海水微絮凝预处理对超滤膜通量的影响

摘要

以聚合氯化铁为絮凝剂，研究了海水微絮凝预处理过程的絮凝特征以及对超滤膜通量的影响。考察了微絮凝对海水中有机物的去除作用，并采用体系稳定动力学参数、絮凝指数评价不同絮凝剂投加量在海水中的絮凝效果，探讨了微絮凝对超滤膜污染的改善作用。实验结果表明，微絮凝预处理能强化超滤膜对海水UV254 的去除效果，与超滤相比提高了27. 5% ，可有效去除海水中的蛋白类有机物。超滤膜直接过滤海水可造成膜通量严重下降，采用微絮凝作为预处理能有效减缓超滤膜污染，且减缓效果与絮凝剂的投加量密切相关，当PFC 的投加量为40 mg·L - 1 时，膜比通量J / J0 值大于0. 9。

近年来，超滤膜由于能有效截留悬浮物、胶体及微生物，且出水水质稳定、能耗低，已经成为海水淡化预处理工程应用最广泛的技术之一[1] 。其中，超滤膜的污染堵塞问题是阻碍其发展的主要问题[2] ，严重增加了超滤系统的运行能耗[3] 。研究表明，造成超滤膜堵塞的主要污染物是有机物[4-5] 。微絮凝作为超滤工艺的预处理技术，是将水体中的悬浮微粒、胶体相互碰撞形成肉眼难以看见的微絮凝体的絮凝过程，微絮凝能有效去除溶解性有机物，减缓超滤膜污染，并且可省去絮凝-沉淀构筑物的占地面积及费用[6] ，对于海水的深度净化处理有着广阔的发展前景。

有研究表明，超滤膜的污染程度与絮凝特性密切相关[7] 。海水是一种既有胶体溶液特性又有电解质溶液特性并具有生物活性的溶液体系[8] ，并具有较强的分散稳定性；因此海水的絮凝特征具有独有的特性，目前有关海水的絮凝特征及其对超滤膜通量的改善作用研究并不完善。本研究以海水为研究对象，以聚合氯化铁PFC 为絮凝剂，通过在线监测海水微絮凝过程中絮凝指数FI、体系稳定动力学参数等，综合分析海水微絮凝过程中絮凝特征规律，对比分析直接超滤与微絮凝-超滤联用技术对海水中溶解性有机物的去除效果，考察对超滤膜污染的减缓作用，以期为微絮凝预处理在超滤技术中的应用提供基础数据。

1材料与方法

1. 1 仪器与试剂TA6-2 程控混凝实验搅拌仪，武汉恒岭科技有限公司；TURBISCAN LAB 分散稳定性分析仪，法国FORMULACTION 公司；iPDA300 絮凝度测定仪，韩国EcoNovel 公司；DR5000 紫外可见分光光度计，美国HACH 公司；F-4600 荧光分光光度计，日本Hitachi 公司；Multi N/ C 3100 总有机碳/ 总氮分析仪，德国AnalytikJena 公司；8400 型超滤杯，美国Millipore 公司；ME2002E 电子天平，瑞士Mettler Toledo 公司；加热磁力搅拌器，美国IKA 公司。

聚合氯化铁（PFC，氧化铁含量14% ~ 15% ，碱化度5. 3% ~ 6. 6% ），巩义市弘兴滤材厂；超滤膜（再生纤维素，切割分子质量10 kDa，直径76 mm，过滤面积41. 8 cm2 ），美国Millipore 公司。

1. 2 实验水质

实验用海水取自天津港码头，实验期间水质指标为：温度（9. 2 ± 2. 0）℃ ，电导率（44. 7 ± 1. 2） mS·cm - 1 ，pH 7. 80 ± 0. 15，浊度（1. 35 ± 0. 17）NTU，UV254 （0. 053 ± 0. 001）cm - 1 。

图1实验装置示意图Fig. 1Schematic diagram of experimental device1.

