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编译服务: 水体污染治理 编译者: 王阳 编译时间: Jul 11, 2019 浏 览 量: 10

随着我国经济和城镇化进程的快速发展,生活污水和工业废水的大量排放造成了饮用水水源的污染,加上突发性水污染事件时有发生,导致饮用水资源供需矛盾加剧。饮用水安全问题日益严重,人们对此也更加重视。在2006年出台的《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)中,水质指标由35项增加到106项。2018年10月1日起,上海市实行首个地方饮用水标准《生活饮用水水质标准》(DB31/T 1091—2018),这些政策和法规的出台对于水污染的防治、保障饮用水安全和提升饮用水品质有着积极和深远的意义。

在水源普遍受到污染以及水质要求标准不断提高的情况下,我国传统的饮用水处理工艺混凝—沉淀—过滤—消毒工艺和臭氧活性炭技术难以完全满足饮用水质量要求。近年来,膜分离技术的快速发展可以较好地满足新的饮用水水质标准,应对水体中存在的众多有机污染物等方面有着更好的应用前景。本文通过对膜分离技术进行了分析比较,综述了纳滤技术在饮用水处理中的研究现状,并对纳滤膜处理饮用水技术中存在的问题进行了讨论,展望了纳滤技术应用未来的发展方向。

膜分离技术常用于饮用水的深度处理,具有出水水质稳定,操作简单等优点。根据孔径大小的不同,膜分离技术可分为:微滤、超滤、纳滤和反渗透,各技术对比如表1所示。与超滤、反渗透相比,纳滤膜技术发展较晚。纳滤膜孔径约为1 nm,介于反渗透膜和超滤膜之间,截留分子量在200~1 000 Da,操作压力主要集中在0.3~1 MPa。纳滤膜选择分离性强,可去除消毒副产物、有机污染物和多价离子,降低水的硬度。超滤膜孔径相对较大,对于金属离子和小分子有机物几乎没有去除能力。NF和RO对不同有机物的处理效果都很好,但纳滤的操作压力比反渗透低,并且纳滤膜净化出水中还可保留部分对人体有益的元素,因此纳滤较超滤和反渗透有更为广阔的应用前景。

纳滤技术在饮用水处理中的应用

纳滤技术在将饮用水中悬浮物、胶体、微量有机物等物质去除的同时,还能把对人体有益的微量矿物质元素保留下来,近些年在饮用水深度处理中得到广泛应用,纳滤膜净水工艺流程如图1所示。

1 纳滤膜分离机理

纳滤膜孔径一般为1 nm左右,分离原理如图2所示。在原水施加一定压力,在压力差的作用下,溶液中分子量低于200的小分子物质、单价离子以及水透过膜上的纳米孔,分子量在200~2 000的有机物以及多价离子被膜阻挡,实现分离。目前研究认为纳滤主要是通过电荷作用和筛分作用两个机制进行溶质分离。电荷作用通常也被称为“道南效应”。纳滤膜表面主要带有负电荷,可以吸引溶液中带正电的离子,溶液中带负电的离子将会被排斥而远离膜表面,这种效应被称为道南效应。筛分效应主要是利用膜孔径大小与溶液中不同溶质粒子大小进行截留。纳滤膜表面带电荷,所以纳滤膜的分离机理和超滤、反渗透有所不同。进行分离的时候,因为截留分离过程受到不同运行参数的影响,所以难以简单把纳滤膜的分离机理界定为筛分作用以及道南效应。

2 对无机物的去除作用

大部分农业地区,原水中硝酸盐、亚硝酸盐的含量超过安全标准,且易转化成亚硝胺有致癌风险,超标的硝酸盐、亚硝酸盐等物质会给饮用水处理带来影响。麦正军等发现我国西北地区的地下水不宜直接饮用,该地下水中无机盐(主要是硫酸盐、硝酸盐、硬度等)含量普遍超标。对此,他们配制了相似于地下水的无机盐溶液,对比了市面上常用的两种膜对其过滤效果。结果显示,2种膜对SO42-的去除率都在97%以上,去除效果显著,对F-的平均去除率分别为73%和95%,差距较大。另外还考察了不同进水流量、操作压力下纳滤膜的截留效果,结果显示两者都会对纳滤膜脱盐产生不同影响。侯立安等采用微滤活性炭与纳滤联用的工艺流程研究了纳滤膜对无机物的截留效果,研究结果表明,TS40型的纳滤膜能够去除无机离子,且对阳离子去除能力依次为:Ca2+>Mg2+>Na+>K+,对阴离子的去除能力为SO42-> Cl-> NO3-。砷是强致癌物质,我国一些地区砷超标严重,纳滤膜对饮用水中的砷也有着很好的去除效果。王晓伟等对比了不同压力条件下MF、RO、NF膜对砷的去除情况,研究发现,原水中砷的浓度低于200 μg/L时,纳滤可以对五价砷的去除超过90%,但不同pH下NF膜对砷的截留率大不相同。饮用水中过量的F-会损害人体健康,而Cl-、SO42-会影响饮用口感,敬双怡等对比了经纳滤膜处理后的直饮水出水中F-、Cl-、SO42-的含量,其平均去除率均在62%以上,且均满足饮用水卫生指标。

