基于反滲透工藝處理地下水的試驗(yàn)研究

張洪菊

(西寧市湟中區(qū)水利項(xiàng)目服務(wù)中心,青海 西寧 811600)

壓力驅(qū)動膜法作為水工業(yè)中的一種處理方法引起越來越多的關(guān)注。與傳統(tǒng)處理相比,膜處理在去除顆粒和溶解污染物(包括致病微生物、硬度和產(chǎn)品前體消毒)方面具有競爭力和效率[1]。具體而言,反滲透(RO)膜顯示出對TDS和有機(jī)化合物的最佳整體去除[2]。因此,反滲透膜可用于生產(chǎn)用于工業(yè)目的、特別是飲料工業(yè)的高質(zhì)量飲用水。

污垢在膜表面積聚導(dǎo)致的膜污染是反滲透系統(tǒng)故障的主要原因。反滲透膜污染是一種復(fù)雜的現(xiàn)象[3-5],涉及有機(jī)、無機(jī)和生物材料以顆粒或膠體懸浮液的形式沉積[6]。膜污染會導(dǎo)致一些有害影響,包括通量逐漸下降導(dǎo)致的產(chǎn)水量減少、恒定產(chǎn)水量所需的施加壓力增加、導(dǎo)致膜壽命縮短的膜逐漸降解以及滲透質(zhì)量下降[7]。

污垢是指顆粒和膠體沉積在膜表面,以及較小的溶解物質(zhì)沉淀在膜孔內(nèi)和膜表面,導(dǎo)致的孔隙堵塞和外部孔隙堵塞[8]。在膠體和大分子對超濾(UF)和微濾(MF)膜的污染機(jī)理中,孔隙堵塞是重要的,但在反滲透膜和納濾(NF)膜中,其作用并不重要[9]。反滲透膜結(jié)垢也可以作為沉淀結(jié)垢或生物生長結(jié)垢而出現(xiàn)[10]。

在這項(xiàng)研究中,對飲料行業(yè)的地下水反滲透裝置進(jìn)行了12個月的試驗(yàn)觀察。首先,根據(jù)對地下水中不同物種的排斥程度來評估反滲透處理的性能[11]。根據(jù)總?cè)芙夤腆w(TDS)和微生物去除效率來評估水質(zhì)。其次,利用串聯(lián)電阻理論研究地下水的污染潛力。

1 材料和方法

1.1 裝置的簡要說明和操作

再生水反滲透處理系統(tǒng)見圖1。它包括進(jìn)水單元、預(yù)處理單元、反滲透處理單元、加藥單元、運(yùn)行監(jiān)控單元和后處理單元[12]。再生水反滲透處理系統(tǒng)通常以經(jīng)過二級或三級處理的城市污水或工業(yè)廢水為原水。預(yù)處理單元包含多個處理過程,如消毒預(yù)處理、介質(zhì)過濾、超濾/微濾等。水進(jìn)入預(yù)處理部分[13],包括注入次氯酸鈉(1.75 mg/L)作為消毒劑,通過一系列初始過濾步驟,以去除水中的顆粒物質(zhì)和膠體固體,這些步驟包括砂濾器、活性炭過濾器和分別為10 μm和2 μm的微濾筒式過濾器。

圖1 典型再生水反滲透處理系統(tǒng)示意(括號中的值為相對體積流量)Fig.1 Scheme of a typical RO system for treatment of reclaimed water

反滲透處理單元是整個系統(tǒng)的核心單元,通常包括保安過濾器、反滲透裝置、反滲透產(chǎn)水箱等[14]。加藥單元是保障整個系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)鍵,反滲透系統(tǒng)涉及的藥劑種類較多,通常包括阻垢劑、非氧化性抑菌劑、還原劑、膜清洗藥劑等。此外,預(yù)處理單元通常會采用氯消毒滅活進(jìn)水中的微生物從而控制生物污堵,超濾/微濾單元也需要用檸檬酸、次氯酸鈉等進(jìn)行定期的化學(xué)清洗。

運(yùn)行監(jiān)控單元主要用于監(jiān)控反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,如產(chǎn)水流量、產(chǎn)水電導(dǎo)率等[15],以便及時調(diào)整運(yùn)行工況,滿足用戶對產(chǎn)水水量、水質(zhì)的要求。后處理單元是指在用戶端對水質(zhì)要求較高、反滲透處理無法完全滿足要求時,需要對反滲透產(chǎn)水進(jìn)行進(jìn)一步處理,如進(jìn)行消毒、高級氧化或離子交換等處理。根據(jù)圖1所示的方案,在部分循環(huán)模式下運(yùn)行的反滲透裝置中處理來自預(yù)處理單元的水流。在反滲透裝置的上游,注入阻垢劑,以抑制膜表面微量溶質(zhì)的沉淀。

1.2 水質(zhì)特征

通過在處理之前、在預(yù)處理步驟之后以及在反滲透處理之后測量水質(zhì)參數(shù)來表征采出水。使用超聲波計測量總?cè)芙夤腆w和電導(dǎo)率。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)通過滴定測定堿度。使用原子吸收技術(shù)測量鈣、鈉、鉀、硫酸鹽、鐵、氯化物和硝酸鹽,見表1。

表1 地下水、預(yù)處理水和滲透物的組成Tab.1 Composition of groundwater, pretreated water and permeate

