海水微絮凝预处理对超滤膜通量的影响赵瑾

第11卷　第12期环境工程学报Vol.11,No.122017年12月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringDec.2017基金项目:中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(K-JBYWF-2015-T10,K-JBYWF-2016-T8)收稿日期:2017-05-08;录用日期:2017-09-04第一作者:赵瑾(1982—),女,硕士,工程师,研究方向:海水利用技术。E-mail:[e-mail]∗通信作者,E-mail:[e-mail]海水微絮凝预处理对超滤膜通量的影响赵瑾,王文华,王勋亮,姜天翔,王静,张雨山∗国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所,天津300192摘　要　以聚合氯化铁为絮凝剂,研究了海水微絮凝预处理过程的絮凝特征以及对超滤膜通量的影响。考察了微絮凝对海水中有机物的去除作用,并采用体系稳定动力学参数、絮凝指数评价不同絮凝剂投加量在海水中的絮凝效果,探讨了微絮凝对超滤膜污染的改善作用。实验结果表明,微絮凝预处理能强化超滤膜对海水UV254的去除效果,与超滤相比提高了27.5%,可有效去除海水中的蛋白类有机物。超滤膜直接过滤海水可造成膜通量严重下降,采用微絮凝作为预处理能有效减缓超滤膜污染,且减缓效果与絮凝剂的投加量密切相关,当PFC的投加量为40mg·L-1时,膜比通量J/J0值大于0.9。关键词　海水;微絮凝;超滤膜;通量;有机物中图分类号　X703.1　　文献标识码　A　　文章编号　1673-9108(2017)12-6240-06　　DOI　10.12030/j.cjee.201705050Influenceofseawatermicro-flocculationpretreatmentonultrafiltrationmem-branefluxZHAOJin,WANGWenhua,WANGXunliang,JIANGTianxiang,WANGJing,ZHANGYushan∗TianjinInstituteofSeawaterDesalinationandMultipurposeUtilization,StateOceanicAdministration,Tianjin300192,ChinaAbstract　Polyferricchloridewasusedasflocculentforseawatermicro-flocculation.Thefloccharacteristicanditsimpactsonpermeatefluxofultrafiltrationmembranewereinvestigated.Theremovalefficienciesoforganicmatterindifferentflocculantdosagewerestudiedbymonitoringthestabilitykineticparameterandflocculationin-dexparameter,andtheeffectsofmicro-flocculationonmitigatingmembranefoulingwerealsodetermined.TheexperimentalresultsdemonstratedthattheremovalrateofUV254increasedby27.5%whenmicro-flocculationwasadoptedbeforeultrafiltration.Themicro-flocculationcouldenhanceremovaloftheprotein-likeorganicmatterofseawater.Themembranefluxdeclinedseverelyduringseawaterultrafiltrationprocess,whichcouldbeeffectivelyalleviatedbyusingmicro-flocculation.Themitigatingeffectswerecloselyrelatedtotheflocculentdosage.Whenthedosageofpolyferricchloridewas40mg·L-1,membranespecificfluxJ/J0wasgreaterthan0.9.Keywords　seawater;micro-flocculation;ultrafiltrationmembrane;flux;organicmatter　　近年来,超滤膜由于能有效截留悬浮物、胶体及微生物,且出水水质稳定、能耗低,已经成为海水淡化预处理工程应用最广泛的技术之一[1]。其中,超滤膜的污染堵塞问题是阻碍其发展的主要问题[2],严重增加了超滤系统的运行能耗[3]。研究表明,造成超滤膜堵塞的主要污染物是有机物[4-5]。微絮凝作为超滤工艺的预处理技术,是将水体中的悬浮微粒、胶体相互碰撞形成肉眼难以看见的微絮凝体的絮凝过程,微絮凝能有效去除溶解性有机物,减缓超滤膜污染,并且可省去絮凝-沉淀构筑物的占地面积及费用[6],对于海水的深度净化处理有着广阔的发展前景。有研究表明,超滤膜的污染程度与絮凝特性密切相关[7]。海水是一种既有胶体溶液特性又有电解质溶液特性并具有生物活性的溶液体系[8],并具有较强的分散稳定性;因此海水的絮凝特征具有独有的特性,目前有关海水的絮凝特征及其对超滤膜通量的改善作用研究并不完善。本研究以海水为研究对象,以聚合氯化铁PFC为絮凝剂,通过在线监测海水微絮凝过程中絮凝指数FI、体系稳定动力学参数等,综合分第12期赵瑾等:海水微絮凝预处理对超滤膜通量的影响析海水微絮凝过程中絮凝特征规律,对比分析直接超滤与微絮凝-超滤联用技术对海水中溶解性有机物的去除效果,考察对超滤膜污染的减缓作用,以期为微絮凝预处理在超滤技术中的应用提供基础数据。