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用于回收沙滤器反冲洗水的廉价陶瓷过滤器的应用
摘要：这项研究的目的是研究处理反冲洗沙过滤水（SFBW）的低成本陶瓷过滤器的应用。此项处理首先需要使用硫酸铝（Alum）预先使SFBW凝固，随后在不同跨膜压力（TMP）下使用低成本陶瓷过滤器持续过滤。罐子测试结果显示20毫克/升的明矾是从SFBW中最大程度地去除铁和锰元素的最佳剂量。过滤器可以不使用助焊剂辅助，在0.6和3kPa之间的跨膜压力以及480-2000L/m2/d的相应流量下操作。实验清楚的发现铁（Fe），和锰（Mn）浊夜的去除率高达99%。在4.5kPa跨膜压力（相应通量3280L/m2/d）下通量开始下降，从而表明过滤器结垢。完整的孔隙阻塞模型被发现作为最合适的模型来解释通量下降的洞察机制。最佳的操作压力渗透通量分别为3kPa和2000 L/m2/d。研究发现被低成本陶瓷过滤处理过的反冲洗沙过滤水很适合回收到净水工厂。陶瓷过滤工艺将成为回收反冲洗沙过滤水的低成本和高效率选择。
关键词：反冲洗沙过滤水；凝结和絮凝；陶瓷过滤器；通量；跨膜压力；污水；铁；锰
1. 简介
在目前的实践中，地下水正在通过常规处理工艺进行处理，包括氧化，凝结，絮凝，沉降和砂滤。在保持高效的通量，在过滤时，必须定期对砂滤器进行反洗（每天一次/两次）。这个过程中会产生大量的废水，特别是来自砂滤器的反冲洗。据估计，平均约有2-10％的常规净水厂（WTP）用于反洗[1]。反洗操作通常需要冲洗水的方向与正常水流相反。所产生的水被称为反冲洗沙过滤水（SFBW）含有大量的悬浮固体，胶体物质，无机金属（Fe，Mn，和铝），天然有机物，细菌，病毒，无脊椎动物和原生动物。
在世界的许多地方，水处理厂正在使用沉淀池来回收利用反洗水到处理厂[2,3]。在沙特阿拉伯王国（KSA）约2600万立方米/年的处理过的水被用于的过滤设备的反洗过程中。迄今为止，大多数沙特阿拉伯的常规净水厂将其产生的反冲洗沙过滤水排到蒸发池或市政污水系统。蒸发池中的反洗水可能会通过从池塘沉积物中浸出重金属污染地下水。此外，不断增长的城市化和工业化趋势以及有限的地下水资源在不久的将来可能会导致沙特阿拉伯水资源短缺。根据最近的立法，沙特阿拉伯的城市需要通过减少产量来改善他们的节水措施并降低处理废液的成本。因此，相对于废弃处理掉反冲洗水，回收利用它具有很大的前景。只需要引用合适的处理工艺反冲洗水便能被大工厂回收。
重复利用反需要分离其中的固体以及去除如铁，锰的金属物质。膜过滤法是处冲洗沙过滤水理反冲洗沙过滤水最可行的方法之一。近几年，有很多有潜力的重复利用反冲洗沙过滤水的方法的研究在进行例如超滤（UF）或者微滤（MF）[3-8]。然而，膜污染是其中一个障碍因为它会减少渗透通量并增加膜清洁的频率。
减少膜污染和改善水质的关键方法之一是通过凝结和絮凝过程预处理反冲洗沙过滤水 [9-13]。进行预处理是为了在膜分离之前扩大絮凝剂以减少结垢。明矾凝固剂如硫酸铝（Al2（SO4）3）作为低廉的凝结剂广泛的运用在凝结和絮凝过程中。关于絮凝剂形成的大小和结构，这最终取决于操作条件如pH和凝固剂剂量[14-16]。对于明矾凝固，大小和结构的絮凝剂由各种水解Al物种诱导[17]。在凝血/微滤过程中一种明矾混凝剂的应用已经被研究了[18-20]。以前研究表明，反冲洗沙过滤水的预混凝可以提高过滤水的数量和质量通过扩大亚微米颗粒，最终延缓膜孔堵塞[20]。因此，通过膜过滤的预凝固可能是通过回收反冲洗沙过滤水最合适的选择之一。
由于初始成本和能源需求较高，微滤或超滤技术在处理反冲洗沙过滤水方面的应用在包括沙特阿拉伯在内的大多数国家都是有限的。因此，作为膜工艺的低成本低压陶瓷过滤器对于处理该区域的反冲洗沙过滤水是可行的。在我们以前的研究中，用过当地廉价材料（粘土和米糠）制成的低成本和简单的陶瓷过滤器用于处理地下水[21]。最终，陶瓷过滤器被应用于高强度冷水以及灰水的膜生物反应器处理过程中。这种陶瓷过滤器的微孔尺寸为1-5微米，可以成功地分离出活性污泥絮凝剂，因为商业聚合物膜可以防止污染。 而且，低压过滤器有低功耗和低污染的优点。
