NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MIEX TRONG XỬ LÝ NƯỚC CẤP VÀ NƯỚC THẢI

Bài báo này cung cấp đánh giá về việc sử dụng công nghệ trao đổi ion từ tính (MIEX) trong nước uống và xử lý nước thải hiện đại nhất hiện nay, nhấn mạnh vào việc loại bỏ chất hữu cơ hòa tan (DOM) khỏi nước uống và nước thải, hiệu quả tái sinh, loại bỏ các hóa chất hữu cơ tổng hợp và vô cơ, so sánh với các loại nhựa trao đổi anion khác, và tích hợp với các quá trình hóa lý khác. Thông qua các thử nghiệm bình trong phòng thí nghiệm, thử nghiệm nhà máy thí điểm và lắp đặt toàn bộ cho nhiều nguồn nước uống khác nhau, nhựa MIEX có thể loại bỏ 30–80% cacbon hữu cơ hòa tan (DOC), thường cao hơn so với sự đông tụ của phèn hoặc sắt. Ngoài ra, nhựa MIEX đã được chứng minh là có thể loại bỏ các thành phần ưa nước, trung tính và kỵ nước của DOM và một loạt các trọng lượng phân tử của DOM. Kết quả là, tiền xử lý MIEX dẫn đến giảm đáng kể sự hình thành trihalomethanes và axit haloacetic khi khử trùng bằng clo. Nhựa MIEX có thể loại bỏ bromua trong khoảng 10–50%, với khả năng loại bỏ bromua cao hơn ở vùng nước có DOC thấp, độ kiềm thấp và sunfat thấp. Tuy nhiên, có những loại nhựa trao đổi anion có bán trên thị trường được lựa chọn nhiều hơn cho bromua hơn là nhựa MIEX. Nhựa MIEX đã được nghiên cứu kết hợp với đông tụ, hấp phụ than hoạt tính, tách màng, làm mềm vôi, và ozon hóa. Tiền xử lý MIEX đã được chứng minh là làm giảm các yêu cầu hóa chất ở hạ nguồn và cải thiện hoạt động của các quá trình hạ nguồn. Điều này thể hiện rõ nhất đối với quá trình đông tụ và ozon hóa khi liều lượng chất đông tụ có thể giảm 50–75% và nồng độ ozone có thể tăng lên 40–65%. Nói chung, tiền xử lý MIEX cho thấy giảm thiểu tắc nghẽn màng. Nghiên cứu trong tương lai nên tiếp tục nghiên cứu sự tích hợp của tiền xử lý bằng công nghệ MIEX với các quy trình khác.

1. Introduction / Giới thiệu công nghệ MIEX

Các thuật ngữ chất hữu cơ hòa tan (DOM), chất hữu cơ tự nhiên và chất mùn thường được sử dụng thay thế cho nhau để mô tả hỗn hợp các hợp chất hữu cơ phức tạp có trong nước. Thuật ngữ DOM được sử dụng trong bài viết này để bao gồm cả các nguồn chất hữu cơ thủy sinh tự nhiên và do con người tạo ra. Đặc tính và loại bỏ DOM được nhiều kỹ sư và nhà khoa học quan tâm vì loại bỏ DOM là một bước quan trọng trong quá trình xử lý nước uống, nổi bật nhất là vì DOM còn dư trong nước khi kết hợp với clo thì tạo ra sản phẩm phụ khử trùng (DBP). Cũng cần quan tâm trong quá trình xử lý nước uống là DOM tạo ra màu vào nước, tạo ra COD, gây ngẹt cho màng lọc và hoạt động như một chất nền cho sự phát triển của vi sinh vật trong hệ thống phân phối nước. Để làm tăng thêm những lo ngại này, có nghiên cứu cho thấy hàm lượng DOM ngày càng tăng trong nước mặt và nguồn cung cấp nước uống ở nhiều nơi trên thế giới do sự thay đổi của khí hậu và sử dụng đất [1, 2]. Một xu hướng gần đây khác liên quan đến DOM là quan tâm đến việc loại bỏ DOM như một phần của quá trình xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp cho các ứng dụng tái sử dụng nước.

Với tầm quan trọng rộng rãi của việc loại bỏ DOM trong quá trình xử lý nước uống và nước thải, nhiều quá trình loại bỏ hoặc phá hủy vật lý-hóa học đã được nghiên cứu bao gồm keo tụ / tạo bông [3], kết tủa, hấp phụ, tách màng [4], và oxy hóa hóa học [5]. Keo tụ / tạo bông và hấp phụ than hoạt tính là hai trong số các quá trình được nghiên cứu và thực hiện rộng rãi nhất để loại bỏ DOM. Công nghệ màng và trao đổi anion đã nổi lên như một quá trình thay thế cho quá trình keo tụ / tạo bông và hấp phụ than hoạt tính để loại bỏ DOM. Đặc biệt, trao đổi anion được quan tâm như một công nghệ loại bỏ DOM vì nó có thể đạt được mức độ loại bỏ DOM cao, loại bỏ nhiều loại DOM, có thể được áp dụng trong các loại bể phản ứng khác nhau và có thể hoạt động liên tục hoặc gián đoạn. Trong số các loại nhựa và quy trình trao đổi anion khác nhau, nhựa trao đổi ion từ tính (MIEX) là trọng tâm chính của nghiên cứu và thực hành về loại bỏ DOM bằng trao đổi anion từ đầu những năm 2000 [6–10, 11 ••, 12 •].