2 結(jié)果和討論

理化分析結(jié)果(表1)表明,地下水輸送的原水含有大量的溶質(zhì)和懸浮固體(TDS范圍為757～964 mg/L)。此外,就最重要的離子種類而言,該水的組成表明,原水富含硫酸鹽、氯化物和鈣,并具有高度的毛環(huán)。預(yù)處理產(chǎn)生的水的質(zhì)量表明,濁度下降幅度最大(87%);它從1.3 NTU降低到0.167 NTU。此外,反滲透膜能夠?qū)︻A(yù)處理水的離子進(jìn)行更大的截留,這主要是由于反滲透工藝的可能性?？偡治鲭x子的拒絕百分比超過95%。然而,硝酸鹽的截留率約為88.18%,略低于其他溶質(zhì)。

2.1 反滲透處理的有效性

圖2顯示了總?cè)芙夤腆w中滲透水和給水濃度變化。由圖2可知,反滲透膜高度排斥給水中含有的所有物質(zhì)。截留率在97%～98%之間變化,并在反滲透操作期間保持穩(wěn)定,這表明滲透質(zhì)量恒定。

圖2 滲透水和給水的TDS濃度變化Fig.2 Change in TDS concentration of the permeate and feed water

2.2 微生物去除效率

微生物質(zhì)量,在反滲透裝置的上游和下游進(jìn)行的分析包括大腸菌群和總細(xì)菌檢測的膜過濾程序。結(jié)果表明,膜顯著減少了給水中存在的細(xì)菌總數(shù)(圖3)。菌落細(xì)菌數(shù)量從90 UFC/100 mL減少到50 UFC/100 mL,這意味著總消除率為44%。

圖3 反滲透裝置上游和下游的細(xì)菌計數(shù)Fig.3 Bacteria enumeration at the upstream and downstream of the RO installation

2.3 平均滲透通量的演變

平均滲透通量是指示反滲透工藝性能的最常用參數(shù)[16]。通過將總滲透流量除以總膜表面積,可以很容易地測量全尺寸RO中的平均滲透通量[17]。兩個循環(huán)的平均滲透通量結(jié)果見圖4。從圖4可以看出,在運(yùn)行的前12周,平均滲透通量大致保持恒定,此后開始下降。反滲透系統(tǒng)的污垢可能是由于微溶性鹽在膜表面積聚而導(dǎo)致的沉淀[18]。

圖4 2個循環(huán)期間平均滲透通量隨時間的變化Fig.4 Evolution of average permeate flux with time during 2 cycles

在通過反滲透從地下水中去除溶解物質(zhì)的情況下,平板型材料主要附著在膜表面,并導(dǎo)致滲透通量下降。此外,清潔廢物的分析揭示了污垢的無機(jī)性質(zhì)。因此,在過濾過程20周后需要進(jìn)行化學(xué)清洗,以恢復(fù)初始滲透通量。

2.4 反滲透模塊的壓降

滲透通量的下降導(dǎo)致維持恒定產(chǎn)水量所需的施加壓力增加。反滲透操作的第一個循環(huán)期間,膜組件壓降的增加見圖5。

圖5 反滲透模塊的壓降演變Fig.5 Pressure drop evolution across the RO modules

壓降的增加是由于細(xì)菌粘附在膜表面和主要用于螺旋纏繞模塊的隔離元件上。生物淤積的發(fā)展也是通量限制和滲透質(zhì)量惡化的原因[19]。而生物膜取決于細(xì)菌增殖的有利條件,特別是溫度、pH值和主要基質(zhì)(有機(jī)物)的存在[20]。然而,在所研究的案例中,溫度從未超過23 ℃。此外,有機(jī)物比例很小。由原水COD值估算,該值始終不超過11 mg/L。此外,每周在反滲透裝置的上游和下游進(jìn)行的微生物研究未顯示兩個采樣點(diǎn)的顯著增殖;滲透物的微生物分析證實(shí)了這一點(diǎn),該分析證實(shí)了微生物的存在。

2.5 膜電阻

通過平均滲透通量和相對阻力Rf/Rm之間的關(guān)系來評估污垢。根據(jù)達(dá)西定律[7]計算相對阻力:

其中,(Δp-Δπ))是作為驅(qū)動力施加在膜系統(tǒng)上的壓力梯度,μ是流體粘度,Rf/Rm是污垢阻力與固有膜阻力的比值。通過觀察發(fā)現(xiàn),相對電阻曲線以相同的方式疊加并逐漸增加(圖6)。

圖6 反滲透操作2個周期的相對電阻隨時間變化Fig.6 Relative resistance as a function of time for 2 cycles of the RO operation

一個周期的相對阻力的演變遵循指數(shù)規(guī)律,相關(guān)系數(shù)等于0.98:

在20周的操作期間,在膜表面上形成濾餅層,增加了膜阻力,導(dǎo)致滲透通量下降,主要是在膜表面形成碳酸鈣和石膏沉積物。最后一次化學(xué)清洗后,通過膜分析能說明這個結(jié)論。

3 結(jié)論

從離子排斥和微生物去除方面考察了反滲透工藝處理生產(chǎn)超純水的性能。獲得的結(jié)果有助于提出研究的重要發(fā)現(xiàn),總結(jié)如下:

1)反滲透裝置的處理有效地降低了地下水的電導(dǎo)率和總?cè)芙夤腆w含量,總離子含量超過95%,并消除了微生物;

2)鹽度和滲透壓相對較低,滲透通量很重要。盡管如此,在反滲透裝置運(yùn)行20周后,該參數(shù)出現(xiàn)了下降,這是膜污染發(fā)展的結(jié)果;

3)結(jié)垢研究表明,在運(yùn)行20周后,通量下降約10%。采用串聯(lián)電阻模型研究反滲透膜的污染。相對電阻的演化符合一級指數(shù)增長規(guī)律,這一演變表明,降水機(jī)制是通量下降和膜阻力增強(qiáng)的原因。

然而,化學(xué)清洗程序允許分解沉積物,從而恢復(fù)初始生產(chǎn)流速。