本研究的目的是研究使用简单的陶瓷过滤器和凝结和絮凝过程来处理反冲洗沙过滤水和生产高质量的可回收水的可行性。
2. 材料与方法
2.1 反冲洗水样例
反冲洗沙过滤水样品取自位于沙特阿拉伯Buraidah市的Bruidah水处理厂的滤池回洗水排放口。由于在反洗过程中反冲洗沙过滤水的浊度和铁和锰元素的组成都是波动的，所以所有的样品在砂滤器反冲洗操作开始后立即用20L的瓶子收集。随即将新鲜的反洗水样带回实验室，立即进行分析或用于实验，无需任何预处理。
2.2 廉价陶瓷过滤器
孟加拉国使用当地可用的粘土和米糠制造过一个圆柱形陶瓷过滤器。同时，在沙特阿拉伯也很容易获得这种粘土，至于米糠可以用锯末来代替。本研究中使用的陶瓷过滤器的制造过程是根据我们以前的研究[21]改编的，将粘土样品干燥，用锤子研磨，并通过0.5-mm筛子过筛。将米糠干燥并通过1mm筛子过筛。然后将筛过的土壤和米糠以80:20的比例（按重量计）混合，然后通过加入水制成面团。然后将面团浇铸在圆柱形模具中以形成过滤器。 得到的中空，一侧开口，高度为10厘米，厚度为2厘米圆柱形的陶瓷过滤器呈（图2.1a）
最后，将过滤器晒干48-72小时，随后在900℃的小型陶罐中在多功能炉中燃烧4-5小时（图2.1b）。测量过滤器的孔径为1-5微米。 通过比较用陶瓷过滤器过滤前后混浊水（水和粘土混合物）的粒度分布来估计过滤器的孔径。制造成本估计为0.2-0.3美元，每个过滤器有效过滤面积为0.039平方米[21]。
图2.1 （a）陶瓷过滤器示意图 （b）烧制后陶瓷过滤器
2.3 水质分析
水样的物理和化学分析在布赖代水处理厂的实验室进行。 在HMP6（HACH，Loveland，CO，USA）的帮助下测量电导率（EC）和pH，同时使用浊度计（2100Q，HACH，Loveland，CO，USA）。通过将电极浸入样品中，通过Ultra-meter II 6P（Myron L，Carlsbad，CA，USA）测量总溶解固体（TDS）。使用标准滴定方法测量碱度。 使用由HACH提供的相关试剂通过分光光度计（HACH DH-5000，HACH，Loveland，CO，USA）测量总Fe，总Mn，磷酸盐（PO 4），二氧化硅（Si），氟化物（F）和硫酸盐（SO 4）。 通过用铬酸钾和硝酸银溶液滴定来测量氯化物（Cl）。所有标准试剂溶液均购自位于沙特阿拉伯达曼的福兹化学公司。 使用HACH检测试剂盒通过回缩法测量总硬度，钙（Ca）和镁（Mg），同时按照标准方法测量悬浮固体（SS）。
2.4 凝聚剂明矾（Al2（SO4）3）
粉状明矾（Al2（SO4）3·12H2O）购自位于沙特阿拉伯布赖代市的当地实验室，并用作凝结剂。 在每次实验之前，通过混合10g铝粉在1L蒸馏水中制备10mg / mL浓度的新鲜凝固剂溶液粉状明矾（Al2（SO4）3·12H2O）购自位于沙特阿拉伯布赖代市的当地实验室，并用作凝结剂。 在每次实验之前，通过混合10g铝粉在1L蒸馏水中制备10mg / mL浓度的新鲜凝固剂溶液。
2.5 混凝和絮凝实验
实验人员在20℃下进行标准瓶测试以执行凝结和絮凝实验。所有罐测试都是使用四个搅拌器A＆F罐测试设备（JM4，Nvatech International）进行。罐测试设备包括四个电机连接到四个钢桨搅拌器与速度控制单元; 电机的转速可调至200转/分钟。将具有1000mL 反冲洗沙过滤水的塑料烧杯置于桨式搅拌器下，然后将所需浓度的明矾溶液加入烧杯中。所有的罐测试首先进行快速混合（在100RPM下凝结）2分钟，缓慢混合（在40RPM下絮凝）20分钟，然后静置5分钟。该程序改编自以前的研究[24]。在使凝结剂与污染物一起沉降5分钟之后，非常小心地收集烧杯的悬浮液，并测量浊度以及铁和锰元素的含量。在中性pH（7.2）下进行总共八次不同剂量的明矾（5-100mg / L）的罐测试以确定最佳剂量。每个罐子测试一式三份进行，以确认结果的可重复性。