Mặc dù đã có nhiều bài tổng quan trước đây về các quá trình vật lý-hóa học để loại bỏ DOM như công nghệ keo tụ và màng, nhưng không có bài tổng quan nào trước đây về loại bỏ DOM bằng trao đổi anion hoặc MIEX. Điều này cho thấy một lỗ hổng quan trọng trong tài liệu vì không có sự tổng hợp của kiến ​​thức hiện tại hoặc hiểu biết về nhu cầu cho nghiên cứu trong tương lai. Theo đó, mục tiêu của bài báo này là cung cấp một đánh giá hiện đại về việc sử dụng nhựa MIEX trong xử lý nước uống và nước thải. Các mục tiêu cụ thể của bài báo này là để đánh giá việc xử lý MIEX xem xét:

• (i) removal of DOM from drinking water and wastewater sources / loại bỏ DOM khỏi nguồn nước uống và nước thải
• (ii) removal of inorganic and synthetic organic chemicals / loại bỏ các hóa chất hữu cơ tổng hợp và vô cơ
• (iii) comparison with other anion exchange resins / so sánh với các loại nhựa trao đổi anion khác
• (iv) integration with other physical-chemical processes / tích hợp với các quá trình vật lý-hóa học khác
• (v) needs for future research. / nhu cầu cho nghiên cứu trong tương lai.

Trao đổi ion từ tính được chọn làm phạm vi cho bài báo này vì phần lớn các nghiên cứu về loại bỏ DOM bằng trao đổi anion tập trung vào nhựa MIEX. Do đó, bài viết đánh giá này đã có thể rút ra một lượng tài liệu phong phú trong đó có nhiều loại nước, chất gây ô nhiễm và điều kiện thử nghiệm đã được nghiên cứu cho một loại nhựa trao đổi anion.

2. Background on MIEX / Tổng quan về công nghệ MIEX

MIEX is a commercially available anion exchange resin and an ion exchange process used in drinking water treatment. MIEX resin and its process were developed by the Australian company and research organizations Orica, Commonwealth Scientific Industrial Research Organization, and South Australian Water Corporation. The patents on MIEX resin and the MIEX process were issued in 2001 and 2003, respectively [13••, 14••]. The article by Slunjski et al. gives a useful overview and timeline on the development and commercialization of MIEX [15]. The first full-scale installations of MIEX were at the Mt. Pleasant Water Treatment Plant (2.5 ML/day, 0.66 million gal/day) in South Australia and Wanneroo Groundwater Treatment Plant (112.5 ML/day, 29.7 million gal/day) in Western Australia [15]. In this paper, MIEX resin is used to refer to the specific anion exchange resin, while MIEX treatment is used to describe the continuous flow, completely mixed ion exchange process that uses MIEX resin. Although the main focus of this review article is on a single commercial product/process, the interest in MIEX treatment in the drinking water and wastewater industry has motivated new research and development on alternative magnetic ion exchange resins and novel ion exchange processes. Thus, the knowledge gained on MIEX treatment is generally transferable to DOM removal by magnetic and non-magnetic anion exchange resins in various process configurations for a wide range of water types. / MIEX là một loại nhựa trao đổi anion có bán trên thị trường và một quá trình trao đổi ion được sử dụng trong xử lý nước uống. Nhựa MIEX và quy trình của nó được phát triển bởi công ty Úc và các tổ chức nghiên cứu Orica, Tổ chức Nghiên cứu Công nghiệp Khoa học Khối thịnh vượng chung và Tổng công ty Nước Nam Úc. Các bằng sáng chế về nhựa MIEX và quy trình MIEX được cấp lần lượt vào năm 2001 và 2003 [13 ••, 14 ••]. Bài báo của Slunjski et al. đưa ra một cái nhìn tổng quan hữu ích và dòng thời gian về sự phát triển và thương mại hóa MIEX [15]. Các cài đặt quy mô đầy đủ đầu tiên của MIEX là tại Nhà máy xử lý nước Mt. Pleasant (2,5 ML / ngày, 0,66 triệu gal / ngày) ở Nam Úc và Nhà máy xử lý nước ngầm Wanneroo (112,5 ML / ngày, 29,7 triệu gal / ngày) ở Tây Úc [15]. Trong bài báo này, nhựa MIEX được sử dụng để chỉ nhựa trao đổi anion cụ thể, trong khi xử lý MIEX được sử dụng để mô tả quá trình trao đổi ion liên tục, hỗn hợp hoàn toàn sử dụng nhựa MIEX. Mặc dù trọng tâm chính của bài báo này là về một sản phẩm / quy trình thương mại duy nhất, sự quan tâm đến xử lý MIEX trong ngành nước uống và nước thải đã thúc đẩy nghiên cứu và phát triển mới về nhựa trao đổi ion từ tính thay thế và các quy trình trao đổi ion mới. Do đó, kiến ​​thức thu được về xử lý MIEX nói chung có thể chuyển giao cho việc loại bỏ DOM bằng nhựa trao đổi anion từ tính và không từ tính trong các cấu hình quy trình khác nhau cho nhiều loại nước.

