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    醫(yī)院污水污染膜的污染特征及清洗技術(shù)研究

    2019-10-29 02:51:32李秀芬陳春梅張林中任月萍商海波王新華
    關(guān)鍵詞:清洗劑次氯酸鈉檸檬酸

    李秀芬 ,周 強 ,陳春梅 ,張林中 ,任月萍 , 商海波 , 王新華

    (1.江南大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122;2.江蘇省厭氧生物技術(shù)重點實驗室,江蘇 無錫 214122;3.江蘇省水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇蘇州215009;4.江蘇藍天沛爾膜業(yè)有限公司,江蘇 宜興214200)

    醫(yī)院污水主要來自診療室、化驗室、手術(shù)室、動物房、洗衣房、X線照相洗印、同位素治療診斷及一些日常生活排水,與其他類型廢水相比,不僅水質(zhì)水量變化大而且成分十分復(fù)雜,除含有懸浮物(suspended solid,SS)、生物需氧量(biological oxygen demand,BOD) 和化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand,COD)外,還含有大量的寄生蟲卵、病毒、藥物、診斷試劑和消毒劑等有毒有害物質(zhì),若直接排放,會對自然環(huán)境和人體健康造成極大危害[1-3]。目前,我國醫(yī)院廢水處理設(shè)施的自動化程度較低,在處理過程中,管理人員無法避免與污水、污泥的接觸,易造成病原體感染。江洪勇[4]采用膜生物反應(yīng)器(Membrane bioreactor,MBR)處理醫(yī)院廢水,發(fā)現(xiàn)其對病原微生物有較好的去除效果。然而,MBR工藝不可避免的膜污染問題阻礙了其長期穩(wěn)定運行及進一步推廣應(yīng)用[5-7]。化學(xué)清洗是解決膜污染問題的主要方法之一[8-10],污染膜清洗可在一定程度上恢復(fù)膜通量及其過濾性能,延長膜的使用壽命,具有較為重要的實踐價值[11-12]。

    針對醫(yī)院污水MBR處理工程的污染膜,采用X射線能譜分析儀(energy dispersive X-ray spectroscopy,EDX)分析其表面元素組成,據(jù)此選擇清洗劑并進行清洗條件優(yōu)化,確定最適清洗方案,綜合評價清洗膜性能,旨在為MBR技術(shù)的穩(wěn)定運行及進一步推廣應(yīng)用提供有益參考。

    1 材料與方法

    1.1 污染膜來源

    新膜及污染膜取自江蘇藍天沛爾膜業(yè)有限公司,其中,污染平板膜取自某醫(yī)院污水處理工程,進水中 COD 為 150~260 mg/L,SS 為 20~80 mg/L,pH為7~8。MBR采用恒通量運行,水力停留時間為(10±1)h。膜材質(zhì)為聚偏氟乙烯(polyvinylidenefluoride,PVDF), 膜平均孔徑為 0.104 μm, 肉眼觀察,新膜表面呈白色,醫(yī)院污水污染膜呈黃色,清水無法洗去,膜受到嚴重污染,大量的污染物質(zhì)附著在膜表面及膜孔內(nèi),其數(shù)碼照片如圖1所示。為實驗開展,將新膜及污染平板膜分別裁剪成若干有效過濾面積為33.2 cm2圓形膜片,備用。

    圖1 新膜及污染膜的數(shù)碼照片F(xiàn)ig.1 Digital photos of new and fouled membranes

    1.2 實驗方法

    取上述圓形污染膜片放入500 mL燒杯中,添加一定濃度的不同清洗劑進行靜態(tài)化學(xué)清洗,分別研究清洗劑濃度、清洗溫度及組合清洗條件對膜通量恢復(fù)率的影響。

    1.3 分析測試項目與方法

    膜標準通量、通量相對恢復(fù)率、膜孔隙率和膜的平均孔徑采用文獻[13]的方法測定。接觸角通過光化學(xué)接觸角測量儀測定(型號為OCA-40)。清洗前后的膜片,采用去離子水緩慢沖洗并烘干后,送至華東理工大學(xué)分析測試中心進行EDX分析,獲得EDX譜圖。