2.6 过滤实验
这里设计了一个实验室规模的连续过滤系统包含凝固和絮凝过程，以研究其去除浊度，铁和锰的潜力。基于操作通道和去除效率决定了过滤系统的最佳状态。图2.2展示了实验装置的示意图。过滤实验是在无端过滤模式下进行的。使用由12毫米厚的热塑性玻璃制成的两个矩形罐作为每个实验阶段的凝结剂罐和过滤罐。每个罐的尺寸为40厘米长，40厘米宽，60厘米高。在过滤罐内部，陶瓷过滤器被放置在木板上，以确保整个过滤器的表面区域有效地用于过滤。过滤器连接到最终的水箱上，并通过一个抽气泵连接到抽气泵。在过滤器下面放置一个空气扩散器，并提供持续的空气供应以防止固体在过滤器表面积聚。在每次实验之前，原始SFBW用促凝剂（20mg / L）预先凝固（凝固和絮凝）。除了5分钟沉降步骤之外，预凝结与凝固和絮凝实验同时进行。将预先凝结的SFBW定期手动转移到凝结池中。然后使用供给泵将混凝罐的流出液转移到过滤罐中。滤液通过过滤器获得了渗透液。
图2.2 过滤实验原理图
如表1中所示，使用不同的固定跨膜压力（TMP）值进行总共四次实验运行。所有过滤实验均在20℃温度下进行。 通过测量每日流量（L / d）并除以过滤器的总有效表面积（m2）来确定渗透通量（L/m2/d）。 每个实验都连续运行，通过秒表和量筒测量每分钟过滤水量，每天测量每日流量。 定期收集三个水样（原始SFBW，来自凝结池的水和渗透物）以分析浊度以及Fe和Mn浓度。
表1过滤实验的详细说明。 TMP =跨膜压力
|
实验编号 |
跨膜压力（Kpa） |
透通量（L/m2/d） |
实验时间（天） |
用于预凝明矾预剂量（mg/L） |
|
1 |
0.6 |
450 |
1-6 |
20 |
|
2 |
1.5 |
1050 |
7-14 |
20 |
|
3 |
3 |
2000 |
15-19 |
20 |
|
4 |
4.5 |
3000 |
20-26 |
20 |
2.7 过滤器结垢机理
对于多孔膜而言，大多数结垢机理与膜的活性孔和许多活性孔减少发生的过程有关。基于此，可以确定四种基本类型的结垢机理，即完全孔堵塞，中孔堵塞，标准孔堵塞和滤饼层形成（图2.3）。当粒子大于膜孔并且沉积在膜表面上时，发生完全的孔堵塞，这阻止了膜孔完全进入而没有重叠的粒子。当粒径与膜孔径相似时发生中间孔堵塞。中间阻塞相对于完全阻塞而言限制性更小，因为它认为某些粒子可能落在其他粒子上。这意味着并不是每一个粒子都是新加坡。标准阻塞发生在膜孔内部，并且由粒子尺寸小于膜孔引起。滤饼表面通过积聚大于膜孔径的颗粒而形成膜表面。蛋糕层随时间增长，不会渗透到毛孔内部。
图2.3 Hermia模型考虑的不同孔隙污染机理的示意图：（a）完全孔隙堵塞; （b）中间孔堵塞; （c）标准孔堵塞，和（d）滤饼层形成。
基于恒定压力和无端过滤法则，Hermia [25]开发了经验模型（方程（1））来描述四种基本的结垢现象[26,27]。
（1）
其中t是过滤时间，V是渗透体积，k是常数，并且n是取决于结垢机理的常数。
表2给出了方程式（1）的线性表达式。在表2中，常数kcb，kib，ksb和kcl是与完全孔堵塞，中孔堵塞，标准孔堵塞和滤饼层有关的系统参数 形成模型。 lnJ对t，1/J对t， 1/J0.5对t和1/J2对t的曲线给出了一条斜率为kcb，kib，ksb以及kcl的直线， 和lnJ0,1 /J0,1/J00.5和1/J02的y-截距，分别用于
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