MIEX resin is a magnetically enhanced anion exchange resin that consists of a macroporous polyacrylic bead dispersed with magnetic iron oxide particles. The resin is functionalized with quaternary ammonium (i.e., trimethylamine functional groups) and typically uses chloride as the mobile counterion. The particle size of MIEX resin is approximately 200 μm [16, 17•, 18], which is 2–5 times smaller than conventional anion exchange resins. Because of the small particle size and magnetic component, MIEX resin is used in a completely mixed flow reactor (CMFR) with resin recycle and partial resin regeneration (i.e., the MIEX process or MIEX treatment). At the time the MIEX process was developed, and hence patented [13••], it was a new process configuration for ion exchange resin that had important advantages over the conventional approach of using ion exchange resin in fixed bed reactor as a final polishing step. For instance, MIEX treatment is typically used at the beginning of a treatment train because turbidity does not adversely impact the process. This allows for high reductions in DOC, which decreases subsequent chemical requirements (e.g., coagulants), and improves the performance of downstream processes (e.g., membranes). / Nhựa MIEX là một loại nhựa trao đổi anion được tăng cường từ tính bao gồm một hạt polyacrylic macroporous được phân tán với các hạt oxit sắt từ tính. Nhựa có chức năng với amoni bậc bốn (tức là nhóm chức trimetylamin) và thường sử dụng clorua làm chất phản ứng di động. Kích thước hạt của nhựa MIEX xấp xỉ 200 μm [16, 17 •, 18], nhỏ hơn 2–5 lần so với nhựa trao đổi anion thông thường. Do kích thước hạt nhỏ và thành phần từ tính, nhựa MIEX được sử dụng trong lò phản ứng dòng hỗn hợp hoàn toàn (CMFR) với quá trình tái chế nhựa và tái sinh một phần nhựa (tức là quy trình MIEX hoặc công nghệ xử lý MIEX). Vào thời điểm quy trình MIEX được phát triển và do đó đã được cấp bằng sáng chế [13 ••], đây là một cấu hình quy trình mới cho nhựa trao đổi ion có những ưu điểm quan trọng so với cách tiếp cận thông thường là sử dụng nhựa trao đổi ion trong lò phản ứng giường cố định như bước đánh bóng cuối cùng . Ví dụ, xử lý MIEX thường được sử dụng khi bắt đầu quá trình xử lý vì độ đục không ảnh hưởng xấu đến quá trình. Điều này cho phép giảm DOC cao, làm giảm các yêu cầu hóa chất tiếp theo (ví dụ, chất đông tụ) và cải thiện hiệu suất của các quá trình hạ nguồn (ví dụ, màng lọc).