3 对有机物的去除作用

饮用水消毒过程会产生三卤甲烷(trihalomethanes,THMs)、卤代乙酸(haloacetic acids,HAAs)、溴酸盐等消毒副产物(DBPs)。纳滤膜对消毒副产物的去除主要是通过截留前体物来降低消毒副产物浓度。研究发现纳滤膜对THMs去除率可达90%以上。朱学武等对原水中含有机物和溶解性有机盐较高的南四湖进行了研究,使用了两种纳滤膜进行对比,两种膜截留结果各有不同。但CODMn、UV254、DOC的浓度均能分别降到0.7 mg/L、0.006cm-1和1.5 mg/L以下,远低于净水水质标准。并且发现对有机物、电导率、TDS、DOC等方面的去除率均达到90%以上。这样可使有机物浓度得以控制,还能有效减少后续工艺中消毒剂的投加量,产生消毒副产物的风险大大降低。同时,近些年饮用水中内分泌干扰物、微囊藻毒素等物质浓度逐渐增加,纳滤膜在饮用水处理中对上述也可有效去除。魏宏斌等了解到传统工艺对环境内分泌干扰物阿特拉津去除效果较差,而纳滤膜处理工艺能够将原水中阿特拉津浓度为20~226 μg/L处理到产水浓度在0~4.7 μg/L,平均去除率为90%~92%。程爱华研究发现纳滤对五氯酚、雌二醇、雌三醇等物质的截留率均大于90%,能有效截留去除水体中的内分泌干扰物质。

4 膜污染和膜清洗

通过前面的论述与分析不难得出,纳滤膜技术具备自身的分离特性,能够获得理想的处理效果。然而,具体运行过程当中也存在不足,膜污染问题就是其典型的代表。膜污染是膜处理过程中,溶液中的微粒、大分子物质和膜发生物理、化学相互作用,在膜的表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径越来越小或者发生堵塞的现象,同时操作压力变大,膜通量减少。主要包括有机污染、无机污染、胶体颗粒污染和生物污染几个方面,在实际处理工程中往往是几种污染交织在一起,同时发生。

丰桂珍等选择了青草沙水库和太湖原水中的DOM对两种纳滤膜(HL、ESNA1-K)造成的膜污染以及对纳滤膜截留卡马西平(CBZ)性能的影响进行了研究。分别测定了纳滤膜污染前后的特性:通量变化、粗糙度、接触角及膜的扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)图。结果显示,不论是青草沙DOM还是太湖DOM,均对两种膜性能产生了影响。纳滤膜污染前后的表面形貌如图3所示,DOM在纳滤膜表面吸附形成污染滤饼层,进入膜孔内部造成膜孔堵塞,造成较明显的膜通量下降。表面较为粗糙的ESNA1-K膜(粗糙度为55.076 mm)(图3(d))表面比较为平滑的HL膜(粗糙度为5.876 mm)(图3(a))更容易被有机物污染(分别对应图3(e、f)、图3(b、c))。接触角的大小反映了膜表面的亲疏水性,经DOM污染后,ESNA1-K膜的接触角较清洁膜有所减小,HL膜的接触角较清洁膜增大,这与纳滤膜本身的特性有关。

在考察DOM膜污染后对CBZ截留性能的影响的实验中,尽管纳滤膜受到不同程度的污染,但DOM 膜污染并非一味地降低了CBZ的去除率。结果显示,浓差极化作用占主导地位的太湖DOM膜污染时,出水CBZ浓度增加,去除率下降;滤饼层与 CBZ 的吸附作用和MWCO的减小较浓差极化作用相比占主导地位的青草沙DOM污染时,CBZ的去除率反而上升了。Nghiem等的在研究膜污染对痕量有机物的去除影响中也出现了相似的结果。

  
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