生物粉末活性炭與超濾組合工藝膜污染物質(zhì)研究

安東子，楊艷玲，李 星，劉永旺，程振杰

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京100124)

近年來，隨著膜材料的不斷發(fā)展，使得膜分離技術(shù)在水處理行業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛.由于它是一門新生的高分離、濃縮、提純及凈化技術(shù)，產(chǎn)業(yè)界和科技界都把膜技術(shù)當(dāng)作21世紀(jì)工業(yè)技術(shù)發(fā)展中一項(xiàng)極為重要的高新技術(shù)[1-3].

然而膜污染問題是制約膜技術(shù)發(fā)展的主要因素之一[4]，所謂膜污染就是料液中的微粒、膠體粒子和溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學(xué)相互作用或機(jī)械作用而引起的膜表面或膜孔徑內(nèi)吸附、堵塞，使膜產(chǎn)生透過流量與分離特性的不可逆變化的現(xiàn)象.膜污染導(dǎo)致通量下降，超濾分離效果降低，壽命縮短[5-7].目前，雖然關(guān)于膜污染的研究非常多[8-12]，但對膜污染的機(jī)理說法并不一致，主流理論認(rèn)為造成膜污染的原因主要包括:蛋白質(zhì)污染、懸浮固體污染、膠體污染、生物污染[13]、金屬離子污染[14]等，能夠肯定的是處理料液中粒子與膜材料的互相作用是影響膜污染的最主要的因素[15].

基于國內(nèi)外膜污染研究現(xiàn)狀，本文主要分析生物粉末活性炭與超濾組合工藝膜污染物質(zhì)特性.在組合工藝穩(wěn)定運(yùn)行條件下，分別對受污染膜絲表面泥餅層、水洗后的受污染膜絲、生物粉末活性炭進(jìn)行了紅外光譜分析，以探究造成膜污染的主要污染物.

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所用膜池如圖1所示[16]，裝置流程為:原水由蠕動(dòng)泵抽入原水箱，通過浮球控制水槽流入反應(yīng)器中，出水通過抽吸泵直接從膜組件抽出，將真空表設(shè)置在膜組件和抽吸泵之間，監(jiān)測跨膜壓力，由空氣泵向反應(yīng)器內(nèi)曝氣以提供溶解氧、進(jìn)行攪拌混合并清洗膜絲表面.運(yùn)行初期投加過200目篩的粉末活性炭，所用的膜絲為杭州立升凈水技術(shù)有限公司生產(chǎn)的聚偏氟乙烯(PVDF)材質(zhì)，束狀中空纖維膜，膜孔徑0.01μm，膜絲外徑為1.45 mm.

圖1 生物粉末活性炭與超濾組合工藝裝置圖

1.2 試驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)室小試條件下，采用人工配置原水(以自來水、生活污水、藻按一定的比例配置)，當(dāng)生物粉末活性炭與超濾膜組合工藝處于長期穩(wěn)定運(yùn)行階段，在跨膜壓差達(dá)到0.03 MPa時(shí)，開始進(jìn)行膜污染物質(zhì)特性實(shí)驗(yàn).

通過對受污染膜絲表面泥餅層、水洗后的受污染膜絲、生物粉末活性炭進(jìn)行紅外光譜分析，研究造成生物粉末活性炭與超濾膜組合工藝膜污染物質(zhì)的成分.其中受污染膜絲表面泥餅層經(jīng)105℃烘干處理.

1.3 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的受污染膜絲表面泥餅層、水洗后的受污染膜絲、生物粉末活性炭分別如圖2～4所示.

1.4 試驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器主要采用BRUKER公司生產(chǎn)的紅外光譜分析儀，型號為VERTEX 70;便攜式pH測試儀;HACH2100P型便攜式濁度儀;紫外分光光度計(jì);可見光分光光度計(jì).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 原水水質(zhì)

見表1.

2.2 受污染膜絲表面泥餅層紅外光譜分析

在生物粉末活性炭與超濾膜組合工藝運(yùn)行過程中，反應(yīng)器內(nèi)懸浮污泥質(zhì)量濃度的不斷增加.有研究表明:懸浮物質(zhì)量濃度越高，濾餅層的形成速度越快.泥餅層的形成使得膜表面溶質(zhì)的質(zhì)量濃度成梯度增加，造成邊界層滲透壓升高，膜分離通量下降，這是造成膜污染的主要原因之一.

