硫酸铝混凝条件的变化对膜分离特性的影响

文章编号:1007-8924(2003)06-0004-04硫酸铝混凝条件的变化对膜分离特性的影响董秉直　曹达文　李伟英　范瑾初(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海　200092)摘　要:考察在混凝-膜分离处理中,混凝条件如投加量和pH 的变化对膜分离的特性的影响.试验表明,混凝条件的变化会影响矾花的尺寸大小和表面的Zeta 电位,因而对膜过滤阻力有较大的影响.适当的投加量能形成较大的矾花,使滤饼层阻力较低;过量的投加形成较小的矾花,使滤饼层阻力较大.当矾花表面的Zeta 电位与膜表面的电位相同时,滤饼层阻力较低,相异时,滤饼层阻力较大.试验表明,不存在某种最佳的混凝条件满足最大限度地去除有机物的同时使滤饼层阻力最低.关键词:膜过滤;混凝;滤饼层阻力;悬浮颗粒尺寸分布;Zeta 电位中图分类号:TQ028.8 文献标识码:A 膜技术在饮用水领域正得到日益广泛的应用[1].膜在过滤天然原水时,会产生膜阻力上升通量下降的现象.此外,由于超滤膜和微滤膜的孔径较大,对有机物去除效果差.为此,膜常与其他处理技术,如混凝和粉末活性炭联用,组成膜分离联用系统.这样的联用系统的目的是降低膜过滤阻力,提高过滤通量和提高有机物的去除效果.膜在过滤天然原水时,被截留的悬浮颗粒胶体沉积在膜表面,形成滤饼层.滤饼层增加了额外的阻力,使透水通量下降.影响滤饼层阻力的主要因素是悬浮颗粒的尺寸和空隙率.此外,水中悬浮颗粒与膜表面的相互作用也会对过滤阻力有很大的影响[2,3].当悬浮颗粒表面的电性与膜表面的电性相同时,由于电性相斥的关系,滤饼层不会紧密地附着在膜表面,使膜过滤阻力较低;反之,当悬浮颗粒表面的电性与膜表面的电性相反时,由于电性相吸的关系,滤饼层会紧密地附着在膜表面,使膜阻力较大.在混凝-膜分离系统中,混凝作为预处理,其目的是降低后续的膜过滤阻力和提高有机物去除效果.由于混凝剂能同时改变了悬浮颗粒尺寸的大小和表面电性,因此,了解混凝条件的变化如投加量的改变和pH 的调节如何影响滤饼层阻力是需要研究的课题.1　试验方法1.1　水样试验用的水样为黄浦江上游原水.原水的pH 为7.65,浊度为52NTU,TOC 为6.79m g/L,UV 254为0.137cm -1,三氯甲烷生成潜能(THMFP )为951μg/L,水温为30℃.1.2　混凝试验采用的混凝剂种类为硫酸铝,投加量范围为2～20m g/L (以Al 计),用超纯水配制混凝投加液.将所需的投加量投加到1L 的原水中去,用六联搅拌机快速搅拌1min,然后慢速搅拌30min 后,将混凝液倒入超滤器内过滤.每次过滤量为300mL,过滤压力为0.1MPa.1.3　滤饼层阻力的测定1)首先用纯水过滤,测定纯水通量;2)然后过滤混凝液,滤尽后,用纯水继续过滤,测定其过滤通量;3)将截留在膜表面的滤饼层用纯水洗净后,再用纯水过滤并测其通量.膜过滤阻力用下式计算.R =pμ・J收稿日期:2002-04-27;修改稿收到日期:2002-06-21基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2002AA601130)作者简介:董秉直(1955-),男,福建省福州市人,硕士,副教授,从事水处理技术的教学和科研工作.第23卷　第6期膜　科　学　与　技　术Vo1.23　No.62003年12月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGY Dec.2003式中,R 为阻力,1/m;p 为过滤压力,Pa;J 为过滤通量,m/s;μ为水的粘性系数,Pa ・s.第2步骤测定的阻力与第3步骤测定的阻力之差为滤饼层阻力.1.4　膜组件与仪器试验所用的超滤膜的截留分子量为70kD,膜材质为聚丙烯腈(PAN ).膜过滤装置为杯式超滤器,过滤面积为3.32×10-3m 2,膜以及过滤装置均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.压力驱动采用纯氮气.悬浮颗粒尺寸的分布,范围为0.2～2000μm.采用Mastersizer2000(MalvermInstrumentsLtd )测定.Zeta 电位测定采用BDL-B 型表面电位测定仪,由上海上立检测仪器厂生产.TOC 采用岛津TOC-500测定;UV 254采用岛津UV-2201测定,三氯甲烷生成潜能采用岛津GC-14B 气相色谱仪测定.2　试验结果与讨论2.1　投加量的变化对滤饼层阻力的影响投加混凝剂后,滤饼层阻力大幅度下降.