An interesting side note on MIEX resin is the limited extent by which the role of magnetic iron oxide on resin behavior has been investigated. In the patent for MIEX resin [14••], it describes the preparation process for magnetic polymer beads using γ-Fe2O3 (maghemite). It mentions in the patent that one of the advantages of magnetic resin is the magnetic attraction or separation of the beads; however, no data are provided to support this. In the patent, it also mentions that adding solid particles, such as maghemite, to polymer beads will increase the density and weight of the beads. In the patent for the MIEX process [13••], it describes key steps in the process such agglomeration of magnetic particles and the rapid settling of dense magnetic polymer beads; however, no data are provided to illustrate these steps. In the peer-reviewed literature, Jha et al. were the first to investigate the magnetic properties of MIEX resin and use a magnetic reactor [16]. The authors reported that MIEX resin had a saturation magnetization of 17 emu/g and behaved “paramagnetically with negligible remnant magnetization in the absence of a magnetic field” [16]. These results do not agree with magnetic polymer beads containing magnetic particles such as maghemite [14••], which is ferrimagnetic [19]. Indarawis and Boyer investigated the magnetic properties of magnetically enhanced cation exchange resin from Orica Watercare, which was assumed to be produced in a similar manner as MIEX resin [14••], and suggested that cationic MIEX resin contained magnetite [20], which is more consistent with the patented process for MIEX resin. In summary, the magnetic characteristics and behavior of MIEX resin remains an open research question. / Một lưu ý phụ thú vị về nhựa MIEX là mức độ hạn chế mà vai trò của oxit sắt từ tính đối với hoạt động của nhựa đã được nghiên cứu. Trong bằng sáng chế cho nhựa MIEX [14 ••], nó mô tả quy trình chuẩn bị cho các hạt polyme từ tính sử dụng γ-Fe2O3 (maghemite). Nó đề cập trong bằng sáng chế rằng một trong những lợi thế của nhựa từ tính là lực hút hoặc tách từ tính của các hạt; tuy nhiên, không có dữ liệu nào được cung cấp để hỗ trợ điều này. Trong bằng sáng chế, nó cũng đề cập rằng việc thêm các hạt rắn, chẳng hạn như maghemite, vào các hạt polyme sẽ làm tăng mật độ và trọng lượng của các hạt. Trong bằng sáng chế cho quy trình MIEX [13 ••], nó mô tả các bước chính trong quy trình như sự kết tụ của các hạt từ tính và sự lắng nhanh của các hạt polyme từ tính dày đặc; tuy nhiên, không có dữ liệu nào được cung cấp để minh họa các bước này. Trong tài liệu được bình duyệt, Jha et al. là những người đầu tiên nghiên cứu tính chất từ ​​tính của nhựa MIEX và sử dụng lò phản ứng từ tính [16]. Các tác giả báo cáo rằng nhựa MIEX có độ từ hóa bão hòa là 17 emu / g và hoạt động “thuận từ với độ từ hóa tàn dư không đáng kể khi không có từ trường” [16]. Những kết quả này không phù hợp với các hạt polyme từ tính có chứa các hạt từ tính như maghemite [14 ••], có tính sắt từ [19]. Indarawis và Boyer đã nghiên cứu các tính chất từ ​​tính của nhựa trao đổi cation được tăng cường từ tính từ Orica Watercare, được cho là được sản xuất theo cách tương tự như nhựa MIEX [14 ••] và cho rằng nhựa MIEX cation có chứa magnetit [20], phù hợp hơn với quy trình được cấp bằng sáng chế cho nhựa MIEX. Tóm lại, các đặc tính và hành vi từ tính của nhựa MIEX vẫn là một câu hỏi nghiên cứu mở.

3. DOM Removal from Drinking Waters Sources / Loại bỏ DOM khỏi các nguồn nước uống
Nhựa MIEX được tạo ra như một quy trình thay thế cho quá trình đông tụ để loại bỏ cacbon hữu cơ hòa tan (DOC) và giảm sự hình thành DBP sau đó khi khử trùng bằng clo. Phần lớn dữ liệu về loại bỏ DOC bằng nhựa MIEX là từ các phép thử jar tests (tương tự như phép thử lọ đông tụ) hoặc phép thử batch tests (tương tự như phép thử hấp phụ than hoạt tính). Ngoài ra còn có dữ liệu về loại bỏ DOC bằng nhựa MIEX từ các thử nghiệm tại nhà máy thí điểm và lắp đặt quy mô đầy đủ [7, 21, 22]. Các nhà nghiên cứu cũng đã phát triển các quy trình thử nghiệm thay thế, chẳng hạn như thử nghiệm nhiều tải lượng xử lý (multiple-loading jar tests) và thử nghiệm cột tầng sôi (fluidized bed column tests), để thử nghiệm các quy trình khác cho nhựa MIEX. Các thử nghiệm MIEX đã được thực hiện bằng cách sử dụng các nguồn nước uống từ khắp nơi trên thế giới, ví dụ: Úc, Trung Quốc, Nhật Bản, Ba Lan, Thổ Nhĩ Kỳ, Anh và Mỹ [6, 8, 9, 23–25]. Hầu hết dữ liệu cho nhựa MIEX là từ tái sinh NaCl với dữ liệu hạn chế từ tái sinh NaHCO3 [18, 21, 26–28].