3 实验方法

1. 3. 1 微絮凝实验如图1（a）所示，在1 L 烧杯中分别加入海水，絮凝剂投加量分别为：10、20、30、40 mg·L - 1 ，借助程控混凝实验搅拌仪进行微絮凝实验，搅拌速度为200 r·min - 1 ，搅拌时间为2 min，采用iPDA300 光散射絮凝度测定仪测定整个过程的絮凝指数；微絮凝结束后取少量水样，立即测定稳定动力学参数，同时将水样经0. 45 μm 滤膜过滤后，测定其UV254 、三维荧光光谱。

1. 3. 2 超滤实验

如图1（b） 所示，以氮气为驱动力，将微絮凝实验所得水样，进行超滤杯实验。超滤杯采用死端过滤，超滤膜在使用前至少在超纯水中浸泡24 h。实验时先测定超纯水通量，在跨膜压力240 kPa，转子转速100 r·min - 1 条件下过滤超纯水至出水通量稳定，借助电子天平记录累计滤出水的质量，计算膜初始通量（J0 ）。随后再过滤微絮凝后的水样，在跨膜压力240 kPa，转子转速100 r·min - 1 条件下，计算膜出水通量（J），将J / J0 的比值作为实验通量。收集滤液，测定UV254 和三维荧光光谱。

1. 4 分析方法

UV254 是水中一些有机物在254 nm 波长紫外光下的吸光度，可作为表征水中天然存在的腐殖质类大分子有机物以及含C =C 双键和C =O 双键的芳香族化合物的参数。UV254 采用DR5000 紫外可见分光光度计进行测定。

稳定动力学参数采用Turbiscan Lab 稳定性分析仪测定，海水经微絮凝后快速取样并放入测试瓶中，液面高度约55 mm，每2 min 扫描1 次，共扫描16次，测试温度26 ℃ 。通过脉冲式近红外光同步测量透射光和背散射光强度变化，获得沉淀层、混合层及澄清层的变化曲线，分析得出稳定动力学参数。

絮凝指数采用iPDA300 光散射絮凝度测定仪测定。将光散射絮凝度测定仪的硅胶管两端分别浸入微絮凝实验的烧杯内壁固定，海水先经过iPDA300，再经过蠕动泵回到烧杯中，形成循环回路。海水在投加絮凝剂之前先搅拌2 min 混匀，再投加絮凝剂，通过在线监测微絮凝过程中絮体聚集及粒径变化，获得絮凝指数FI（flocculation index）变化曲线。

三维荧光光谱是一种具有较高价值的光谱指纹技术，可全方位分析水中有机物的组成特征和荧光光谱信息，对有机物的组成分布和含量分析具有较高的准确性，图像直观、灵敏度高，是一种广泛应用的痕量分析技术。三维荧光光谱采用F-4600 荧光分光光度计测定，光源150 W 氙灯，光电倍增管电压400 V，激发和发射狭缝宽度均为5 nm，扫描速度为12 000 nm·min - 1 ，激发和发射光波长的扫描范围分别为200 ~400 nm 和200 ~ 550 nm，水样稀释5 倍后进行测定。

2结果与讨论

2. 1 微絮凝-超滤联用工艺对海水有机物的去除效果

图2不同工艺对UV254 的去除效果Fig. 2Effect of UV254 removal at varied process

图2 为超滤与微絮凝-超滤联用工艺对海水中UV254 的去除效果。

可知，在本实验条件下，经超滤后海水中UV254 值为0. 039 cm - 1 ，去除率为23. 5% 。海水中含有大量的亲水性有机物，如腐殖酸、富里酸、多糖和蛋白质等。根据实验结果发现，超滤对UV254的去除效果并不理想，主要是由于超滤膜对有机物的去除并非简单的物理截留，膜表面对悬浮态和胶体态有机物的吸附是主要的去除作用。与超滤相比，微絮凝-超滤联用工艺强化了超滤膜对有机物的截留作用，随着PFC 投加量的增加，UV254 去除率逐渐增大，当PFC 投加量为40 mg · L - 1 时， 海水中UV254 值为0. 025 cm - 1 ，去除率可达51. 0% 。微絮凝是使海水中的小微粒相互碰撞形成微小聚集体的絮凝过程。在超滤前投加PFC 絮凝剂预处理对UV254 的去除率有所提高，主要是由于PFC 的水解产物会将小分子溶解性有机物通过络合或吸附于表面，形成微絮体，再被超滤膜截留[9] ，此外，Fe3 + 还会对亲水性有机物产生吸附架桥作用。