当投加量增加到4m g/L 时,滤饼层阻力降为最低点.随着投加量的继续增加,滤饼层阻力反而上升,并在14mg/L 和20m g/L 时,超过直接过滤原水时的阻力.这结果表明,尽管混凝能有效地降低滤饼层阻力,但其程度与投加量有密切的关系,过量的投加反而会增加过滤阻力.见图1所示.投加混凝剂前后的悬浮颗粒尺寸大小的变化,如图2所示.图1　投加量变化对滤饼层阻力的影响图2　投加量变化对悬浮颗粒尺寸分布的影响 黄浦江水中占比例最多的悬浮颗粒尺寸是13μm,约为4.38%,尺寸在5～20μm 的占78%.投加4m g/L 的硫酸铝后,混凝所形成的矾花尺寸明显增大,占比例最多的矾花尺寸在50μm 左右,为5188%.占80%的矾花尺寸在20～100μm.令人注意的是,尺寸小于1μm 的颗粒从原先的2.78%下降到0.51%.当投加量增加到20m g/L 时,形成的矾花尺寸较4m g/L 时的明显变小.所占比例最多的矾花尺寸从50μm 下降为25μm 左右.小于1μm 的颗粒所占比例增加到0.82%.由此可见,混凝有效地增大悬浮颗粒的尺寸,降低滤饼层的阻力;适当的投加量可使尺寸最大化,从而使滤饼层阻力最低;而过量的投加量会形成较小尺寸的矾花,不利于阻力的降低.投加量变化时,悬浮颗粒表面的Zeta 电位变化如图3所示.由图3可见,硫酸铝投加量在2～4mg/L 时,颗粒表面为负电性,当投加量增加到6mg/L 时,Zeta 电位由负值转变为正值,此后,随着投加量的继续增加,颗粒表面保持正电性.对照图1可以发现,滤饼层阻力处于较低时的Zeta 电位为负值.PAN 膜表面的电位为-6mV.因此,由于悬浮颗粒与膜表面的电性相斥的作用,滤饼层不会紧密地黏附在膜表面上,使阻力大为降低.当Zeta 电位转变为正值时,滤饼层阻力开始上升,随后持续增加,这表明悬浮颗粒的Zeta 电位与膜表面的电位相异时会引起滤饼层阻力的增加.由图1还可以看出,当投加量为20m g/L 时,滤饼层的阻力甚至大于直接过滤原水的阻力,这种现象用颗粒尺寸的观点难以给予满意的解释,因为投加量为20m g/L 时的矾花尺寸明显大于原水的悬浮颗粒尺寸.如果将颗粒尺寸和Zeta 电位结合起来,可以发现,此时的颗粒尺寸较小而Zeta 正电位较高,因此,滤饼层阻力的大小是颗粒尺寸和Zeta 电位共同影响的结果.悬浮颗粒尺寸较大Zeta 电位为负值时,滤饼层阻力较　第6期董秉直等:硫酸铝混凝条件的变化对膜分离特性的影响・5　・　低;而悬浮颗粒尺寸较小Zeta电位为正值时,滤饼层阻力增大.2.2　pH的变化对滤饼层阻力的影响为了考察pH变化对膜过滤阻力的影响,将投加量固定在4m g/L,然后用0.1mol/L的盐酸调节所需的pH.试验结果如图4所示.当投加量不变时, pH在10～7范围内,滤饼层阻力较低,随着pH的降低,滤饼层阻力开始明显增大.图3　投加量变化对Zeta电位的影响图4　pH变化对滤饼层阻力的影响 考察pH为7.5和5.5时的悬浮颗粒尺寸分布,如图5所示.pH为5.5时的颗粒尺寸与不调节pH(此时的pH为7.5)的尺寸相比,明显变小.尺寸在50μm的颗粒从6%下降到5%,而且尺寸小于20μm的颗粒增多.这表明,当投加量保持不变的情况下,pH降低会导致所形成的矾花尺寸变小.而颗粒尺寸的变小直接导致滤饼层阻力的增加.pH的变化对Zeta电位的影响如图6所示.图5　pH变化对悬浮颗粒尺寸分布的影响图6　pH变化对悬浮颗粒Zeta电位的影响 由图6可知,当pH较高时,悬浮颗粒的Zeta电位的负电性较大,随着pH的降低,Zeta电位的负电性减弱,当pH由7降为6时,Zeta电位由负转正,但当pH进一步由6降为5.5时,Zeta电位又由正转变为负.对照相应的滤饼层阻力,可以看出,当Zeta电位的负电性较大时,滤饼层阻力较低,当Zeta电位随pH降低转为正值时,滤饼层阻力增大.图6还可以看出pH为5.5时,Zeta电位为负值,滤饼层阻力本应较小,但实际仍增加到本试验的最大值.这种现象可能是由于此时的颗粒尺寸较小,加之Zeta电位的负电性较弱,因此,滤饼层阻力仍然很大.2.3　去除有机物的效果在混凝-膜分离系统中,改变混凝剂的投加量和调节pH的主要目的是尽可能地提高有机物的去除效果.由图7可知,随着投加量的增加,TOC、UV254和THMFP的去除率也随之提高.