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地下水除铁除锰-超滤组合工艺的膜污染特性

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     地下水是我国饮用水的主要水源,占城市供水总量的1/3。地下水的除铁除锰技术主要包括自然氧化法、接触氧化法、生物法等。采用上述处理工艺时如何保障地下水中铁锰高效、稳定地去除仍是亟需解决的关键问题。

    近年来超滤技术在自来水处理领域中迅速得到广泛应用,具有出水水质稳定、能耗低、安全性高和绿色等特点,已成为饮用水处理工艺的重要发展方向,也是当今的研究和应用热点。超滤技术在地下水除铁除锰工艺过程中的应用很少,Choo等的研究表明,超滤可以去除水中的铁,但不能有效去除锰,当投氯量达到3mg/L时,锰的去除率仅达到80%。乔铁军等研究发现,三价铁和三价铝等高价金属离子主要吸附和沉积在膜表面的凝胶层上,而二价钙和二价镁等二价离子在膜表面以及膜孔隙中都有吸附和沉积。可见,地下水除铁除锰工艺与超滤技术相结合仍需开展深入研究。本文采用地下水除铁除锰与超滤组合工艺,研究超滤的除铁除锰效果和膜污染特性,为超滤技术在地下水除铁除锰工艺中的应用提供技术支持。

    1.1实验装置和实验水样

    实验系统由3组处理工艺组成,包括直接超滤工艺(工艺1)、曝气-超滤工艺(工艺2)以及曝气-砂滤-超滤工艺(工艺3),如图1所示,地下水原水经过提升进入高位备用。工艺1的原水由高位水箱进入恒位水箱后直接进行超滤;工艺2的原水进行曝气后进入恒位水箱,再进行超滤;工艺3的原水进行曝气后经过砂滤池过滤,再进入恒位水箱后进行超滤。组合砂滤柱用有机玻璃制成,柱高3m,直径90mm;滤柱上部为曝气段,高度为50cm,曝气的气水体积比为60:1;滤柱下部为过滤段,滤速6m/h,由上而下分别为80cm无烟煤、110cm锰砂和20cm粗砂垫层,锰砂粒径为0.80~1.47mm,K80为1.84。组件采用外压式中空纤维膜,膜材料为聚偏氟乙烯,孔径10nm,膜丝内外径分别为1.0mm和1.6mm,膜组件的膜总面积为28.14cm²。超滤膜出水采用蠕动泵(BT100-2J)抽吸,每天校核2次流量,以确保恒定的膜通量。

实验工艺流程

    

    实验原水为东北某市某地下水水厂的原水水质:总铁质量浓度为4.25~16.55mg/L,总锰质量浓度为0.76~0.94mg/L,pH为6.70~6.90,碱度为260~265mg/L,浊度为2.60~2.80NTU。

    1.2实验方法

    每种实验参数的运行周期为9d,采用恒定膜通量20L/(m²h),每天测定2次超滤膜进出水的铁锰含量,同时记录跨膜压差变化;利用扫描电镜和X射线光能谱进行污染物分析。

    1.3分析方法

    水中Fe和Mg等金属离子采用全谱直读离子发射光谱仪(ICP,Optima8300)进行测定;膜表面污染物采用扫描电子显微镜(SEM-EDS,QUAN-TA200)和X射线光电子能谱(XPS)进行检测;采用真空(Y100ZT-0.1-0MPA)监测超滤膜的跨膜压差(TMP)变化。

    2、结果与讨论

    2.1组合工艺除污染效果

    2.1.1除铁效果

    3种工艺去除总铁变化如图2所示。

超滤膜除总铁效果

    由图2可知,原水的总铁含量变化范围为4.25~16.55mg/L,平均含量为8.23mg/L,pH范围为6.70~6.90。工艺1的超滤出水总铁含量范围为0.18~3.68mg/L,平均含量为1.21mg/L,pH范围为6.90~7.05,其中超滤膜的总铁平均去除率为85.30%。工艺2的曝气出水总铁含量范围为2.23~12.59mg/L,平均含量为3.86mg/L,超滤出水总铁含量0.008~0.50mg/L,平均含量为0.13mg/L,pH范围为7.02~7.15,工艺2中的总铁平均去除率为98.42%,其中超滤膜的总铁平均去除率为96.63%。工艺3的砂滤出水总铁含量范围为0.10~0.47mg/L,平均含量为0.27mg/L,超滤出水总铁含量范围为0.01~0.21mg/L,平均含量为0.05mg/L,pH范围为7.12~7.25,工艺3中总铁平均去除率为99.39%,其中超滤膜的总铁平均去除率为81.48%,工艺3出水铁含量可以满足生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)的要求,显著提高了除铁效果和工艺稳定性。

    原水的亚铁含量变化范围为0.89~12.75mg/L,平均含量为2.90mg/L,工艺1出水及工艺2、工艺3中超滤膜的进出水中均没有二价铁的存在。

    综上所述,原水中的铁主要以溶解态的二价铁存在,工艺1未经过充分曝气,超滤不能有效截留二价铁,使得超滤出水总铁含量很高;在工艺2和工艺3中,由于曝气过程的氧化作用,二价铁被充分氧化为三价铁,并水解形成Fe(OH)3胶体颗粒,超滤膜可以有效截留胶体或颗粒状态的三价铁,使超滤出水的铁含量大幅度降低。在工艺2中曝气出水的总铁含量仅为原水总铁含量的53.10%,主要是由于曝气形成大量Fe(OH)3胶体,其中部分Fe(OH)3胶体在进入膜池前沉淀于恒位水箱内,使得超滤膜截留三价铁的负荷减小,而工艺3中经曝气的原水进入砂滤池进一步去除了三价铁,砂滤出水总铁含量大幅度降低,超滤膜截留三价铁的负荷很小。

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