除.与常规工艺相比,在混凝剂聚合氯化铝投加量降低56%时,该工艺对UV254和CODMn的去除率分别为90%和71%,对藻细胞数和浊度的去除率分别为99%和95%.对溶解性有机物分级和分子量分布的测定表明,MIEX预处理主要去除混凝沉淀无法有效去除的小分子区间的亲水性和疏水性有机物,可以有效控制消毒副产物的产生,MIEX预处理与混凝沉淀联用工艺出水的三卤甲烷生成势(THMFP)和卤乙酸生成势(HAAFP)比原水降低了88%和87%.关键词：磁性离子交换树脂；预处理；有机物；消毒副产物；藻类中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2009)07-0707-06Removalefficiencyoforganicmatterinrawwaterwithamagneticionexchangeresin.CHENWei1*,HANZhi-gang1,LIUCheng1,XUHang1,YUANHeng2(1.CollegeofEnvironmentScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China；2.BeijingTianyurunzeTechnology,LimitedCompany,Beijing100053,China).ChinaEnvironmentalScience,2009,29(7)：707~712Abstract：Apilot-scaleexperimentwasemployedtoevaluateamagneticionexchangeresinfortheremovaloforganicsfromrawwater.Treatmentwiththemagneticionexchangeresin(MIEX)waseffectiveinremovingorganiccarbon.82%UV254,66%DOCand50%CODMnremovalswereobtainedrespectivelybytheuseofMIEXalone.CombinationofMIEXandcoagulation-settlementprocessenhancedremovaloforganics,algaeandturbidity.90%UV254,71%CODMnand99%algaecellswereremovedbythecombinedprocess.UsingMIEXasapre-treatmentbeforecoagulationcouldreduce56%PACdemand.Fractionationandmolecularweightdistributionwerealsoinvestigated.MIEXprocesswasshowntobeeffectiveinremovingbothhydrophobicandhydrophilicDOC,whileconventionalprocesscouldonlyremovehydrophobicDOC.MIEXprocesswashighlyeffectiveatremovingsmallmolecularweightorganicsandcoagulationwasshowntopreferentiallyremovelargemolecularweightorganics.MIEXprocessfollowedbycoagulationcouldreduce88%THMFPand87%HAAFP.Keywords：magneticionexchangeresin(MIEX)；pretreatment；organicmatter；disinfectionby-products；algae磁性离子交换树脂(MIEX)是以聚丙烯为母体的季胺型离子交换树脂,氯离子(Cl-)作为可交换离子能与水中带负电的物质进行离子交换.MIEX粒子孔径是一般离子交换树脂的1/5~1/2(150~180µm),因此有更大的比表面积,使得污染物质不需要依赖粒子内部孔道扩散就可与离子交换部位接触然后被去除[1-3].该粒子内部含铁氧化物具有磁性,磁性可加速MIEX的沉降分离,提高处理效率.国外研究[1-6]表明,MIEX对有机物、带负电的污染物均具有显著的去除效果,能有效地控制消毒副产物的生成,并可大大节省絮凝剂投加量,提高常规工艺处理能力.Johnson等[6]的研究表明,MIEX对DOC、UV254的去除率高达90%和95%,同时大部分研究[1,3-6]表明,MIEX主要去除小分子量有机物,因此MIEX能够有效去除消毒收稿日期：2008-11-14基金项目：国家“863”项目(2006AA06Z311);国家自然科学基金资助项目(50638020)*责任作者,教授,[e-mail]708中国环境科学29卷副产物前体物.Singer等的研究[1,3,6]表明,MIEX可去除水中Br-,减少BrO3-的生成.MIEX预处理还具有改善膜和活性炭等效能[7-8].国内对MIEX技术的相关研究还较少.本试验针对江苏苏北某微污染水源水的水质问题,结合水厂常规工艺,研究MIEX预处理技术对原水中有机物、消毒副产物前体物等的去除效能,及对其他水质指标的净化效果,以期为MIEX技术在我国的应用提供参考.1材料与方法1.1原水水质试验用水采用江苏苏北某水厂原水.