    2 結(jié)果與討論

    2.1 污染前后膜表面能譜分析

    表1給出了醫(yī)院污水污染膜表面元素的質(zhì)量百分比。與新膜相比,4、7月和次年1月污染膜表面出現(xiàn)氧元素,質(zhì)量百分比分別為4.06%、5.44%和8.30%,而10月除出現(xiàn)5.48%的氧元素外,還出現(xiàn)了Al、Mn和Ca,相應(yīng)質(zhì)量百分比為0.30%、1.53%和0.42%,無機金屬元素共2.25%??梢?,4、7月和1月膜面污染物為有機物污染,而10月膜面污染物除有機污染物外,還含有少量無機污染物,此時,污染膜的膜通量衰減了66.7%。由于10月膜污染較為復(fù)雜,屬有機和無機物交叉污染,因此,采用該污染膜進行后續(xù)化學(xué)清洗研究。

    表1 不同季節(jié)醫(yī)院廢水污染膜膜面元素組成Table1 Elements on fouled membrane by hospital wastewater in different seasons %

    2.2 清洗劑類型對清洗效果的影響

    針對膜表面無機污染物,常用的酸性清洗劑較多,其中,檸檬酸可溶解去除鈣鹽及金屬氧化物等無機污染物(反應(yīng)式1)[14],也可使溶液pH降低,其質(zhì)量分數(shù)0.5%溶液的pH值為1.98。圖2給出了檸檬酸質(zhì)量分數(shù)對清洗效果的影響。

    圖2 檸檬酸質(zhì)量分數(shù)對清洗效果的影響Fig.2 Influence of citric acid concentration on cleaning efficiency

    可見,隨檸檬酸質(zhì)量分數(shù)升高,膜通量相對恢復(fù)率基本不變,質(zhì)量分數(shù)0.5%檸檬酸溶液清洗時,膜通量為 436.6 L/(m2·h);質(zhì)量分數(shù) 1%檸檬酸溶液清洗時,膜通量為 417.3 L/(m2·h);質(zhì)量分數(shù) 3%檸檬酸溶液清洗時,膜通量為 431.7 L/(m2·h);質(zhì)量分數(shù)5%檸檬酸溶液清洗時,膜通量為423.3 L/(m2·h)??赡苁且驗槟っ鏌o機污染物較少,質(zhì)量分數(shù)為0.5%檸檬酸溶液即可滿足清洗要求。

    堿性清洗劑對膜表面有機污染物具有較好的溶解作用,其中最常用的堿洗劑是次氯酸鈉,其溶解產(chǎn)生的活性氯特別適合膜孔污染的清除。首先,次氯酸鈉溶液呈堿性,堿可和膜面脂肪類物質(zhì)發(fā)生皂化反應(yīng),并與膜面蛋白質(zhì)等有機污染物反應(yīng),通過反應(yīng)生成可溶性物質(zhì),水解去除。其次,次氯酸鈉殺菌效果明顯,它溶于水產(chǎn)生的次氯酸分子較小,不帶電荷,可滲入菌(病毒)體內(nèi)進而殺死病原微生物。另外,生成次氯酸是漂白劑的有效成分,使次氯酸鈉有一定的漂白功能,可使清洗膜恢復(fù)如新。圖3給出了不同質(zhì)量分數(shù)次氯酸鈉的膜清洗效果??梢?,使用不同質(zhì)量分數(shù)的次氯酸鈉溶液對污染膜進行清洗時,隨次氯酸鈉溶液質(zhì)量分數(shù)升高,膜通量相對恢復(fù)率呈明顯上升趨勢,膜通量依次為1212.1、1374.9、1393.0 L/(m2·h)和 1664.4 L/(m2·h)。同時,0.1%和0.3%次氯酸鈉清洗后膜通量相差不大。陸雋[15]研究了化學(xué)清洗對聚氯乙烯(Polyvinyl chloride,PVC)超濾膜的影響,0.5%和1%次氯酸鈉浸泡污染膜后,有膜孔擴張現(xiàn)象,過高濃度的次氯酸鈉對膜結(jié)構(gòu)有一定影響。因此,本研究認為質(zhì)量分數(shù)為0.1%的次氯酸鈉較佳。