Thử nghiệm Jar Tests

Thử nghiệm jar tests đã được sử dụng để so sánh nhựa MIEX với keo tụ nhôm sunfat (phèn nhôm) và clorua sắt (phèn sắt) về mặt loại bỏ DOC và độ hấp thụ UV ở 254 nm (UVA254) và giảm trihalomethane (THM) và axit haloacetic (HAA) hình thành cho nhiều loại nguồn nước uống. Thử nghiệm bình thường bao gồm liều nhựa MIEX từ 1–10 mL / L và thời gian trộn từ 5–60 phút. Loại bỏ DOC và giảm tia UVA254 bằng nhựa MIEX thường lớn hơn hoặc bằng loại bỏ bằng phương pháp đông tụ bằng phèn nhôm hoặc phèn sắt. Ví dụ, Drikas et al. cho thấy loại bỏ DOC 64 và 74% bằng nhựa MIEX đối với hai vùng nước thô khác nhau với mức loại bỏ DOC tương ứng là 22–28 và 41–53% bằng phương pháp đông tụ phèn [29]. Sự giảm tia UVA254 theo xu hướng tương tự như việc loại bỏ DOC đối với nhựa MIEX và quá trình đông tụ phèn [29]. Nhiều nhà nghiên cứu sau đó đã cho thấy kết quả tương tự về loại bỏ DOC và UVA254 cao bằng nhựa MIEX [18, 23, 30–37]. Ví dụ, Boyer và Singer cho thấy khả năng loại bỏ DOC và UVA254 bởi nhựa MIEX nhiều hơn so với sự đông tụ phèn qua bốn vùng nước thô khác nhau với mức độ loại bỏ tăng lên khi tia UVA254 (SUVA254) cụ thể của nước thô tăng từ 2,0 lên 3,8 L / mg · m [31]. Đối với nước SUVA254 thấp (2 L / mg · m), nhựa MIEX ưu tiên giảm phần UVA254 của DOM với nước đã qua xử lý SUVA254 là 1,15 L / mg · m và loại bỏ 55% DOC [38]. Tuy nhiên, đối với một số nước thô, sự keo tụ kết hợp với quy trình MIEX cho thấy khả năng loại bỏ DOC và UVA254 nhiều hơn so với chỉ sử dụng hạt nhựa MIEX. Ví dụ, F Fear et al. so sánh đông tụ sắt với nhựa MIEX và cho thấy khả năng loại bỏ DOC và UVA254 bằng đông tụ sắt kết hợp với nhựa trao đổi ion MIEX cao hơn so với chỉ sử dụng nhựa MIEX và sau đó, sự hình thành THM đối với phèn sắt + MIEX được giảm nhiều hơn so với các mẫu chỉ được xử lý MIEX [39]. Nước thô được sử dụng trong F Fear et al. có SUVA254 cao (4,5–5,1 L / mg · m) [39], điều này làm cho DOC có thể đông tụ và có thể giải thích hiệu suất keo tụ + MIEX tốt hơn so với chỉ sử dụng nhựa MIEX.

Nhựa MIEX cũng đã được thử nghiệm để loại bỏ DOC từ dòng cô đặc của màng lọc nano (NF) và màng thẩm thấu ngược (RO) có nguồn gốc từ nước ngầm có hàm lượng DOC cao. Trong khi liều nhựa MIEX 0,5–5 mL / L thường được sử dụng cho các nguồn nước uống [6, 31, 39], NF và RO cô đặc yêu cầu liều lượng nhựa MIEX theo thứ tự 10–20 mL / L. Ví dụ, loại bỏ DOC từ các chất cô đặc NF / RO khác nhau là 51–87% ở liều nhựa MIEX 20 mL / L [40].

Phần lớn dữ liệu cho nhựa MIEX dựa trên clorua là chất phản ứng di động và NaCl là chất tái sinh. Tuy nhiên, việc thải nước muối NaCl ra cống rãnh, nước tiếp nhận, hoặc cảnh quan có thể gây ra vấn đề về lượng natri và clorua dư thừa. Kết quả là, NaHCO3 đã được nghiên cứu để thay thế cho quá trình tái sinh NaCl. Nhựa MIEX sử dụng clorua hoặc bicacbonat làm chất phản ứng di động cho thấy thứ tự loại bỏ tương tự với UVA254> DOC> sunfat> nitrat và hiệu suất của nhựa không đổi qua ba chu kỳ tái sinh sử dụng tái sinh NaCl hoặc NaHCO3 [26]. Trong một nghiên cứu khác, NaHCO3 cho thấy hiệu suất tái sinh thấp hơn một chút so với NaCl qua 21 chu kỳ tái sinh với 69 ± 8% DOC loại bỏ bằng nhựa MIEX dạng bicacbonat và loại bỏ 74 ± 6% DOC bằng nhựa dạng clorua [18].

Nhựa MIEX thường loại bỏ phạm vi rộng hơn của DOC về tính chất kỵ nước và trọng lượng phân tử so với quá trình đông tụ và hấp phụ than hoạt tính, trong khi quá trình đông tụ nhắm vào các phần kỵ nước, trọng lượng phân tử cao của DOC [29, 41] và sự hấp phụ than hoạt tính dạng bột (PAC) nhằm mục tiêu ưa nước, các phần phân tử lượng thấp của DOC [42, 43 •]. Ví dụ, Boyer và Singer cho thấy việc loại bỏ tương tự các phân đoạn axit kỵ nước, axit trung tính và axit ưa nước của DOC bằng nhựa MIEX [31], và Humbert et al. cho thấy rằng nhựa MIEX đã loại bỏ cả phần khối lượng phân tử biểu kiến ​​thấp và cao của DOM [33]. Những người khác đã chỉ ra rằng nhựa MIEX ưu tiên loại bỏ các phần trong suốt và ưa nước của DOM liên quan đến sự hấp phụ PAC [42], và nhựa MIEX loại bỏ một loạt các phần trọng lượng phân tử biểu kiến ​​của DOM hơn so với PAC hoặc sự đông tụ phèn [43 •].

