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隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,生活水平的提高和伴隨而來的環(huán)境污染的加劇,促使了人們對飲用水問題的關(guān)注。優(yōu)質(zhì)飲用水在去除原水中對人體健康有害物質(zhì)的同時,適量保留了其中對人體健康有益的礦物質(zhì)。與常規(guī)水處理技術(shù)相比,納濾膜過濾技術(shù)具有少投甚至不投加化學(xué)藥劑、占地面積小、操作簡單、易于實(shí)現(xiàn)自動化等特點(diǎn),具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。
納濾膜的孔徑界于反滲透膜和超濾膜之間,近年來在我國水處理中的應(yīng)用剛剛開始,現(xiàn)以上海等多個城市的自來水或地下水為對象,根據(jù)納濾膜在優(yōu)質(zhì)飲用水生產(chǎn)現(xiàn)場的運(yùn)行數(shù)據(jù),研究了納濾膜對水中礦物質(zhì)和溶解性有機(jī)污染物的總體去除效果以及對總硬度及Ca2+、Mg2+、NH4+等陽離子和HCO3-、CO32-、Cl-、F-、SO42-等陰離子的去除效果和規(guī)律。
1 工藝流程、材料及方法
1.1 工藝流程與材料
研究采取的水處理工藝流程如下:
原水→預(yù)處理系統(tǒng)→精濾(1 μm或5 μm)→納濾膜組件→殺菌系統(tǒng)→優(yōu)質(zhì)飲用水
預(yù)處理系統(tǒng)通過活性炭過濾器等裝置,主要去除原水中的有機(jī)污染物、余氯、鐵、錳、濁度等。1 μm或5 μm的精濾可有效降低膜前水的濁度,去除細(xì)小顆粒或懸浮物。
納濾膜采用美國HYDRANAUTICS公司ESNA1—4040膜或DESAL HL4040F膜,材質(zhì)均為聚酰銨,設(shè)計膜組件的水回收率為50%。由于各地原水水質(zhì)的差異,納濾膜實(shí)際運(yùn)行壓力在0.5~0.9 MPa之間不等。
1.2 測試方法
氯化物采用硝酸銀滴定法測定;總硬度采用EDTA滴定法測定;氟化物采用離子選擇電極法測定;氨氮采用納氏試劑分光光度法測定;化學(xué)耗氧量采用酸性高錳酸鉀滴定法測定;總堿度采用酸堿滴定法測定。
2 結(jié)果和討論
2.1 納濾膜對礦物質(zhì)的去除效果
飲用水中的礦物質(zhì)是人體健康所必需的,但要適量。飲用水中過高的礦物質(zhì)亦會產(chǎn)生副作用,如長期飲用高硬度的水易得結(jié)石病。同時,過高的礦物質(zhì)和硬度亦會影響水的口感。礦物質(zhì)含量過高,喝起來會感到膩,過少則清淡無味。日本飲用水標(biāo)準(zhǔn)提出的舒適水質(zhì)項目中TDS為30~200 mg/L。對礦物質(zhì)含量較高的原水,如選用納濾膜作為核心膜過濾元件,便可有效降低原水的礦物質(zhì)含量。礦物質(zhì)總體含量以電導(dǎo)率或總?cè)芙庑怨腆w表示。
實(shí)踐表明,納濾膜對不同地區(qū)水中礦物質(zhì)總量均有相當(dāng)?shù)娜コ饔?,但去除?用電導(dǎo)率和總?cè)芙庑怨腆w表示)波動較大,絕大多數(shù)情況下的去除率集中在50%~70%之間,如表1所示。研究中也發(fā)現(xiàn)少數(shù)情況下的去除率高達(dá)90%左右,這反映出影響納濾膜去除無機(jī)離子的因素較多,如離子在水溶液中的有效半徑、水中一價及多價離子的濃度比例、相互影響、當(dāng)時采用的納濾膜元件本身參數(shù)(孔徑大小、膜表面荷電性及進(jìn)水壓力)等均可能對離子的去除率產(chǎn)生影響。
表1 納濾膜對水中礦物質(zhì)的去除效果 |
||||||
優(yōu)質(zhì)水產(chǎn)量(t/h) |
電導(dǎo)率(μs/cm) |
總?cè)芙庑怨腆w(mg/L) |
||||
原水 |
優(yōu)質(zhì)水 |
去除率(%) |
原水 |
優(yōu)質(zhì)水 |
去除率(%) |
|
1 |
249 |
100.4 |
59.6 |
125 |
50.2 |
59.8 |
1 |
680 |
370 |
45.6 |
338 |
185 |
45.3 |
1 |
692 |
