粉末活性炭超滤膜处理黄浦江原水的研究董秉直

2003年第22卷第11期引2刁刀岁Za了石),!/厅1,nlnen细j反丁ences粉末活性炭一超滤膜处理黄浦江原水的研究StudyonPAC一UltrafiltrationMembraneProeessforTreatmentofHuangPuRiverSoureeWater董秉直曹达文范瑾初(同济大学污染拉制与资源化研究国家重点实验室,上海200092)DongBingzhiCaoDawenFanJinehu(StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResoucreReuse,oTn自1University,Shanghai20(x〕92)摘要采用粉末活性炭与超滤膜联用技术处理黄浦江原水。试验表明,投加粉末活性炭不会造成膜过滤阻力的增加。粉末活性炭的投加里越多,膜过滤阻力也越小。粉末活性炭与膜联用能有效地提高有机物的去除效果。关键词:超滤膜粉末活性炭黄浦江原水膜过滤阻力有机物1前言超滤膜和微滤膜被认为是替代传统的饮用水处理工艺的最佳选择川。由于超滤膜的较大截留分子量,去除原水中的溶解性有机物的效果较低。为了提高膜处理去除有机物的效果,超滤膜可与混凝或粉末活性炭联用。在这样的处理工艺中,投加粉末活性炭对提高有机物的去除效果,粉末活性炭对膜过滤的阻力和通量等的影响是研究的重点。力为0.IMPa。过滤通量采用容积法测定。TOC测定采用岛津TOC一500,A25;测定采用岛津UV一2201紫外分光光度计,三氯甲烷生成潜能测定采用岛津Gc一14B气相色谱仪。原水和粉末活性炭的颗粒粒径分布测定采用Mastersizer2000(MalverminstrumentsLtd)。2研究的方法和装置水样:试验用的水样为黄浦江上游原水,取自于上海杨树浦水厂。原水的浊度为35度,pH为7.65,总有机炭(TOC)为6.79mg/L,254nm吸光度(A25;)为0.137em’,三氯甲烷生成潜能(THMFp)为951pg/L,水温为30℃。粉末活性炭(PAC)试验:试验用的粉末活性炭为木质炭,为上海活性炭厂生产。称取50、100、200mg的粉末炭投加到IL的水样中,快速搅拌(IO0r/min)lmin后,慢速搅拌(30r/min)30min,然后用超滤膜过滤。使用的超滤膜材质为聚丙烯睛(PAN),截留分子量为50k和7OkDalotns。超滤器由中国科学院上海原子核研究所膜分离技术研究开发中心提供,过滤面积为3.32、10一’mZ。压力驱动采用高纯氮气,过滤压3膜过滤阻力的数学模式膜过滤截留水中的悬浮颗粒、胶体,这些杂质累积在膜表面,形成滤饼层。滤饼层对膜过滤产生阻力,造成通量下降。如果膜本身产生的阻力为Rm,滤饼层产生的阻力为R。,则膜过滤的总阻力为两者的叠加。此时,透水通量()J可由下式表示:1dV△P了二二·二`一=~一一一二二二一一一一了1、Adt拜·(Rm+cR)式中,A—膜过滤面积(mZ);犷一一-过滤水量(m,);t—过滤时间(s);刀—粘性系数(P.as);△尸—过滤压力(Pa);Rm—膜阻力(m’);国家高技术研究发展计划(863)项目资助。编号2002AA601130。第一作者童来直,男,1955年生,1981年毕业于同济大学,副教授。一731一粉末活性炭一超滤膜处理黄浦江原水的研究蓝秉直SI]刁刀创2刀了肠z叮orn功`z7at/5。亡月eseRc一一滤饼层阻力(m’)。(1)式可用于不搅拌和搅拌情况下的透水通量的描述。滤饼层阻力可用下式表示:=a.三里竺(2)式中,a—阻力系数(mk/g);m。—一滤饼层的杂质量(kg)。4结果与讨论4.1投加粉末活性炭对膜过滤通量和阻力的影响由图l可知,粉末炭投加到水中后,随着过滤的进行,其通量的下降程度比原水减缓。粉末炭的投加量越大,通量下降的程度也越缓慢。这表明,投加粉末炭有利于改善过滤通量。阻力系数由Carmen一Kozeny公式表达:\日à泞。