饮用水处理纳滤膜污染的预处理控制及机理解析

作     者：周雅菁 

作者单位：清华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：解跃峰

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：纳滤膜污染 预处理 硅酸 氢氧化铁 协同作用 

摘      要：污染是制约纳滤膜大规模工程应用的主要因素之一。本研究先对饮用水处理中的纳滤膜及部分预处理滤芯进行污染分析,接着进一步探究不同预处理过滤器对纳滤膜污染的控制效果,分析污染对纳滤膜截留性能的影响。最后对预处理工艺中四种无机污染物的污染机理进行解析。污染分析结果表明预处理过滤器上主要是无定形污染物,纳滤膜上污染物以碳酸钙结晶为主。污染受进水水质的影响较大,进水中总硅浓度高导致预处理过滤器上二氧化硅污染,有机物浓度高导致纳滤膜上有机污染,Langelier指数(LSI)高使碳酸钙结晶增加。同时纳滤膜还受到了微生物污染。实验证明,在以无预处理过滤器、A公司5μm聚丙烯(PP)棉、B公司5μm PP棉、B公司1μm PP棉和50 nm超滤膜为其中一级预处理的单级纳滤工艺中(PP棉/超滤膜+两级活性炭+纳滤膜+后置活性炭),B公司1μm PP棉和超滤膜对纳滤膜的污染控制效果很好。从得水率下降速度、有机物和无机盐的截留性能,以及纳滤膜污染情况三个方面综合考虑,认为两种水源条件下,B公司1μm PP棉是最合适的预处理过滤器。以地下水为水源时,污染对五种工艺得水率变化的影响相近,纳滤膜污染越严重的工艺其溶解性有机碳(DOC)去除率越高,且污染导致Na和Cl的去除率升高。以地表水为水源时,预处理污染越严重的单级纳滤工艺其得水率下降越快,无预处理过滤器的单级纳滤工艺其DOC的去除率最低,其他四种单级纳滤工艺的DOC去除率没有明显差异。同时,污染同样导致Na和Cl的去除率升高。得水率下降10%,单级纳滤工艺运行10天左右,而多级纳滤工艺(炭纤维聚丙烯棉复合滤芯+多级纳滤)运行4个月以上,多级纳滤工艺的抗污染能力更强。多级纳滤工艺中的污染物集中在预处理过滤器上,碳、氧、铁和硅元素占了90%(At%)以上,含有二氧化硅结晶。硅酸、氢氧化铁、碳酸钙和高岭土四种物质单独存在时过滤速度很快,阻力很小;氢氧化铁+硅酸混合悬浊液的阻力显著增加,证明两者存在协同作用。浓度和离子强度共同影响硅酸的阻力,高浓度、高离子强度促进硅酸的凝聚,使颗粒的粒径变大,此时膜表面覆盖了硅酸污染层,堵塞了过水通道,阻力明显上升。硅酸中加入三氯化铁后,膜表面形成了过滤性能极差的凝胶层,过滤阻力明显上升。氢氧化铁还可以促进硅酸的凝聚,使粒径变大,三氯化铁浓度越高效果越明显。所以在多级纳滤工艺中,运行后期预处理过滤器上累积的氢氧化铁可以促进硅酸的凝聚,导致硅酸截留率的上升。