原水水质为:pH8.0~8.2,CODMn3.7~5.3mg/L,DOC3.5~4.8mg/L,UV254为0.081~0.102cm-1,浊度为19~88NTU,氯化物22~66mg/L,SO42-51mg/L,TDS300mg/L.1.2试验材料MIEX(OricaCo.,Australia);混凝剂PAC溶液质量浓度为10%,pH5,由试验所在水厂提供;AmberliteDAX-8,XAD-4以及IRA-958树脂(Sigma-AldrichCo.,USA);0.45µm微滤膜(醋酸纤维素膜);PL、YC系列超滤膜和超滤杯(MiliporeCo.,USA)等.1.3工艺流程与试验方法水厂饮用水处理工艺流程及MIEX预处理试验系统见图1.工艺1工艺3工艺2原水隔板絮凝池斜管沉淀池砂滤池出水氯消毒MIEX反应器再生罐废盐罐混凝沉淀出水图1水厂工艺流程示意Fig.1ProcessflowofwaterplantMIEX试验系统由MIEX反应器、再生罐和废盐罐组成.MIEX反应器由搅拌反应区和斜板分离区两部分构成.搅拌反应区中的MIEX粒子经搅拌与进水充分混合,与污染物接触发生离子交换反应;在上部斜板分离区,进行高效泥水分离,出水采用六联搅拌机进行混凝沉淀试验.失效MIEX粒子经食盐溶液(浓度23%)再生后循环利用.MIEX系统处理水量为1.5L/s,搅拌反应区体积为554L,分离区体积为804L,再生罐为165L,MIEX装载量为300L.试验共6周,采用3种通水倍数(BV,即处理水量与树脂的体积比)分别为500,800,1200BV.试验比较分析了水厂混凝沉淀工艺(工艺1)、MIEX预处理、MIEX预处理+混凝沉淀(工艺2)和混凝沉淀试验(工艺3)对污染物的去除效能及强化混凝作用.工艺3参照工艺1模拟实际生产的运行情况,工艺2中PAC投加量无特殊说明时为工艺1投加量的40%.1.4检测项目与方法UV254采用Millipore0.45µm微滤膜,HACH紫外分光光度扫描仪,DOC采用Millipore0.45µm微滤膜,MultiN/C2100TOC仪测定;CODMn采用高锰酸钾氧化法测定;铝盐采用铬天青S分光光度法测定;藻细胞数采用镜检法计数.同时测定耗氯量、消毒副产物生成势、有机物分子量分布和分级表征,其中耗氯量、三卤甲烷生成势(THMFP)的和卤乙酸生成势(HAAFP)的测定参考文献[9]进行.有机物分级采用树脂分级法[10].先将水样用0.1mol/LHCl调整pH值为2,流经DAX-8和XAD-4柱,再将水样用0.1mol/LNaOH调整pH值为8,流经IRA-958柱,分别测定各部分出水的TOC,采用差值法得出各部分含量.在DAX-8柱上吸附的为疏水性有机物(HOM),在XAD-4柱上吸附的为弱疏水性有机物(WHOM),在IRA-958柱(阴离子交换树脂柱)上吸附的为荷电(负电)亲水性物质(HIC),在任何柱子上不吸附的物质为亲水中性物质(HIN).有机物的分子量分布采用PL、YC系列超滤膜和超滤杯进行分离.首先将水样过0.45µm微滤膜,然后分别过截留分子量为30000,10000,3000,1000Dalton的超滤膜,测定各滤过液的TOC,采用差值法得出有机物的分子量区间.7期陈卫等：磁性离子交换树脂对原水中有机物去除效能的研究7092结果与讨论2.1有机物的去除2.1.1MIEX预处理与工艺1的对比由图2可见,不同通水倍数(BV)下,MIEX预处理对DOC,CODMn和UV254的平均去除率分别为66%、50%和82%,明显优于工艺1,且MIEX通水倍数的变化对去除效果影响不大,故实际运行时可通过提高通水倍数来降低运行成本.MIEX预处理对3个指标的去除率呈现UV254DOCCODMn,国外的研究[1,3,5]也有类似结果.UV254所表征的是水中含不饱和键的有机物,这些物质大部分为憎水性荷电物质,而DOC表征的全部溶解性有机物以及CODMn所表征的有机物相对比较复杂,因MIEX是离子交换树脂,故其优先去除UV254所表征的荷电有机物.Mergen等[5]的研究表明,水中有机物的分子量分布是影响MIEX处理效能的最重要因素,MIEX主要通过离子交换作用和微粒吸附作用去除污染物,小分子有机物比大分子有机物更易进入粒子内部而优先被去除,UV254和DOC所表征的是溶解性物质,其分子量较小,因此与CODMn相比MIEX对UV254和DOC等溶解性物质有更高的去除率.0102030405060708090工艺1MIEX800BV有机物去除率(%)DOCCODMnUV254UV254CODMn工艺1MIEX500BVMIEX800BVMIEX1200BV图2不同工艺对有机物的去除率Fig.2Removalrateoforganicsindifferentprocess2.1.2工艺2与工艺3的对比工艺2和工艺3对UV254和CODMn的去除率见图3.由图3可见,工艺2对有机物的去除率明显高于工艺3.PAC投加量为32mg/L时,工艺3对UV254和CODMn的去除率分别为22%和27%;PAC投加量为14mg/L时,工艺2对UV254和CODMn的去除率分别高达90%和71%.Singer等[4]指出,MIEX预处理可去除影响混凝效果的大部分有机物,主要为腐殖酸及其他一些亲水性物质,而这些物质会消耗大量的混凝剂,并且混凝沉淀对其处理效果甚微.本试验验证了Singer等[4]的研究结果,即MIEX预处理在强化混凝对有机物去除能力的同时还可节省PAC投加量(工艺2比工艺3节省PAC投加量56%左右).01020304050607080901000810121416303234PAC投加量(mg/L)UV254去除率(%)工艺2工艺3a.0102030405060708090100081