ù义黯划酬叫180·(l一f)以=,,二一-甲下-.一d`·f。·Ps后10(3)式中,d-一一颗粒尺寸(m;)sP---杂质密度(kg/m,);f—滤饼层的孔隙率。如果水中的悬浮颗粒、胶体被全部截留,则滤饼层阻力可用下式表示:0306090120150180210240270300过滤水虽(mg/)L1一原水二2一50nlg(PAC/L);3一100Ing(PAC/L):4一200mg(PAC/l)。=a.竺丝=Cb·咋(4)式中,称一挝滤累积水量(1记);Cb—水中悬浮颗粒的质量浓度(kg/m3)。在过滤天然原水时,膜过滤的阻力主要是由R。造成的。将式(4)代人式(l),可得:图1投加粉末活性炭对过滤通里的影响igure1EffeetofadditionofPAConf11trationflux投加粉末炭后,通量变化速率(K。)的变化如图2所示。353025加巧1005ǎ甲日à瑙矫攀俐啊明△尸户·(Rm+Rc)(5)(5)式可整理为下式:11拜·a·Cb·凡二二-:-+-~二`二,代尸-~(6)JJO凸尸·A(6)式中的几为纯水通量,可为下式表达:J。=兰二-拜·Rm(6)式最后可整理为:50100200粉末活性炭投加量(mg/助图2投加粉末活性炭对cK的影响(7)Figure2EffeetofadditionofPAConcK11产·a·Cb’凡K。·尽·凡二一一二-=_’二一一气爪二一二尸一〔匕)JJo凸夕,·A凸IJ·A几一几对于天然水来说,阻力系数a和悬浮颗粒的质量浓度Cb的测定比较困难,故将它们的乘积设为K。。由式(8)可知,如果在试验中,保持△尸、A、刀和称一定,则通过测定通量J,就可得到cK,它可反映出过滤过程中的通量变化的速率。试验中,过滤水量称均为300n1L。通量均用下式修正到25℃时的通量。y=一0.000007x3+0.0Olx2一0.06x+1.979(9)式中,y—温度修正系数;x—水温(℃)。图2可见,投加粉末炭后,K。明显下降。投加粉末炭对膜过滤阻力的影响可通过cK的变化进一步说明。原水的悬浮固体含量为Cb,粉末炭的投加量为Cp,投加后的滤饼层阻力系数为a。,投加粉末炭后的K。表达式为,Kep=ap·(Cb+Cp)(10)式中,K。—投加了粉末炭后的K。;。p—投加粉末炭后的滤饼层阻力系数。由(10)式可知,投加粉末炭后,cK的降低必然是阻力系数a的降低。阻力系数改变的程度可用下式估计。丛~二丘Kca一732一考油开袖针带2003年第22卷第11期5为azZ助刁i肠71住ron功口月Z刁了scj口nc邵试验水样的浊度为35度,可假设黄浦江原水中的悬浮固体含量为35mg/L。因此,Cb为35mg/L,Cp为50、100、Zoomg/L。由式(12)可估算出ap/a,结果如表l所示。表1投加粉末炭对阻力系数的影响Table1EffeetofadditionofPAConresistaneeeoeffieientC。(mg/L)K·p/K。ap/“500.750.3含量并未增加,同时,粉末炭还能有效地吸附有机物,这些因素使得滤饼层中的有机物的粘合作用减弱,实际上增大了孔隙率,使滤饼层阻力下降。4.2粉末活性炭与膜联用提高有机物去除效果去除有机物的效果如图4一图6所示。随着粉末炭投加量的增加,DOC、A254和THMFP的去除率也随之明显提高。on八Un00nU000000tz亡n气4内j,`lǎ%à研邢菠口001000.790.22000.550.08由表1可知,投加粉末炭后,阻力系数降低,投加量越多,下降的程度也越大。投加粉末炭后,原水中的固体含量增加,根据式(4),m。增加,这本应造成Rc增加。但试验结果表明R。没有增加,还略有下降,这说明投加粉末活性炭会降低滤饼层的阻力系数a。根据式(3),降低阻力的有效手段是增大颗粒粒径d和提高滤饼层的孔隙率f。原水中的悬浮颗粒和粉末活性炭颗粒的尺寸分布如图3所示。050100200投加量(mg/)Ll一045“xn;2一PAN70k;3一PAN50k。