摘要

以聚合氯化鐵為絮凝劑，研究了海水微絮凝預(yù)處理過(guò)程的絮凝特征以及對(duì)超濾膜通量的影響。考察了微絮凝對(duì)海水中有機(jī)物的去除作用，并采用體系穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)參數(shù)、絮凝指數(shù)評(píng)價(jià)不同絮凝劑投加量在海水中的絮凝效果，探討了微絮凝對(duì)超濾膜污染的改善作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微絮凝預(yù)處理能強(qiáng)化超濾膜對(duì)海水UV254 的去除效果，與超濾相比提高了27. 5% ，可有效去除海水中的蛋白類(lèi)有機(jī)物。超濾膜直接過(guò)濾海水可造成膜通量嚴(yán)重下降，采用微絮凝作為預(yù)處理能有效減緩超濾膜污染，且減緩效果與絮凝劑的投加量密切相關(guān)，當(dāng)PFC 的投加量為40 mg·L - 1 時(shí)，膜比通量J / J0 值大于0. 9。

近年來(lái)，超濾膜由于能有效截留懸浮物、膠體及微生物，且出水水質(zhì)穩(wěn)定、能耗低，已經(jīng)成為海水淡化預(yù)處理工程應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一[1] 。其中，超濾膜的污染堵塞問(wèn)題是阻礙其發(fā)展的主要問(wèn)題[2] ，嚴(yán)重增加了超濾系統(tǒng)的運(yùn)行能耗[3] 。研究表明，造成超濾膜堵塞的主要污染物是有機(jī)物[4-5] 。微絮凝作為超濾工藝的預(yù)處理技術(shù)，是將水體中的懸浮微粒、膠體相互碰撞形成肉眼難以看見(jiàn)的微絮凝體的絮凝過(guò)程，微絮凝能有效去除溶解性有機(jī)物，減緩超濾膜污染，并且可省去絮凝-沉淀構(gòu)筑物的占地面積及費(fèi)用[6] ，對(duì)于海水的深度凈化處理有著廣闊的發(fā)展前景。

有研究表明，超濾膜的污染程度與絮凝特性密切相關(guān)[7] 。海水是一種既有膠體溶液特性又有電解質(zhì)溶液特性并具有生物活性的溶液體系[8] ，并具有較強(qiáng)的分散穩(wěn)定性；因此海水的絮凝特征具有獨(dú)有的特性，目前有關(guān)海水的絮凝特征及其對(duì)超濾膜通量的改善作用研究并不完善。本研究以海水為研究對(duì)象，以聚合氯化鐵PFC 為絮凝劑，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)海水微絮凝過(guò)程中絮凝指數(shù)FI、體系穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)參數(shù)等，綜合分析海水微絮凝過(guò)程中絮凝特征規(guī)律，對(duì)比分析直接超濾與微絮凝-超濾聯(lián)用技術(shù)對(duì)海水中溶解性有機(jī)物的去除效果，考察對(duì)超濾膜污染的減緩作用，以期為微絮凝預(yù)處理在超濾技術(shù)中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1材料與方法

1. 1 儀器與試劑TA6-2 程控混凝實(shí)驗(yàn)攪拌儀，武漢恒嶺科技有限公司；TURBISCAN LAB 分散穩(wěn)定性分析儀，法國(guó)FORMULACTION 公司；iPDA300 絮凝度測(cè)定儀，韓國(guó)EcoNovel 公司；DR5000 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，美國(guó)HACH 公司；F-4600 熒光分光光度計(jì)，日本Hitachi 公司；Multi N/ C 3100 總有機(jī)碳/ 總氮分析儀，德國(guó)AnalytikJena 公司；8400 型超濾杯，美國(guó)Millipore 公司；ME2002E 電子天平，瑞士Mettler Toledo 公司；加熱磁力攪拌器，美國(guó)IKA 公司。

聚合氯化鐵（PFC，氧化鐵含量14% ~ 15% ，堿化度5. 3% ~ 6. 6% ），鞏義市弘興濾材廠；超濾膜（再生纖維素，切割分子質(zhì)量10 kDa，直徑76 mm，過(guò)濾面積41. 8 cm2 ），美國(guó)Millipore 公司。

1. 2 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用海水取自天津港碼頭，實(shí)驗(yàn)期間水質(zhì)指標(biāo)為：溫度（9. 2 ± 2. 0）℃ ，電導(dǎo)率（44. 7 ± 1. 2） mS·cm - 1 ，pH 7. 80 ± 0. 15，濁度（1. 35 ± 0. 17）NTU，UV254 （0. 053 ± 0. 001）cm - 1 。

圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1Schematic diagram of experimental device1.

