典型饮用水处理工艺影响纳滤膜运行的分析

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纳滤(NF)膜的研究自80年代末首次被认识以来已经取得了很大的进展,由于较低的运行压力,良好的处理效果以及便捷的操作条件,使其在国内外水处理中的应用与研究逐年增加。2020年,随着我国全面建成小康社会目标的实现,我国经济水平和人民生活幸福指数的提高,人们对于饮用水水质也提出了更高的要求,江、浙、沪等地在GB5749-2006的基础上颁布了各自的地方饮用水标准。对水质的严格把关,意味着对水处理工艺的更高要求,NF工艺也进一步在高品质饮用水处理中脱颖而出,然而,NF工艺对进水水质有一定的要求,如果预处理方式不同,NF膜的运行效果将会存在一定的差异。论文以中试规模的三种典型水处理工艺:常规处理工艺(混凝、沉淀、过滤)、常规+臭氧/活性炭深度以及超滤作为NF的预处理工艺,研究不同预处理工艺下的NF运行效果和膜污染,以及对水质的提升以及水质安全的保障。论文采用高效液相凝胶色谱(HPSEC)和三维荧光光谱(3D-EEM),结合平行因子算法和区域面积积分法,分析了不同工艺对有机物特性的影响。根据纳滤TMP的变化,并分析化学清洗液,探究了有机物对纳滤膜污染的影响。论文的主要结论如下:(1)试验期间的太湖原水浊度、水温、藻细胞密度和有机物浓度值随季节呈规律性变化,随着藻密度的增加,有机物尤其是易于微生物代谢的具有苯环结构的芳香族类蛋白质含量上升明显。太湖水中溶解性有机物(DOC)主要为分子质量分布在0.2-5KDa的小分子有机物(79.9%),其次为5-60KDa的中等分子量有机物(13.1%),主要源于藻类、浮游生物及水生动植物的代谢作用。(2)有机物的去除以深度处理+纳滤工艺的效果最优,DOC、UV254和CODMn的去除率分别为89.3%、93.5%和87.7%,尤其对荧光有机物去除效果最佳,总区域荧光积分平均去除率达到了93.2%。常规工艺与超滤工艺相比,虽然常规工艺对各水质指标去除效果相对较好,但超滤+纳滤对各指标的去除效果反而优于常规+纳滤工艺。(3)通过测定三卤甲烷前体物(THMFP)和卤乙酸前体物(HAAFP),发现三溴甲烷前体物含量较低,但随着工艺呈增加趋势,O3/BAC和纳滤工艺也无法有效去除;常规和超滤工艺去除THMFP和HAAFP的效果有限,且由于截留大分子,反而导致出水的THMFP和HAAFP浓度上升;纳滤对氯代THMFP和HAAFP去除效果好,以深度+纳滤工艺为最,去除率可达78.4%和71.5%。(4)通过HPSEC分析发现,常规和超滤工艺对分子量分布在0.2-60KDa范围内DOC几乎没有去除效果,这部分有机物是产生DBPs的主要前体物;纳滤对这部分有机物去除效果好,且更倾向于去除UV响应有机物;氯代DBPs与中分子量(5-60KDa)有机物浓度有较好的相关性(R2>0.8),溴代DBPs与小分子量(0.2-5KDa)有机物占比有较好相关性(R2>0.7)。(5)温度对NF膜TMP影响很大。纳滤膜运行初期,温度和TMP之间符合Exp Dec1方程,R2>0.99;深度处理+纳滤在水温低于常规+纳滤工艺4.8℃情况下,运行时间较常规+纳滤延长150小时左右;超滤+纳滤运行期间温度低于10℃,温度过低,水的粘度增加,纳滤膜孔收缩,有机物更易于黏附于膜表面,使超滤+纳滤工艺运行时间最短,仅运行两天即达到TMP限值。(6)分析NF膜的化学清洗液,表明NF运行初期由小分子(0.2-5KDa)荧光有机物产生滤饼层污染,中期由中、小分子(0.2-60KDa)有机物产生膜孔污染,后期进一步产生滤饼层污染以及大分子(>60KDa)有机物的表面吸附污染;小分子荧光有机物是造成超滤+纳滤工艺膜污染的主要因素,而无机物、有机物以及生物污染的协同作用是造成常规+纳滤和深度处理+纳滤工艺TMP上升的原因。
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