Fearing, David A. Ph.D. Thesis, Supervisor: Dr. S.A. Parsons, (2004) Process Options for the Treatment of Humic Rich Waters, Cranfield University School of Water Sciences

Clo hóa các mẫu nước sau khi xử lý MIEX thường cho thấy mức giảm THM và HAAs cao [29] và giảm THM nhiều hơn HAA so với đông tụ [29, 37]. Ví dụ, Singer và Bilyk cho thấy mức giảm THM từ 71–84% khi xử lý MIEX đối với một số nguồn nước uống khác nhau và mức giảm HAA tương tự như THM [6]. Ngoài ra, clo hóa các mẫu xử lý MIEX cho thấy sự hình thành HAA thấp hơn so với các mẫu đông tụ bằng phèn [6]. Vì nhựa MIEX đạt được khả năng loại bỏ các phần trung tính và ưa nước của DOM nhiều hơn PAC, khi khử trùng bằng clo, các mẫu được xử lý MIEX dẫn đến việc hình thành THM và HAAs thấp hơn PAC [42].

4. Pilot Plant Tests and Full-Scale Installations / Thử nghiệm nhà máy thí điểm và lắp đặt quy mô đầy đủ sử dụng công nghệ MIEX®

Các thử nghiệm nhà máy thí điểm MIEX và lắp đặt quy mô đầy đủ đã xác nhận nhiều kết quả từ các thử nghiệm Jar Test bằng công nghệ MIEX. Ví dụ, một nghiên cứu thử nghiệm tại nhà máy lắp đặt công nghệ MIEX cho thấy việc loại bỏ DOC ngày càng tăng khi tăng liều lượng nhựa [21], đây là một khái niệm được tạo ra để so sánh kết quả thử nghiệm jar test với quy trình MIEX hỗn hợp hoàn toàn và dòng chảy liên tục. Ví dụ, một nhà máy thí điểm MIEX hoạt động với 20 mL / L nhựa MIEX và tỷ lệ tái sinh 10% tương ứng với liều nhựa hiệu quả là 2 mL / L [21], sẽ thực hiện tương tự như liều thử nghiệm lọ 2 mL / L Nhựa trao đổi ion MIEX. Nghiên cứu thử nghiệm tại nhà máy MIEX của Boyer và Singer là nghiên cứu đầu tiên cho thấy rằng việc tăng nồng độ sunfat trong nước thô dẫn đến việc loại bỏ DOC thấp hơn bởi nhựa MIEX và cho thấy DOC thu hồi trong quá trình tái sinh xấp xỉ bằng DOC được loại bỏ trong quá trình xử lý [21] . Các thử nghiệm khác của nhà máy thử nghiệm MIEX đã đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện vận hành quy trình (nồng độ nhựa, thời gian tiếp xúc và tần suất tái sinh) và chất lượng nước thô đối với việc loại bỏ DOC bằng nhựa MIEX [44, 45]. Các thử nghiệm tại nhà máy thí điểm cũng đã được sử dụng để đánh giá trình tự xử lý MIEX với các quy trình khác, ví dụ, MIEX trước bộ lọc sinh học than hoạt tính dạng hạt (GAC) [46], trong nghiên cứu cũng được gọi là bộ lọc than hoạt tính sinh học (BAC) .

Tính mới của quy trình MIEX kết hợp với cam kết thời gian lớn hơn của các thử nghiệm tại nhà máy thí điểm so với các thử nghiệm Jar test đã thúc đẩy sự phát triển của quy trình công nghệ MIEX. Mô hình được phát triển để mô tả loại bỏ DOC bằng nhựa MIEX trong CMFR với tái chế nhựa và tái sinh một phần nhựa [17]. Khía cạnh mới của mô hình là theo dõi sự phân bố tuổi phát triển của các hạt nhựa MIEX trong lò phản ứng cho các tần số tái sinh khác nhau. Kết quả mô hình cho thấy sự phù hợp tốt với các nghiên cứu thử nghiệm cây trồng trước đây [17]. Mô hình được phát triển để mô tả quá trình MIEX cũng được mở rộng để mô tả quá trình trao đổi ion tầng sôi, trong đó cả quá trình MIEX và lò phản ứng tầng sôi có thể được tóm tắt về liều lượng nhựa hiệu quả và thời gian lưu trú chất rắn [47 ].

