生物粉末活性炭与超滤组合工艺膜污染物质研究

安东子，杨艳玲，李 星，刘永旺，程振杰

(北京工业大学建筑工程学院，北京100124)

近年来，随着膜材料的不断发展，使得膜分离技术在水处理行业中应用越来越广泛.由于它是一门新生的高分离、浓缩、提纯及净化技术，产业界和科技界都把膜技术当作21世纪工业技术发展中一项极为重要的高新技术[1-3].

然而膜污染问题是制约膜技术发展的主要因素之一[4]，所谓膜污染就是料液中的微粒、胶体粒子和溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的膜表面或膜孔径内吸附、堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化的现象.膜污染导致通量下降，超滤分离效果降低，寿命缩短[5-7].目前，虽然关于膜污染的研究非常多[8-12]，但对膜污染的机理说法并不一致，主流理论认为造成膜污染的原因主要包括:蛋白质污染、悬浮固体污染、胶体污染、生物污染[13]、金属离子污染[14]等，能够肯定的是处理料液中粒子与膜材料的互相作用是影响膜污染的最主要的因素[15].

基于国内外膜污染研究现状，本文主要分析生物粉末活性炭与超滤组合工艺膜污染物质特性.在组合工艺稳定运行条件下，分别对受污染膜丝表面泥饼层、水洗后的受污染膜丝、生物粉末活性炭进行了红外光谱分析，以探究造成膜污染的主要污染物.

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

实验所用膜池如图1所示[16]，装置流程为:原水由蠕动泵抽入原水箱，通过浮球控制水槽流入反应器中，出水通过抽吸泵直接从膜组件抽出，将真空表设置在膜组件和抽吸泵之间，监测跨膜压力，由空气泵向反应器内曝气以提供溶解氧、进行搅拌混合并清洗膜丝表面.运行初期投加过200目筛的粉末活性炭，所用的膜丝为杭州立升净水技术有限公司生产的聚偏氟乙烯(PVDF)材质，束状中空纤维膜，膜孔径0.01μm，膜丝外径为1.45 mm.

图1 生物粉末活性炭与超滤组合工艺装置图

1.2 试验方法

在实验室小试条件下，采用人工配置原水(以自来水、生活污水、藻按一定的比例配置)，当生物粉末活性炭与超滤膜组合工艺处于长期稳定运行阶段，在跨膜压差达到0.03 MPa时，开始进行膜污染物质特性实验.

通过对受污染膜丝表面泥饼层、水洗后的受污染膜丝、生物粉末活性炭进行红外光谱分析，研究造成生物粉末活性炭与超滤膜组合工艺膜污染物质的成分.其中受污染膜丝表面泥饼层经105℃烘干处理.

1.3 试验材料

实验所用的受污染膜丝表面泥饼层、水洗后的受污染膜丝、生物粉末活性炭分别如图2～4所示.

1.4 试验仪器

实验仪器主要采用BRUKER公司生产的红外光谱分析仪，型号为VERTEX 70;便携式pH测试仪;HACH2100P型便携式浊度仪;紫外分光光度计;可见光分光光度计.

2 试验结果与分析

2.1 原水水质

见表1.

2.2 受污染膜丝表面泥饼层红外光谱分析

在生物粉末活性炭与超滤膜组合工艺运行过程中，反应器内悬浮污泥质量浓度的不断增加.有研究表明:悬浮物质量浓度越高，滤饼层的形成速度越快.泥饼层的形成使得膜表面溶质的质量浓度成梯度增加，造成边界层渗透压升高，膜分离通量下降，这是造成膜污染的主要原因之一.

表1 实验原水水质

本实验收集一些受污染膜丝表面泥饼层，经105℃ 烘干处理后做红外光谱分析，如图5所示.

从图5可以看出，受污染膜丝表面泥饼层所含污染物质的吸收峰和对应基团分别是:3 424.35 cm-1(-OH伸缩振动)、1 639.02 cm-1(C═O伸缩振动)、1 086.65 cm-1(C—N伸缩振动).

图5 受污染膜丝表面泥饼层红外光谱分析图

2.3 水洗后的受污染膜丝红外光谱分析

受污染膜经水洗后虽然表面泥饼层被洗掉，但膜孔内部仍含有造成膜通量降低的污染物质.已有学者证实:物理清洗仅能去除膜表面的可逆污染物，对不可逆污染物的去除效果较差.为了分析这类污染物质的成分，取水洗后的受污染膜丝进行红外光谱分析，如图6所示.

在红外光谱吸收带的特征区几乎没有出现基团吸收峰，说明在膜丝孔内有机污染物较少，而且是小分子有机污染物.在吸收带的指纹区，污染物质的吸收峰和对应基团分别是:1 430.38 cm-1(C—H伸缩振动或C—O伸缩振动)，1 175.36 cm-1(N—H伸缩振动或C—O伸缩振动)，879.77 cm-1(C—C变形振动或C—N变形振动)，进一步说明膜丝孔内仅有小分子有机污染物存在.

2.4 生物粉末活性炭红外光谱分析

生物粉末活性炭作为一种有效的水处理方法，集物理吸附和生物降解作用为一体，可以提高对多种污染物去除的效果.有研究表明:生物活性炭依靠生物降解作用，其对小分子质量、易于生物降解的有机物去除率较高，对中等分子质量以上的有机物去除效率较差.

本实验取些许生物粉末活性炭与超滤膜组合工艺膜池中的生物粉末活性炭进行红外光谱分析，分析结果如图7所示，污染物质的吸收峰和对应基团分别是:2 107.17 cm-1(C≡C伸缩振动)，说明生物粉末活性炭表面污染物含有炔或腈类三键有机物;3 414.04 cm-1(-OH伸缩振动);1 638.13 cm-1(C═O伸缩振动).

3 结论

1)在生物粉末活性炭与超滤组合工艺中，通过对受污染膜丝表面泥饼层、生物粉末活性炭、水洗后的受污染膜丝进行红外光谱分析，得出受污染膜丝表面泥饼层与生物粉末活性炭在相同吸收峰区域均含有-OH伸缩振动基团和C═O伸缩振动基团，说明生物粉末活性炭通过物理吸附和生物降解作用，可以有效延缓膜表面泥饼层的形成，缓解膜污染;水洗后的受污染膜丝孔内有机污染物较少，而且是小分子有机污染物.

2)受污染膜经水洗后并不能完全去除膜孔内污染物，要去除膜孔内不可逆污染物，需采用化学清洗.

3)含有-OH伸缩振动基团和C═O伸缩振动基团的污染物是造成膜污染的主要有机污染物质.

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