图4投加粉末活性炭提高OOC去除率Figure4EffeerofadditionofPAConremovalrateOfDOC9080706050402030100ǎ%à笋菠稍瑟习0Les王`刁J-月口I二1曰`J`乙.`J曰.目~J曰~J山J`J~``.J..Jee0一0石0.5~11~22一55~1010颗粒尺寸(”m)口原水;口粉末活性炭。图3黄浦江原水悬浮颗粒和粉末活性炭颗粒尺寸分布Fjgure3SjzedjstrjbutjonofsusPended50}jdandPACinHuangPuRiverandPAC050100200投加量(mg/L)l一0.45pm:2一PAN70k;3一PAN50k。图5投加粉末活性炭提高人。4去除率Figure5EffeetofadditionofPAConremovalrateofA25;8070605040302010ǎ%à尽出勺监9080706050403020100ǎ%à辞凿邢d匕写口卜由图3可以看出,粉末炭的颗粒尺寸并不比原水中的悬浮颗粒尺寸大,这表明投加粉末炭对增加滤饼层中的大颗粒没有多少帮助。膜过滤的阻力在很大程度上不是悬浮固体造成的,而是有机物。有些学者认为,滤饼层是悬浮颗粒和有机物的复合物,并提出了复合滤饼层的概念。SchaferAl等l2]采用电子扫描电镜对沉积在微滤膜表面的滤饼层进行观察后发现,滤饼层中的悬浮物质嵌在有机物中间。有机物会赫附在悬浮固体的表面,当悬浮颗粒被膜截留,沉积在膜表面形成滤饼层时,有机物起着一种“粘合剂”的作用,将固体颗粒粘合成紧密的滤饼层,增加了滤饼层的阻力。因此,滤饼层孔隙率的降低主要是由于有机物造成的。投加粉末炭后,固体颗粒增加,但有机物的2550100200投加量(mg/L)l一PAC;2一PAC+PAN7Ok图6投加粉末活性炭提高THM印去除率Figure6EffeetofadditionofPAConremovalrateofTHMFP粉末活性炭与膜联用能大大提高去除有机物的效果,这是由于膜能有效地截留粉末炭的缘故。分别用0.45林m、50kPAN和70kPAN过滤。由此可知,随(下转第737页)一733一方油歼袖种奋2030年第22卷第11期5,内a1乙岁Zaj卢’1Zvlronlnell白l`灸,矽nces液合并收集,再在41℃恒温下进行浓缩,浓缩后的样品棕色瓶密封冷藏,再控制一定条件进行GC/Ms分析。实验中得到了叫垛缺氧降解过程水样的总离子色谱图和不同峰值对应的质谱图,从图库中查找,并结合叫睬自身的结构分析得到了中间产物轻叫睬(如图6)。这一结论弥补了国内在含氮杂环化合物缺氧降解途径领域中的空白,进一步证实了国外研究中含氮杂环化合物经基化的普遍性。何苗,张晓健,雷晓玲,等.焦化废水中有机物曝气吹脱条件下的挥发特性环境科学,1997,1s(5):34~36.张自杰,林荣忱,金儒霖.排水工程下册(第三版).北京:中国建筑工业出版社,1996,280,何苗,张晓健,瞿福平,等.难降解有机物生物抑制特性的研究.环境科学,]997,18(2):2一23.贺延龄.废水的厌氧生物处理.北京:中国轻工业出版社,1998,530.申海虹,顾国维,李咏梅.缺氧反硝化去除难降解杂环化合物毗陡研究.上海环境科学,200120(11):530一536.责任编辑蒋瑶琴(收到修改稿日期:2003一07一03)兰型争111111其它图6叫噪缺氧降解途径figure6Anoxiedegradationrouteofindole叫垛羚基化的原因在于杂原子的取代使环变得不稳定,易于接受亲核试剂的攻击,易于被氧化(经基化)。(上接第733页)着膜孔径的变小,有机物的去除率随之提高。对于50kPAN和70kPAN而言,去除效果相差并不大,但对于0.45月m的过滤液而言,特别是DOC的去除率,与50kPAN和70kPAN超滤膜相比,相差20%。这充分表明,提高粉末炭的去除有机物效果的关键是如何有效地