Researchers have evaluated the world’s first large-scale MIEX installation at the Wanneroo Groundwater Treatment Plant, Perth, Australia, to compare MIEX, MIEX followed by alum coagulation (hereafter MIEX/coagulation), and enhanced alum coagulation in terms of removal of DOC and its apparent molecular weight fractions from size exclusion chromatography [7, 22]. The general order of decreasing DOC removal was MIEX/coagulation > enhanced coagulation > MIEX, with enhanced coagulation being the most effective for removal of high apparent molecular weight fractions of DOM and MIEX resin removing medium range apparent molecular weight fractions of DOM [7]. These trends were observed to vary with season due to changes in the concentration and character of DOM [22]. Singer et al. synthesized data from MIEX jar tests, pilot plant tests, and full-scale installations and showed that DOC removal increased as SUVA254 increased at a constant MIEX resin dose where the resin dose included the jar test dose and the effective resin dose from pilot plant tests and full-scale installations [48]. / Các nhà nghiên cứu đã đánh giá việc lắp đặt MIEX quy mô lớn đầu tiên trên thế giới tại Nhà máy xử lý nước ngầm Wanneroo, Perth, Australia, để so sánh MIEX, MIEX tiếp theo là đông tụ phèn (sau đây gọi là MIEX / coagulation) và tăng cường đông tụ phèn về mặt loại bỏ DOC và phần trọng lượng phân tử biểu kiến ​​từ sắc ký loại trừ kích thước [7, 22]. Thứ tự chung của việc giảm loại bỏ DOC là MIEX / đông tụ > đông tụ tăng cường > MIEX, với đông tụ tăng cường là hiệu quả nhất để loại bỏ các phần có khối lượng phân tử biểu kiến ​​cao của nhựa DOM và MIEX loại bỏ các phần khối lượng phân tử biểu kiến ​​trong khoảng trung bình của DOM [7]. Các xu hướng này được quan sát thấy thay đổi theo mùa do những thay đổi về nồng độ và đặc tính của DOM [22]. Ca sĩ và cộng sự. dữ liệu tổng hợp từ các thử nghiệm bình MIEX, thử nghiệm nhà máy thí điểm và lắp đặt quy mô đầy đủ và cho thấy rằng việc loại bỏ DOC tăng lên khi SUVA254 tăng ở liều lượng nhựa MIEX không đổi trong đó liều lượng nhựa bao gồm liều lượng thử nghiệm jar test và liều lượng nhựa hiệu quả từ các thử nghiệm lắp đặt quy mô đầy đủ [48].

5. Multiple-Loading Jar Tests / Kiểm tra Jar Test với nhiều tải lượng thử nghiệm công nghệ MIEX

Các nhà nghiên cứu đã phát triển các quy trình thử nghiệm thay thế trong phòng thí nghiệm để bắt chước tốt hơn quy trình MIEX hỗn hợp hoàn toàn liên tục. Đặc biệt, quy trình thử nghiệm nhiều bình nạp sử dụng cùng một lô nhựa để xử lý nhiều lô nước thô. Bằng cách thực hiện theo quy trình này, loại bỏ DOC bằng nhựa MIEX có thể được biểu thị bằng số lượng thể tích lớp nhựa được xử lý, đại diện cho quy trình MIEX quy mô đầy đủ hơn. Ví dụ, Kitis et al. cho thấy loại bỏ 29–39% DOC sau 1200 thể tích nước tầng cố định (bed volumes) xử lý bằng công nghệ MIEX [23]. Mergen và cộng sự. đã áp dụng quy trình nạp nhiều lần cho ba loại nước khác nhau và cho thấy rằng nhựa MIEX thể hiện khả năng loại bỏ DOC ưa nước một cách nhất quán, trong khi việc loại bỏ DOC kỵ nước giảm dần khi số lượng tầng xử lý ngày càng tăng [8]. Các tác giả kết luận rằng cách tiếp cận nhiều tải cho một dấu hiệu thực tế hơn về việc loại bỏ DOC bằng nhựa MIEX. Xử lý MIEX theo quy trình nhiều tải cũng được áp dụng cho các hợp chất hữu cơ mô hình và cho thấy xu hướng chung là loại bỏ các loại anion kỵ nước và ưa nước cao hơn các loại trung tính ưa nước [49]. Quy trình thử nghiệm jar test nhiều tải đã được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ trong đó không có sự khác biệt đáng kể trong việc loại bỏ DOC bằng nhựa MIEX ở 1 và 20 ° C [50]. Xử lý MIEX nhiều tải (600 thể tích tầng) nước sông và nước thải bị ảnh hưởng dẫn đến giảm 39–87% UVA254, DOC, THM4 và HAA9, giảm 10–33% sự hình thành halonitromethane và tăng sự hình thành NDMA trong nước thải các mẫu bị tác động [10, 51 ••]. Đây là những kết quả đầu tiên cho thấy sự giảm hình thành THM và HAA bằng cách sử dụng phương pháp đa tải và phù hợp với kết quả từ các thử nghiệm Jar test bằng MIEX.