361 |
48.0 |
346 |
180 |
47.9 |
1 |
683 |
362 |
46.9 |
342 |
181 |
47.0 |
1 |
536 |
306 |
42.9 |
268 |
153 |
42.9 |
0.5 |
684 |
336 |
50.8 |
335 |
168 |
49.8 |
1 |
1002 |
572 |
42.9 |
500 |
286 |
42.8 |
1 |
820 |
402 |
50.9 |
410 |
201 |
51.0 |
1 |
116 |
41.2 |
64.5 |
58 |
20.6 |
64.5 |
1.5 |
286 |
101 |
64.6 |
143 |
50 |
65.0 |
1 |
348 |
1.4 |
70.1 |
174 |
52 |
70.1 |
1 |
415 |
134 |
67.7 |
208 |
67.0 |
67.8 |
隨原水電導(dǎo)率的增加,離子去除率總體呈降低趨勢,如圖1所示。
Rautenbach R認(rèn)為[1],截留率與濃度的這種相關(guān)性與道南平衡和遷移離子的屏蔽作用有關(guān)。進(jìn)料溶液中的離子濃度越高,其在膜微孔中的濃度也越高,因此最終在滲透物中的濃度也越高。同時,對負(fù)電荷的納濾膜孔壁,正離子被富集在孔壁附近,使得孔內(nèi)負(fù)的固定離子受到這種富集分布的屏蔽。這樣,隨著進(jìn)料濃度的增加,電荷屏蔽作用增強(qiáng),更多的陰離子可能從膜中透過,導(dǎo)致膜的截留率下降。
2.2 納濾膜對總硬度及陽離子的去除效果
納濾膜對水中總硬度及鈣離子、鎂離子、銨離子的去除效果見表2。
表2 納濾膜對水中總硬度及鈣、鎂、銨離子的去除效果 |
||||||||
優(yōu)質(zhì)水產(chǎn)量(t/h) |
總硬度(CaCO3 mg/L) |
鈣離子(mg/L) |
鎂離子(mg/L) |
銨離子(以氮計,mg/L) |
||||
原水 |
去除率(%) |
原水 |
去除率(%) |
原水 |
去除率(%) |
預(yù)處理出水 |
去除率(%) |
|
1.5 |
69.6 |
71.4 |
19.5 |
69.0 |
5.0 |
77.8 |
0.42 |
26.2 |
0.5 |
190.2 |
63.5 |
43.9 |
64.9 |
19.6 |
61.7 |
0.82 |
51.2 |
1 |
217.4 |
61.2 |
59.3 |
60.7 |
15.0 |
57.5 |
0.44 |
70.9 |
1 |
148.0 |
94.9 |
41.3 |
95.4 |
10.9 |
93.8 |
0.26 |
80.7 |
1 |
208.0 |
54.0 |
54.8 |
49.3 |
17.3 |
63.0 |
0.60 |
26.6 |
1 |
172.4 |
81.6 |
54.0 |
81.9 |
9.1 |
80.2 |
0.37 |
51.4 |
1 |
202.4 |
80.5 |
46.5 |
80.6 |
21.8 |
81.2 |
1.92 |
42.7 |
1 |
144.3 |
58.5 |
39.8 |
56.5 |
10.5 |
60.9 |
1.88 |
50.0 |
納濾膜對總硬度的去除率比其對陽離子的去除率波動更大,從54%~95%不等。對同一組水樣,納濾膜對總硬度、鈣離子、鎂離子的去除率基本相同,且明顯大于其對銨離子的去除率。研究還發(fā)現(xiàn),同樣條件下,納濾膜對總硬度的去除率大于其對陽離子的去除率,這可能源于納濾膜對二價離子(Ca2+、Mg2+)的去除率大于對一價離子(如銨離子)的去除率。
2.3 納濾膜對總堿度及陰離子的去除效果
納濾膜對總堿度、氯化物、氟化物、硫酸根等陰離子的去除效果見表3。
表3 納濾膜對水中陰離子的去除效果 |
||||||||
優(yōu)質(zhì)水產(chǎn)量(t/h) |
總堿度(CaCO3 mg/L) |
氯化物(mg/L) |
氟化物(mg/L) |
硫酸根(mg/L) |
||||
原水 |
去除率(%) |
原水 |
去除率(%) |
原水 |
去除率(%) |
原水 |
去除率(%) |
|
2.5 |
33.52 |
38.3 |
6.1 |
13.3 |
0.92 |
47.8 |
7.36 |
66.4 |
2 |
11.89 |
45.0 |
