纳滤膜净化地下水时预处理工艺的选择研究

Posted 2023-01-13 地下水

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地下水是我国许多城镇地区的重要水源。1949年初，由于工农业污染相对较轻，因此我国地下水净化技术的焦点主要集中在除铁、除锰。但是近年来，由于化肥、农药的广泛使用，以及人畜粪便、城市污水和工业废水的大量排放，污染地表水回灌等原因，地下水的污染日益严重。更不容乐观的是，地下水中污染物质不仅局限于简单的铁、锰等金属，而是呈现多元化、复杂化的趋势，许多地区的地下水源中有机物、硝酸盐等微污染物质含量大幅度升高。事实证明，传统的以去除铁、锰为主要目标的工艺对当前具有新污染特征的地下水的净化已呈现出一定的不适应性，因此有必要探索一种能同时、高效地去除地下水中多种污染物的新工艺。
一种新型的膜技术———纳滤膜的广泛应用，为受污染地下水的净化提供了新的思路。据文献报道，国外地下水净化中已开始使用纳滤膜，对原水进行有效预处理也成为该技术的关键。本文以不同水质特征的地下水为研究对象，考察了活性炭、石英砂、锰砂不同预处理对纳滤膜的影响，旨在为纳滤膜净化地下水探索一种更为有效、合理的预处理工艺。
1 试验设计
1.1 工艺流程纳滤膜试验工艺流程见图1。

1.2 预处理
选择针对不同地区、不同水质的地下水，选择不同的预处理工艺。对浅层地下水，主要是有机物含量相对较高，可选用活性炭进行预处理，即活性炭纳滤膜工艺；对深井水，主要是铁、锰含量过高，可选用石英砂或锰砂进行预处理，即石英砂纳滤膜或锰砂纳滤膜工艺。
1.3 试验材料
预处理单元：滤柱高度1.5m，有效滤层厚度0.8m，滤料下层铺设0.15m大颗粒石英砂承托层。椰壳粒状活性炭粒径0.68～20mm；石英砂粒径0.65～15mm；锰砂含锰量(以MnO2计)30%～40%。纳滤膜单元：卷式纳滤膜材料为芳香聚酰胺，孔径5nm，有效膜面积0.4平方米。
2 结果与讨论
2.1 活性炭纳滤膜工艺
活性炭预处理净化浅层地下水的处理效果见表1。结果表明，活性炭预处理对浊度、色度有很高的去除率，分别为81.9%和75%；对有机物如CODMn、UV254也有较高的去除率，都达到50%以上。浅层地下水中浊度、色度都较深井水高，而且有机物也偏高。活性炭预处理对浊度、色度及有机物的较高去除率在很大程度上减轻了后续纳滤膜的负担。虽然对铁、锰的去除不是太理想，但浅层地下水铁、锰含量也较低，对纳滤膜的影响不是太大。
2.2 石英砂纳滤膜、锰砂纳滤膜工艺
分别讨论石英砂纳滤膜和锰砂纳滤膜对深井水的净化效果，两者原水水质相同。以石英砂为预处理的深井水处理效果见表2。以锰砂为预处理的深井水处理效果见表3。

可见，石英砂、锰砂对浊度、色度和有机物的去除均不及活性炭明显，因为两者对这些物质的去除主要是通过截留作用，而活性炭通过自身所有的吸附能力达到对这些物质的去除。但石英砂对铁、锰砂对锰的去除则比活性炭有着更为明显的优势。深井水中的污染物质主要是铁、锰，通过石英砂或者锰砂的有效过滤，能充分减轻原水对纳滤膜的污染。根据以上分析，如果原水中铁含量较高，可使用石英砂纳滤膜工艺；如果原水中锰含量较高，可使用锰砂纳滤膜工艺；在两者含量都较高的情况下也可以将石英砂和锰砂串联使用。
2.3 纳滤膜的净化效果
虽然不同的预处理效果存在差异，但纳滤膜对浊度、色度、有机物以及铁、锰都保持了较高的去除率，出水能够达到优质饮用水的标准。纳滤膜出水水质见表1、表2和表3。
3 不同预处理对纳滤膜通量的影响
研究中考察了纳滤膜通量的变化。不同预处理工艺的膜通量变化见图2。

活性炭纳滤膜工艺中膜通量在80h内下降了15%，石英砂纳滤膜、锰砂纳滤膜工艺的膜通量分别下降了186%和214%，可见石英砂、锰砂预处理工艺导致膜通量的下降更快。分析认为，膜通量的降低除与膜本身性能下降有关外，更主要的还是石英砂、锰砂对大分子物质的过滤吸附性能没有活性炭强，导致原水中很多大分子最终进入膜中，纳滤膜对这些物质的截留使得膜通量下降更快，运行周期更短。这也是纳滤膜在工程应用中需要解决的问题之一。
4 结论与建议
a.在采用纳滤膜净化受污染地下水时，活性炭预处理更适用处理有机物含量较高的浅层地下水；而石英砂、锰砂更适用于处理铁、锰含量较高的深井水。
b.研究结果为以地下水为饮用水水源的小城镇地区提供了工程借鉴，并为不同地区、不同水质的地下水净化提出了可供选择的预处理方案。
c.增加膜的运行周期、防止膜通量下降过快以及减少膜污染是工程中必须考虑的问题，这方面期待着更加深入的研究。