    圖3 次氯酸鈉質(zhì)量分數(shù)對清洗效果的影響Fig.3 Influence of NaClO concentration on cleaning efficiency

    2.3 清洗溫度對清洗效果的影響

    溫度可改變化學(xué)反應(yīng)平衡、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)及污染物與反應(yīng)產(chǎn)物的溶解度,增加傳質(zhì)速率,使反應(yīng)產(chǎn)物盡快擴散。同時,升高溫度有助于膜孔擴張和孔內(nèi)污物洗出,但溫度過高則對膜造成一定程度的損害,圖4給出了清洗溫度(25、35℃和45℃)對膜通量相對恢復(fù)率的影響??梢姡|(zhì)量分數(shù)0.5%檸檬酸清洗時,隨清洗溫度升高,清洗通量恢復(fù)率呈下降趨勢,依次為101%、93%和81%,室溫(25℃)時清洗效果較好。質(zhì)量分數(shù)0.1%次氯酸鈉清洗時,隨清洗溫度升高,通量恢復(fù)率呈先下降后上升的趨勢,出于經(jīng)濟考慮,質(zhì)量分數(shù)0.1%次氯酸鈉的較佳清洗溫度也宜采用室溫(25℃)。

    圖4 清洗溫度對清洗效果的影響Fig.4 Influence of cleaning temperature on cleaning efficiency

    2.4 醫(yī)院污水污染膜的組合清洗技術(shù)研究

    表2給出了檸檬酸、次氯酸鈉和超聲的組合清洗方法,圖5為組合清洗的清洗效果??梢?,先酸洗后堿洗與先堿洗后酸洗的膜通量恢復(fù)率分別為314%及296%,先酸洗后堿洗的清洗效果優(yōu)于先堿洗后酸洗。檸檬酸兼具無機物質(zhì)的溶解及絡(luò)合能力,這些物質(zhì)的溶解及絡(luò)合去除使膜表面污染層孔隙率增加,后續(xù)清洗劑與膜面污染物質(zhì)的接觸更加充分,進而加快清洗反應(yīng)的速度,整體清洗效果得到提高。無論先酸洗后堿洗還是先堿洗后酸洗,增加超聲清洗后,清洗效果均優(yōu)于不加超聲的清洗,說明超聲輔助化學(xué)清洗有助于清洗效果的提高。

    表2 檸檬酸、次氯酸鈉與超聲的組合清洗方案Table2 Composite cleaning strategies of citric acid,sodium hypochlorite and ultrasound

    圖5 組合清洗的清洗效果Fig.5 Cleaning efficiency of composite cleaning strategies

    2.5 清洗膜性能分析

    圖6是清洗膜的EDX譜圖,表3是膜表面污染物中元素的質(zhì)量百分比??梢钥闯觯逑春竽っ娴奈廴疚镏挥蠧、O和F元素,與清洗前污染膜的EDX譜圖相比,大部分元素均被去除,表明清洗效果良好,污染物質(zhì)得到很好的去除。表4為新膜、污染膜及清洗膜的孔隙率、平均孔徑和接觸角。對比可見,污染膜的平均孔徑低于新膜及清洗膜,說明膜孔被污染物堵塞。而與新膜相比,清洗膜的孔隙率、平均孔徑及接觸角均相差不大,說明清洗效果良好。

    圖6 清洗膜的EDX譜圖Fig.6 EDX spectra of cleaned membrane

    表3 清洗膜膜表面元素的質(zhì)量百分比Table3 Percentage of elements on cleaned membrane surface

    表4 新膜、污染膜和清洗膜的性能參數(shù)Table4 Parameters of new,fouled and cleaned membranes

    3 結(jié)語

    醫(yī)院污水MBR處理工程污染膜主要膜面污染物為有機物,含少量無機物,10月膜污染較為復(fù)雜,屬有機和無機物交叉污染。

    EDX分析表明,清洗后膜面的元素組成為C、O和F,膜面污染物已被有效清除,清洗膜的孔隙率、平均孔徑及接觸角與新膜相差不大,分別為0.858、0.104 μm 和(69.20±0.115)°,清洗效果良好。

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