3 實(shí)驗(yàn)方法

1. 3. 1 微絮凝實(shí)驗(yàn)如圖1（a）所示，在1 L 燒杯中分別加入海水，絮凝劑投加量分別為：10、20、30、40 mg·L - 1 ，借助程控混凝實(shí)驗(yàn)攪拌儀進(jìn)行微絮凝實(shí)驗(yàn)，攪拌速度為200 r·min - 1 ，攪拌時(shí)間為2 min，采用iPDA300 光散射絮凝度測(cè)定儀測(cè)定整個(gè)過(guò)程的絮凝指數(shù)；微絮凝結(jié)束后取少量水樣，立即測(cè)定穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)參數(shù)，同時(shí)將水樣經(jīng)0. 45 μm 濾膜過(guò)濾后，測(cè)定其UV254 、三維熒光光譜。

1. 3. 2 超濾實(shí)驗(yàn)

如圖1（b） 所示，以氮?dú)鉃轵?qū)動(dòng)力，將微絮凝實(shí)驗(yàn)所得水樣，進(jìn)行超濾杯實(shí)驗(yàn)。超濾杯采用死端過(guò)濾，超濾膜在使用前至少在超純水中浸泡24 h。實(shí)驗(yàn)時(shí)先測(cè)定超純水通量，在跨膜壓力240 kPa，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速100 r·min - 1 條件下過(guò)濾超純水至出水通量穩(wěn)定，借助電子天平記錄累計(jì)濾出水的質(zhì)量，計(jì)算膜初始通量（J0 ）。隨后再過(guò)濾微絮凝后的水樣，在跨膜壓力240 kPa，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速100 r·min - 1 條件下，計(jì)算膜出水通量（J），將J / J0 的比值作為實(shí)驗(yàn)通量。收集濾液，測(cè)定UV254 和三維熒光光譜。

1. 4 分析方法

UV254 是水中一些有機(jī)物在254 nm 波長(zhǎng)紫外光下的吸光度，可作為表征水中天然存在的腐殖質(zhì)類(lèi)大分子有機(jī)物以及含C =C 雙鍵和C =O 雙鍵的芳香族化合物的參數(shù)。UV254 采用DR5000 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)參數(shù)采用Turbiscan Lab 穩(wěn)定性分析儀測(cè)定，海水經(jīng)微絮凝后快速取樣并放入測(cè)試瓶中，液面高度約55 mm，每2 min 掃描1 次，共掃描16次，測(cè)試溫度26 ℃ 。通過(guò)脈沖式近紅外光同步測(cè)量透射光和背散射光強(qiáng)度變化，獲得沉淀層、混合層及澄清層的變化曲線，分析得出穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

絮凝指數(shù)采用iPDA300 光散射絮凝度測(cè)定儀測(cè)定。將光散射絮凝度測(cè)定儀的硅膠管兩端分別浸入微絮凝實(shí)驗(yàn)的燒杯內(nèi)壁固定，海水先經(jīng)過(guò)iPDA300，再經(jīng)過(guò)蠕動(dòng)泵回到燒杯中，形成循環(huán)回路。海水在投加絮凝劑之前先攪拌2 min 混勻，再投加絮凝劑，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)微絮凝過(guò)程中絮體聚集及粒徑變化，獲得絮凝指數(shù)FI（flocculation index）變化曲線。

三維熒光光譜是一種具有較高價(jià)值的光譜指紋技術(shù)，可全方位分析水中有機(jī)物的組成特征和熒光光譜信息，對(duì)有機(jī)物的組成分布和含量分析具有較高的準(zhǔn)確性，圖像直觀、靈敏度高，是一種廣泛應(yīng)用的痕量分析技術(shù)。三維熒光光譜采用F-4600 熒光分光光度計(jì)測(cè)定，光源150 W 氙燈，光電倍增管電壓400 V，激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度均為5 nm，掃描速度為12 000 nm·min - 1 ，激發(fā)和發(fā)射光波長(zhǎng)的掃描范圍分別為200 ~400 nm 和200 ~ 550 nm，水樣稀釋5 倍后進(jìn)行測(cè)定。

2結(jié)果與討論

2. 1 微絮凝-超濾聯(lián)用工藝對(duì)海水有機(jī)物的去除效果

圖2不同工藝對(duì)UV254 的去除效果Fig. 2Effect of UV254 removal at varied process

圖2 為超濾與微絮凝-超濾聯(lián)用工藝對(duì)海水中UV254 的去除效果。

可知，在本實(shí)驗(yàn)條件下，經(jīng)超濾后海水中UV254 值為0. 039 cm - 1 ，去除率為23. 5% 。海水中含有大量的親水性有機(jī)物，如腐殖酸、富里酸、多糖和蛋白質(zhì)等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超濾對(duì)UV254的去除效果并不理想，主要是由于超濾膜對(duì)有機(jī)物的去除并非簡(jiǎn)單的物理截留，膜表面對(duì)懸浮態(tài)和膠體態(tài)有機(jī)物的吸附是主要的去除作用。與超濾相比，微絮凝-超濾聯(lián)用工藝強(qiáng)化了超濾膜對(duì)有機(jī)物的截留作用，隨著PFC 投加量的增加，UV254 去除率逐漸增大，當(dāng)PFC 投加量為40 mg · L - 1 時(shí)， 海水中UV254 值為0. 025 cm - 1 ，去除率可達(dá)51. 0% 。微絮凝是使海水中的小微粒相互碰撞形成微小聚集體的絮凝過(guò)程。在超濾前投加PFC 絮凝劑預(yù)處理對(duì)UV254 的去除率有所提高，主要是由于PFC 的水解產(chǎn)物會(huì)將小分子溶解性有機(jī)物通過(guò)絡(luò)合或吸附于表面，形成微絮體，再被超濾膜截留[9] ，此外，F(xiàn)e3 + 還會(huì)對(duì)親水性有機(jī)物產(chǎn)生吸附架橋作用。

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