这表明增加投加量能有效地提高有机物的去除效果.pH的变化对有机物去除的影响如图8所示.由此可知,在较低的pH的情况下,有机物的去除率较高,去除有机物的最佳pH为5.5～6,该结果与强化混凝的结果相一致[4].尽管增加投加量和降低pH可有效地提高混凝-　・6　・膜　科　学　与　技　术第23卷　图7　投加量的变化对去除有机物的影响图8　pH 的变化对去除有机物的影响膜分离系统的去除有机物效果,但在这样的混凝条件下,膜过滤阻力较大.因此,本试验的结果表明,不存在某种最佳的混凝条件满足最大限度地去除有机物的同时使滤饼层阻力最低.3　结论本研究考察在混凝-膜分离处理中,混凝条件如投加量和pH 的变化对膜分离的特性的影响.试验表明,混凝条件的变化会影响矾花的尺寸大小和表面的Zeta 电位,因而对膜过滤阻力有较大的影响.适当的投加量能形成较大的矾花,使滤饼层阻力较低;过量的投加形成较小的矾花,使滤饼层阻力较大.当矾花表面的Zeta 电位与膜表面的电位相同时,滤饼层阻力较低,相异时,滤饼层阻力较大.本试验表明,在适当的投加量和pH>7的条件下,可实现Zeta 电位与膜表面的电位相同,使滤膜层阻力较低,过量的投加量和在酸性条件下,滤饼层阻力较大.本试验同时还表明,不存在某种最佳的混凝条件满足最大限度地去除有机物的同时使滤饼层阻力最低.参　考　文　献[1]董秉直,曹达文,范瑾初.膜技术应用于净水处理的研究和现状[J].给水排水,1999,25(1):28～31.[2]FaneG.Ultrafiltrationofsuspensions[J].JMembrSci,1984,20:249～259.[3]WiesnerMR,ClarkMM,MallevialleJ.Membranefiltra2tionofcoa gulationsus pensions[J].JEnvironEn g,1989,115(1):20～40.[4]董秉直,曹达文,范瑾初.强化混凝去除黄浦江水有机物的试验研究[J].上海环境科学,2001,20(11):519～521.Effectofcoa gulationconditionsonmembranefiltrationcharacteristicsb yaluminiumsul phateDONG Bin gzhi ,CAO Dawen ,LI Wei yin g ,FAN Jinchu(StateKe yLaborator yofPollutionControlandResourceReuse,Ton gjiUniversit y,Shan ghai200092,China)Abstract:Theeffectofcoa gulationconditionsuchasdosa geand pHonthecharacteristicsofmembranefiltrationincoa gulation-membraneh ybridtreatment processwasinvesti gatedinthispaper.Var yingcoa gulationconditioncouldchan ge particlesizeandzetapotentialofflocs,thusinfluencingcakeresistance.Additionofsuitabledosageformedlar gerflocs,which greatl yreducedcakeresistance,andoverdosageformedlittlerflocswhichincreased cakeresistance.WhenZeta potentialofflocswasthesameasthatofmembranesurface,thecakeresistancewas decreased,whenthe yweredifferent,cakeresistancewasincreased.Noo ptimalcoa gulationconditionwasfoundformaximizin gremovalofor ganicsandminimizin gcakeresistance.Ke ywords:membranefiltration;coagulation;cakeresistance;distributionofsuspended particlesize;Zetapo 2tential　第6期董秉直等:硫酸铝混凝条件的变化对膜分离特性的影响・7　・　。