6.25 |
30.0 |
0.46 |
65.0 |
8.20 |
72.0 |
1.5 |
36.86 |
38.7 |
18.8 |
30.0 |
0.52 |
35.0 |
5.66 |
100 |
0.5 |
162.9 |
51.0 |
58.4 |
42.1 |
|
|
22.5 |
100 |
1 |
81.3 |
50.0 |
66.3 |
32.0 |
0.54 |
63.0 |
6.39 |
63.2 |
1 |
126.2 |
40.2 |
12.8 |
38.3 |
0.62 |
42.0 |
5.39 |
80.0 |
1.5 |
22.5 |
60.0 |
39.0 |
56.9 |
0.42 |
47.6 |
6.5 |
80.0 |
1 |
83.4 |
51.3 |
|
|
0.68 |
55.9 |
74.2 |
100 |
1 |
61.3 |
51.0 |
51.6 |
40.3 |
0.5 |
44.0 |
82.9 |
96.9 |
納濾膜對上述陰離子有較好的去除率,但去除率與進(jìn)水中相應(yīng)離子的濃度大小之間并無嚴(yán)格的規(guī)律,去除率穩(wěn)定性較差。在一定的pH值條件下,總堿度實(shí)際上代表了HCO-3和CO2-3的總量??傮w上看來,納濾膜對硫酸根的去除率要高于對總堿度、氯化物、氟化物的去除率,表明納濾膜對高價陰離子的去除率大于其對一價陰離子的去除率。這一點(diǎn)與納濾膜對一價陽離子和高價陽離子的去除規(guī)律是一致的。
2.4 納濾膜對有機(jī)物的去除效果
以CODMn和254nm處的紫外吸光度(A254)的去除率來反映納濾膜對水中有機(jī)污染物的總體去除效果,結(jié)果見表4。
表4 納濾膜對有機(jī)污染物的總體去除效果 |
||||
優(yōu)質(zhì)水產(chǎn)量(t/h) |
CODMn(mg/L) |
A254 |
||
預(yù)處理系統(tǒng)出水 |
去除率(%) |
預(yù)處理系統(tǒng)出水 |
去除率(%) |
|
2.5 |
1.16 |
25.9 |
0.126 |
54.0 |
1 |
0.90 |
50.0 |
0.082 |
43.9 |
0.5 |
1.42 |
64.8 |
0.086 |
70.9 |
1.5 |
1.06 |
40.6 |
0.029 |
13.8 |
1.5 |
1.12 |
37.5 |
0.103 |
26.2 |
1 |
0.74 |
27.0 |
0.058 |
19.0 |
1 |
1.13 |
37.2 |
0.055 |
47.3 |
1.5 |
0.96 |
52.1 |
0.076 |
67.1 |
納濾膜對預(yù)處理系統(tǒng)出水中的有機(jī)污染物有更進(jìn)一步的、相當(dāng)?shù)娜コ饔?,但CODMn的去除率和A254的去除率都反映出納濾膜在不同條件下、對不同原水中有機(jī)物的總體去效果不等,這可能與水中有機(jī)污染物的種類、電性作用、憎水性或親水性及有機(jī)物分子質(zhì)量的大小不同有關(guān)。也可能與膜本身的性質(zhì)如荷電性等有關(guān),如中性有機(jī)物,其電性作用的影響減弱甚至消失,此時主要表現(xiàn)為物理截留和篩分作用。P Eriksson的研究發(fā)現(xiàn)[2],納濾膜對分子質(zhì)量<150的非電離有機(jī)物的去除率低,而對分子質(zhì)量>300的有機(jī)物去除率高。
①納濾膜操作壓力低,對預(yù)處理的要求相對于反滲透膜簡單,可對原水部分脫鹽和軟化,可進(jìn)一步去除有機(jī)污染物等對人體健康有害的物質(zhì),出水口感好,是一種適合于在優(yōu)質(zhì)飲用水生產(chǎn)中采用的膜過濾技術(shù)。
②不同原水條件下納濾膜對水中礦物質(zhì)總量、總硬度的去除率波動較大。同樣條件下,納濾膜對總硬度的去除率大于其對陽離子的去除率。隨原水電導(dǎo)率的增加,其去除率總體呈降低趨勢。
③納濾膜對高價離子(如鈣離子、鎂離子、硫酸根)的去除率大于其對一價離子(如銨離子、總堿度、氯化物、氟化物)的去除率。
④納濾膜對單個離子及有機(jī)污染物總量的去除率高低與進(jìn)水中相應(yīng)離子濃度大小或有機(jī)物總體含量大小之間并無嚴(yán)格的規(guī)律,去除率穩(wěn)定性較差。