Klimatförändringarna påverkar djupt innehållet och egenskaperna hos NOM i ytvatten genom olika komplexa mekanismer, vilket gör NOM till en central förorening vid behandling av dricksvatten. Vattenkällor med hög -NOM uppvisar i allmänhet hög färg och hög DOC (doser per ytenhet). NOM orsakar inte bara färg- och luktproblem i vattendrag utan reagerar också med desinfektionsmedel för att generera cancerframkallande biprodukter.
Traditionella dricksvattenbehandlingsprocesser har begränsad NOM-avlägsnande effektivitet, medan konventionella organiska membranprocesser lider av nackdelar som känslighet för nedsmutsning och dålig korrosionsbeständighet. Keramiskt membran i kombination med koagulering ger en innovativ, låg-energiförbrukning-, kompakt och mycket stabil lösning för att rena ytvatten med hög-NOM.
Tre förbehandlingsmetoder: från traditionell till ultimat kompakthet
Ett europeiskt forskarlag utformade och jämförde tre modeller för koagulering och flockuleringsförbehandling, för att uppnå kontinuerlig optimering av processflödet samtidigt som behandlingens effektivitet säkerställs:
1. Traditionell två-tankkoagulering/flockning
Som ett klassiskt behandlingsläge använder den här processen en reaktionsdesign i två-steg: en snabb blandningstank och en långsam flockningstank. Råvatten och koaguleringsmedel blandas noggrant i snabbblandningstanken innan det går in i flockningstanken för att fullborda flocktillväxt, med en total hydraulisk retentionstid (HRT) på 21 minuter. Detta läge ger en grundlig reaktion men kräver ett stort fotavtryck och har höga byggkostnader.
2. Snabbblandningsläge
Detta läge förenklar processflödet, eliminerar den långsamma flockningstanken och behåller endast snabbblandningsenheten. Koaguleringsmedlet och råvattnet blandas och går direkt in i membranmodulen, vilket minskar den hydrauliska retentionstiden till 7 minuter. Samtidigt som den grundläggande behandlingseffektiviteten bibehålls, förenklar det avsevärt utrustningskonfigurationen.
3. Online tubulär flockningsläge
Detta är den mest innovativa kompakta lösningen i denna studie. Processflödet är som följer: råvatten + koaguleringsmedel → membranmatningspump blandning → rörformigt flockningsmedel → keramiskt membran → permeat. Det finns ingen reaktionstank under hela processen; blandning och flockning slutförs via rörledningar. Den hydrauliska retentionstiden (HRT) är bara 45 sekunder, och G--värdet styrs till 330 s⁻¹. Den har det minsta fotavtrycket bland de tre lägena.
Kärnparametrar: Stöd för keramiskt membran
I experimentet användes ett keramiskt membran, som på grund av dess oorganiska materialegenskaper av kemisk beständighet och höga mekaniska hållfasthet blev kärnan i hårdvaran för stabil processdrift.
Experimentella resultat: Hög-effektiv borttagning + låg-föroreningar dubbla fördelar
Studien använde DOC, färg och UV₂₅₄ som NOM-utvärderingsindikatorer och transmembrantryckskillnad (TMP) som indikator för utvärdering av membranföroreningar, vilket optimerar typen, doseringen och pH-värdet för koagulanter.
Experimentet jämförde polyaluminiumklorid och järn(III)klorid, och resultaten var ganska upplysande:
DOC-borttagning:
Aluminiumsalter uppnådde en avlägsningshastighet på 50 %-85 % vid pH 5,5, vilket ökade med ökande dosering.
Järnsalter uppnådde en maximal avlägsningshastighet på 87 % vid pH 4,5 och 10 mg/L.
Färgborttagning:
Aluminum salts were optimally removed at pH 5.5, with a dosage as low as 2 mg/L achieving a removal rate >90%.
Järnsalter avlägsnades optimalt vid pH 5,0, vilket krävde 6... För att uppnå likvärdiga resultat krävs koncentrationer över mg/L.
Ett nyckelresultat i studien är att mer koagulant inte nödvändigtvis är bättre.
Vid 2 mg/L aluminiumsalt: otillräcklig laddningsneutralisering, små flockar och lätt igensättning av membranporer.
Vid 5 mg/L aluminiumsalt: laddningsrestabilisering kan inträffa, eller så kan membranytbelastningen vara för hög.
Vid 3 mg/L aluminiumsalt: membranförorening är lägst och driften är mest stabil.
Det betyder att det är viktigare att optimera doseringen än att blint öka den.
När det gäller membranpåväxt uppvisar den extremt stark stabilitet, med mycket låg irreversibel membranpåväxt. Vid en aluminiumsaltdosering på 3 mg Al/L når membranets nedsmutsningshastighet en optimal nivå, med en enstaka -tryckökning på endast cirka 40 mbar. I kombination med regelbunden backspolning kan-stabil drift bibehållas.
Det är värt att notera att restmetallkoncentrationen i avloppsvattnet är en kärnbegränsande indikator för processdrift. Inom det optimala pH-intervallet 4,5–5,5 för NOM-borttagning överstiger restkoncentrationerna av aluminium och järn lätt 150 ug/L (gränserna för aluminium i "Standards for Drinking Water Quality GB5749-2022" är 200 ug/L och för järn 300 ug/L). I praktisk konstruktion är det nödvändigt att balansera pH-värde och koagulantdosering, med hänsyn till både reningseffektivitet och avloppssäkerhet.
Online tubulär flockningsläge är det föredragna alternativet
Jämförelse av de tre förbehandlingslägena visade:
Färg- och DOC-borttagningsfrekvensen var båda runt 80 %, med försumbara skillnader.
Irreversibla membranföroreningshastigheter var liknande (0,06–0,10 mbar/h).
Grumligheten i avloppsvattnet förblev genomgående under 0,1 NTU.
De tre lägena visade ingen signifikant skillnad i NOM-borttagningseffektivitet, men online-rörflockningsläget, med sin ultra-korta hydrauliska retentionstid på 45 sekunder och minimalistisk design utan reaktionstank, blev det optimala valet.
Den här studien bekräftar att koagulationsprocessen-flockning + keramiskt membran är helt tillämplig på reningsbehoven för ytvatten med högt NOM (normalt syreinnehåll): låg koagulantdos ger följsam behandling; det keramiska membranet är tvättbart och har lång livslängd; och dess driftsenergiförbrukning är mycket lägre än traditionella processer. Det rörformiga flockningsläget online bryter mot begränsningen av stora fotavtryck som är inneboende i traditionella vattenbehandlingsprocesser, och ger tekniskt stöd för konstruktion av kompakta, intelligenta dricksvattenanläggningar.
Slutsats
Inför allt strängare kvalitetsstandarder för dricksvatten och utmaningarna med föroreningar från källan till vatten, balanserar förbehandlingsprocessen för koagulations-keramiska membran behandlingseffektivitet med minskade anläggningskostnader. Med sina kärnfördelar med hög-avlägsnande, låg förorening, kompakt design och låg energiförbrukning, erbjuder den ett nytt tillvägagångssätt för vattenanläggningar som hanterar vattenkällor med högt-organiskt-innehåll (som reservoarvatten i söder och en del flodvatten i norr).
