【摘 要】
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我国农村及城镇地区以地表水作为饮用水水源的居多,其中部分地表水源存在高碱度和高硬度的特点,在烧水过程中易产生水垢问题。烧水水垢不仅影响饮用水的感官性状,并且存在许多潜在的危害,由此引发了用户的长期抱怨。同时,水垢的形成会导致水中钙镁等矿物质离子的损耗,不利于人体健康。近年来,村镇地区饮用水水质提升受到日益重视,研发经济高效的新型饮用水污染物去除和水垢抑制工艺对于水质净化与提升具有重要意义。本研究将
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目(51978558); 国家重点研发计划课题(2019YFD1100104-1);
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我国农村及城镇地区以地表水作为饮用水水源的居多,其中部分地表水源存在高碱度和高硬度的特点,在烧水过程中易产生水垢问题。烧水水垢不仅影响饮用水的感官性状,并且存在许多潜在的危害,由此引发了用户的长期抱怨。同时,水垢的形成会导致水中钙镁等矿物质离子的损耗,不利于人体健康。近年来,村镇地区饮用水水质提升受到日益重视,研发经济高效的新型饮用水污染物去除和水垢抑制工艺对于水质净化与提升具有重要意义。本研究将酸碱平衡曝气水垢抑制技术与微絮凝-超滤工艺(PUF)耦合联用,提出了面向村镇地区的新型同步除浊控垢净水工艺,并结合实际情况研发了一体化村镇供水除浊控垢设备。在实验室搭建基于酸碱平衡曝气法和微絮凝-超滤工艺的试验装置,考察加酸后不同氢离子浓度条件下的出水浊度、碱度、硬度和钙镁离子含量等,验证耦合工艺的浊度去除和水垢抑制效果,并优化耦合工艺参数;同时,探究超滤膜丝表面微观形貌和污染程度的变化规律,分析酸碱平衡曝气对超滤膜污染的缓解作用;在此基础上,通过长周期净水厂现场试验验证耦合工艺对实际水体的浊度去除和水垢抑制效果,并考察其在不同源水水质和环境条件下的适应能力。研究结论如下:(1)酸碱平衡曝气耦合微絮凝-超滤工艺(H-PUF)可显著抑制烧水水垢,保留水中原生钙镁离子。当氢离子浓度为2.5 mmol/L时,出水碱度、暂时硬度和沸后浊度分别降低至107 mg/L、12 mg/L和0.38 NTU,此时水体澄清,无烧水水垢产生。同时,沸后钙镁离子保留效果可达94%和95%。此外,该组合工艺对水中的浊质及有机物具有良好的去除效果,出水浊度稳定在0.1 NTU左右,以1.5mmol/L氢离子浓度为例,工艺的溶解性有机物(DOC)去除率比单独超滤(UF)和微絮凝-超滤工艺(PUF)提高了18~40%和12~29%,UV254去除率提高了71~75%和13~21%。适当调节氢离子浓度能够使溶液Zeta电位更接近等电点,提高浊度去除率,从而降低混凝剂投加量,减少经济成本。(2)酸碱平衡曝气工艺能够进一步加强微絮凝对膜污染的减缓作用,有效降低膜污染率。在H-PUF工艺运行下,跨膜压差增长至35 k Pa需要34天,而UF和PUF工艺仅需要13天和22天。膜表面粗糙度与两种工艺相比减少了81%和77%,且污染层结构更为疏松。此外,通过比较膜表面C=O和C-O-C等亲水性基团的强度,发现H-PUF工艺>PUF工艺>UF工艺,且H-PUF工艺经反冲洗后C=O峰值恢复。H-PUF工艺的膜孔阻力远小于PUF工艺,表明H-PUF工艺能够降低膜的不可逆污染。(3)基于H-PUF工艺研发的一体化除浊控垢供水设备对实际高水垢地表水源具有稳定的处理效果。该设备可稳定降低水源水的碱度,暂时硬度和沸后浊度,控制烧水水垢。出水碱度可以降低52~58%,暂时硬度和沸后浊度稳定在8~16 mg/L和0.2~0.5 NTU。同时,该设备对实际水源水中有机物的去除效果良好,DOC的去除率为21.3%,UV254的去除率达53.7%,通过比较设备进出水的三维荧光光谱发现设备对水源中的富里酸类和腐殖酸类物质具有一定去除效果。此外,设备出水p H和氯化物浓度分别保持在7.2~7.7和120~130 mg/L,符合生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)。
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