臭氧-生物活性炭-金属膜联用工艺在水处理中的应用

臭氧-生物活性炭-金属膜联用工艺在水处理中的应用
向嫄;李伟英;许晨;高炜鹏;王瑾;张伟
【摘要】采用臭氧-生物活性炭(O3-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、DOC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60 min后其跨膜压差由0 MPa升至0.7 MPa.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4 min(0.4 MPa),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％.%Removal of pollutants in water by combined processes of ozone-biological activated carbon O3-BAC) and metallic membrane was investigated.Membrane fouling and cleaning methods were studied by authors.Results showed that average removal rate of turbidity,total bacteria and DOC by the integrated process was 86.1％,96.2％ and
66.4％,respectively.The number of particles in membrane effluent was less than 100 p/mL.For dead-end mode with constant flux (2 m3/m2 · h),the trans-membrane pressure of the metallic membrane increases from 0 MPa to 0.7 MPa after operating for 60 minutes.Scanning electron microscopy observations showed that small particles block membrane pores or cover membrane surface,thus causing membrane flux declined.Membrane flux recovery ratio was 86.4％ after backwashing by membrane effluent for 4 min (0.4 MPa).Metallic membrane was then soaked in 2％ citric acid or 2％sodium hydroxide and the membrane flux recovery was above 97.0％.
【期刊名称】《净水技术》
【年(卷),期】2017(000)002
【总页数】5页(P69-72,77)
【关键词】水处理;臭氧;生物活性炭;金属膜;联用工艺
【作者】向嫄;李伟英;许晨;高炜鹏;王瑾;张伟
【作者单位】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;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;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;同济大学环境科学与工程学院,上海200092;同济大学环境科学与工程学院,上海200092;成都川力智能流体设备股份有限公司,四川成都611530
【正文语种】中文
【中图分类】TU991.2
臭氧-生物活性炭(O3-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[1]，但其出水存在浊度增加、细菌总数升高[1-4]等现象。

O3-BAC也是引起水中抗性细菌增加的关键因素[5]。

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[6]研究发现金属膜可截留水中的细菌。

Kim等[7]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[8]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O3-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。

O3-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12×40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(0.3μm)有
效过滤面积为0.01593m2，为德国GKN公司生产。

原水浊度为3.1NTU，可溶解性有机碳(dissolved organic carbon，DOC)浓度为2.3mg/L，菌落总数9160CFU/mL。

O3-BAC工艺运行参数：滤速为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、
60min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O3-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。

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(heterotrophic plate count，HPC)。

O3-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10～25μm颗粒数量减少、2～
5μm 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[10]，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。

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。

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[13]。

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。

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[16]，试验运行期间膜表面尚未形成滤饼层。

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。

膜污染分为可逆污染和不可逆污染，物理清洗主要恢复膜可逆污染，不可逆污染则
需要化学清洗进行恢复[17]。

在0.4MPa水反冲洗4min后分别采用0.5%、1%、2%柠檬酸和氢氧化钠溶液对污染膜进行浸泡，试验结果如图6、图7所示。

试验表明，随着两种溶液的浓度和浸泡时间增加，膜通量的恢复率越高，其中2%柠檬酸浸泡2、3h后膜通量恢复率分别为97.0%、99.1%，2%氢氧化钠浸泡2、3h 后膜通量恢复率分别为97.3%、98.0%。

试验结果表明，柠檬酸和氢氧化钠对膜通量的恢复效果良好。

考虑经济成本，建议化学清洗参数为2%柠檬酸或氢氧化钠浸泡污染膜2h。

(1) O3-BAC-金属膜联用工艺对浊度、DOC、菌落总数的去除效果均较好，滤后水浊度低于0.3NTU，平均去除率为86.1%；DOC的平均去除率为66.4%；滤后水中菌落总数为1260CFU/mL，去除率为96.2%。

(2) 扫描电镜结果显示小颗粒堵塞膜孔或覆盖金属膜表面造成膜污染，试验运行期间金属膜表面并未形成滤饼层。

(3) 金属膜最佳水力清洗参数为0.4MPa，水反冲洗时间4min，膜通量恢复率为86.4%；最佳化学清洗参数：2%柠檬酸浸泡或氢氧化钠浸泡2h，膜通量恢复率高于97.0%。

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