表1 實(shí)驗(yàn)原水水質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)收集一些受污染膜絲表面泥餅層，經(jīng)105℃ 烘干處理后做紅外光譜分析，如圖5所示.

從圖5可以看出，受污染膜絲表面泥餅層所含污染物質(zhì)的吸收峰和對應(yīng)基團(tuán)分別是:3 424.35 cm-1(-OH伸縮振動(dòng))、1 639.02 cm-1(C═O伸縮振動(dòng))、1 086.65 cm-1(C—N伸縮振動(dòng)).

圖5 受污染膜絲表面泥餅層紅外光譜分析圖

2.3 水洗后的受污染膜絲紅外光譜分析

受污染膜經(jīng)水洗后雖然表面泥餅層被洗掉，但膜孔內(nèi)部仍含有造成膜通量降低的污染物質(zhì).已有學(xué)者證實(shí):物理清洗僅能去除膜表面的可逆污染物，對不可逆污染物的去除效果較差.為了分析這類污染物質(zhì)的成分，取水洗后的受污染膜絲進(jìn)行紅外光譜分析，如圖6所示.

在紅外光譜吸收帶的特征區(qū)幾乎沒有出現(xiàn)基團(tuán)吸收峰，說明在膜絲孔內(nèi)有機(jī)污染物較少，而且是小分子有機(jī)污染物.在吸收帶的指紋區(qū)，污染物質(zhì)的吸收峰和對應(yīng)基團(tuán)分別是:1 430.38 cm-1(C—H伸縮振動(dòng)或C—O伸縮振動(dòng))，1 175.36 cm-1(N—H伸縮振動(dòng)或C—O伸縮振動(dòng))，879.77 cm-1(C—C變形振動(dòng)或C—N變形振動(dòng))，進(jìn)一步說明膜絲孔內(nèi)僅有小分子有機(jī)污染物存在.

2.4 生物粉末活性炭紅外光譜分析

生物粉末活性炭作為一種有效的水處理方法，集物理吸附和生物降解作用為一體，可以提高對多種污染物去除的效果.有研究表明:生物活性炭依靠生物降解作用，其對小分子質(zhì)量、易于生物降解的有機(jī)物去除率較高，對中等分子質(zhì)量以上的有機(jī)物去除效率較差.

本實(shí)驗(yàn)取些許生物粉末活性炭與超濾膜組合工藝膜池中的生物粉末活性炭進(jìn)行紅外光譜分析，分析結(jié)果如圖7所示，污染物質(zhì)的吸收峰和對應(yīng)基團(tuán)分別是:2 107.17 cm-1(C≡C伸縮振動(dòng))，說明生物粉末活性炭表面污染物含有炔或腈類三鍵有機(jī)物;3 414.04 cm-1(-OH伸縮振動(dòng));1 638.13 cm-1(C═O伸縮振動(dòng)).

3 結(jié)論

1)在生物粉末活性炭與超濾組合工藝中，通過對受污染膜絲表面泥餅層、生物粉末活性炭、水洗后的受污染膜絲進(jìn)行紅外光譜分析，得出受污染膜絲表面泥餅層與生物粉末活性炭在相同吸收峰區(qū)域均含有-OH伸縮振動(dòng)基團(tuán)和C═O伸縮振動(dòng)基團(tuán)，說明生物粉末活性炭通過物理吸附和生物降解作用，可以有效延緩膜表面泥餅層的形成，緩解膜污染;水洗后的受污染膜絲孔內(nèi)有機(jī)污染物較少，而且是小分子有機(jī)污染物.

2)受污染膜經(jīng)水洗后并不能完全去除膜孔內(nèi)污染物，要去除膜孔內(nèi)不可逆污染物，需采用化學(xué)清洗.

3)含有-OH伸縮振動(dòng)基團(tuán)和C═O伸縮振動(dòng)基團(tuán)的污染物是造成膜污染的主要有機(jī)污染物質(zhì).

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