1　材料与方法1.1仪器与试剂TA6-2程控混凝实验搅拌仪,武汉恒岭科技有限公司;TURBISCANLAB分散稳定性分析仪,法国FORMULACTION公司;iPDA300絮凝度测定仪,韩国EcoNovel公司;DR5000紫外可见分光光度计,美国HACH公司;F-4600荧光分光光度计,日本Hitachi公司;MultiN/C3100总有机碳/总氮分析仪,德国Ana-lytikJena公司;8400型超滤杯,美国Millipore公司;ME2002E电子天平,瑞士MettlerToledo公司;加热磁力搅拌器,美国IKA公司。聚合氯化铁(PFC,氧化铁含量14%~15%,碱化度5.3%~6.6%),巩义市弘兴滤材厂;超滤膜(再生纤维素,切割分子质量10kDa,直径76mm,过滤面积41.8cm2),美国Millipore公司。1.2实验水质实验用海水取自天津港码头,实验期间水质指标为:温度(9.2±2.0)℃,电导率(44.7±1.2)mS·cm-1,pH7.80±0.15,浊度(1.35±0.17)NTU,UV254(0.053±0.001)cm-1。图1　实验装置示意图Fig.1　Schematicdiagramofexperimentaldevice1.3实验方法1.3.1微絮凝实验如图1(a)所示,在1L烧杯中分别加入海水,絮凝剂投加量分别为:10、20、30、40mg·L-1,借助程控混凝实验搅拌仪进行微絮凝实验,搅拌速度为200r·min-1,搅拌时间为2min,采用iPDA300光散射絮凝度测定仪测定整个过程的絮凝指数;微絮凝结束后取少量水样,立即测定稳定动力学参数,同时将水样经0.45μm滤膜过滤后,测定其UV254、三维荧光光谱。1.3.2超滤实验如图1(b)所示,以氮气为驱动力,将微絮凝实验所得水样,进行超滤杯实验。超滤杯采用死端过滤,超滤膜在使用前至少在超纯水中浸泡24h。实验时先测定超纯水通量,在跨膜压力240kPa,转子转速100r·min-1条件下过滤超纯水至出水通量稳定,借助电子天平记录累计滤出水的质量,计算膜初始通量(J0)。随后再过滤微絮凝后的水样,在跨膜压力240kPa,转子转速100r·min-1条件下,计算膜出水通量(J),将J/J0的比值作为实验通量。收集滤液,测定UV254和三维荧光光谱。1.4分析方法UV254是水中一些有机物在254nm波长紫外光下的吸光度,可作为表征水中天然存在的腐殖质类大分子有机物以及含C􀪅􀪅C双键和C􀪅􀪅O双键的芳香族化合物的参数。UV254采用DR5000紫外可见分光光度计进行测定。稳定动力学参数采用TurbiscanLab稳定性分析仪测定,海水经微絮凝后快速取样并放入测试瓶中,液面高度约55mm,每2min扫描1次,共扫描16次,测试温度26℃。通过脉冲式近红外光同步测量透射光和背散射光强度变化,获得沉淀层、混合层及1426环境工程学报第11卷澄清层的变化曲线,分析得出稳定动力学参数。絮凝指数采用iPDA300光散射絮凝度测定仪测定。将光散射絮凝度测定仪的硅胶管两端分别浸入微絮凝实验的烧杯内壁固定,海水先经过iPDA300,再经过蠕动泵回到烧杯中,形成循环回路。海水在投加絮凝剂之前先搅拌2min混匀,再投加絮凝剂,通过在线监测微絮凝过程中絮体聚集及粒径变化,获得絮凝指数FI(flocculationindex)变化曲线。三维荧光光谱是一种具有较高价值的光谱指纹技术,可全方位分析水中有机物的组成特征和荧光光谱信息,对有机物的组成分布和含量分析具有较高的准确性,图像直观、灵敏度高,是一种广泛应用的痕量分析技术。三维荧光光谱采用F-4600荧光分光光度计测定,光源150W氙灯,光电倍增管电压400V,激发和发射狭缝宽度均为5nm,扫描速度为12000nm·min-1,激发和发射光波长的扫描范围分别为200~400nm和200~550nm,水样稀释5倍后进行测定。2　结果与讨论2.1微絮凝-超滤联用工艺对海水有机物的去除效果图2　不同工艺对UV254的去除效果Fig.2　EffectofUV254removalatvariedprocess　图2为超滤与微絮凝-超滤联用工艺对海水中UV254的去除效果。可知,在本实验条件下,经超滤后海水中UV254值为0.039cm-1,去除率为23.5%。海水中含有大量的亲水性有机物,如腐殖酸、富里酸、多糖和蛋白质等。根据实验结果发现,超滤对UV254的去除效果并不理想,主要是由于超滤膜对有机物的去除并非简单的物理截留,膜表面对悬浮态和胶体态有机物的吸附是主要的去除作用。与超滤相比,微絮凝-超滤联用工艺强化了超滤膜对有机物的截留作用,随着PFC投加量的增加,UV254去除率逐渐增大,当PFC投加量为40mg·L-1时,海水中UV254值为0.025cm-1,去除率可达51.0%。微絮凝是使海水中的小微粒相互碰撞形成微小聚集体的絮凝过程。在超滤前投加PFC絮凝剂预处理对UV254的去除率有所提高,主要是由于PFC的水解产物会将小分子溶解性有机物通过络合或吸附于表面,形成微絮体,再被超滤膜截留[9],此外,Fe3+还会对亲水性有机物产生吸附架桥作用。2.2海水三维荧光图谱(3DEEM)分析为进一步探讨微絮凝-超滤联用工艺对去除海水中有机物的影响,采用三维荧光光谱对超滤和微絮凝-超滤联用后的海水进行分析比较。依据前人的研究[10-11],三维荧光图谱可分为4个区域,区域A和D属于蛋白类荧光,区域B和C属于腐殖类荧光。图3(a)为原海水的三维荧光图谱,可知,原海水在A区峰值的激发波长/发射波长(λEx/Em)为225/338,代表芳香族蛋白类荧光峰,荧光峰有较强的响应强度,说明近岸海水受人类活动产生的污染影响较大;在D区的荧光峰强度较弱,代表溶解性微生物代谢产物(SMP);在B、C区有强度较弱的荧光峰带,分别代表紫外区富里酸类和可见区腐殖酸类,由于腐殖类荧光易受到高响应强度芳香族蛋白类荧光峰的掩蔽,因此区域B、C