Pilot thử nghiệm dự án tại Australia

6. DOM Removal from Wastewater / Loại bỏ DOM khỏi nước thải bằng công nghệ MIEX

Given the effectiveness of using MIEX resin to remove DOC from raw drinking water, MIEX resin has been applied to biologically treated wastewater effluent and other waste streams. For example, MIEX resin showed similar removal of hydrophobic, transphilic, and hydrophilic fractions of DOC from biologically treated wastewater effluent and maintained a consistent level of DOC removal over 10 regeneration cycles [52]. In follow-up work, MIEX, MIEX/coagulation, coagulation, and PAC were investigated as pretreatments to reduce fouling on microfiltration (MF) membranes [27, 53, 54]; MIEX pretreatment showed only minor reductions in membrane fouling. In a different study, MIEX resin was used to remove DOC from tertiary treated wastewater effluent, and the results showed almost complete removal of the organic acid fraction of DOM and substantial decrease in fouling on MF and ultrafiltration (UF) membranes [55]. MIEX resin was compared with polyaluminum chloride (PACl) coagulation of secondary wastewater effluent, and MIEX resin showed preferential removal of low molecular weight organic acids, whereas PACl coagulation showed preferential removal of high molecular weight biopolymers [56]. Both MIEX and PACl showed minor reductions in MF fouling. In another study, MIEX resin was used in a fluidized bed reactor to treat synthetic wastewater effluent and showed 60 % DOC removal up to 172 bed volumes [57], which is comparable to DOC removal as drinking water treatment but 10 times lower than the throughput volume [8, 23]. MIEX resin has also been tested to treat secondary wastewater effluent in preparation for aquifer recharge. MIEX resin showed statistically significant reductions in DOC, UVA254, color, total nitrogen, nitrate, total phosphate, and sulfate in the secondary effluent [58]. In a related study, treatment of secondary wastewater effluent before soil aquifer treatment showed DOC removal trend of NF > MIEX > ozone ≈ UF [59]; however, ozonation made the wastewater more amenable to soil aquifer treatment than MIEX because ozone increased the biodegradability of DOC. / Với hiệu quả của việc sử dụng nhựa MIEX để loại bỏ DOC khỏi nước uống thô, nhựa MIEX đã được ứng dụng cho nước thải xử lý sinh học và các dòng thải khác. Ví dụ, nhựa MIEX cho thấy khả năng loại bỏ tương tự các phần kỵ nước, trung tính và ưa nước của DOC từ nước thải được xử lý sinh học và duy trì mức độ loại bỏ DOC nhất quán trong 10 chu kỳ tái sinh [52]. Trong nghiên cứu tiếp theo, MIEX, MIEX / coagulation, coagulation, và PAC đã được nghiên cứu là tiền xử lý để giảm tắc nghẽn trên màng vi lọc (MF) [27, 53, 54]; Tiền xử lý MIEX chỉ cho thấy giảm thiểu tắc nghẽn màng. Trong một nghiên cứu khác, nhựa MIEX được sử dụng để loại bỏ DOC khỏi nước thải đã qua xử lý bậc ba, và kết quả cho thấy loại bỏ gần như hoàn toàn phần axit hữu cơ của DOM và giảm đáng kể sự bám bẩn trên màng MF và siêu lọc (UF) [55]. Nhựa MIEX được so sánh với keo tụ polyalumin clorua (PAC) của nước thải thứ cấp, và nhựa MIEX cho thấy ưu tiên loại bỏ các axit hữu cơ trọng lượng phân tử thấp, trong khi đông tụ PACl cho thấy ưu tiên loại bỏ các chất tạo phân tử sinh học có trọng lượng phân tử cao [56]. Cả MIEX và PACl đều cho thấy giảm thiểu vi phạm MF. Trong một nghiên cứu khác, nhựa MIEX được sử dụng trong lò phản ứng tầng sôi để xử lý nước thải tổng hợp và cho thấy loại bỏ 60% DOC lên đến 172 thể tích tầng lọc [57], tương đương với loại bỏ DOC như xử lý nước uống nhưng thấp hơn 10 lần so với lưu lượng tập [8, 23]. Nhựa MIEX cũng đã được thử nghiệm để xử lý nước thải thứ cấp để chuẩn bị cho quá trình nạp lại tầng chứa nước. Nhựa MIEX cho thấy sự giảm đáng kể có ý nghĩa thống kê về DOC, UVA254, màu, tổng nitơ, nitrat, tổng photphat và sunfat trong nước thải thứ cấp [58]. Trong một nghiên cứu liên quan, xử lý nước thải thứ cấp trước khi xử lý tầng chứa nước trong đất cho thấy xu hướng loại bỏ DOC của NF> MIEX> ozone ≈ UF [59]; tuy nhiên, quá trình ozon hóa làm cho nước thải dễ xử lý tầng chứa nước hơn MIEX vì ozone làm tăng khả năng phân hủy sinh học của DOC.

Other waste streams that have treated using MIEX resin include greywater [60] and landfill leachate [61–63]. For example, the removal preference of MIEX resin for various components of landfill leachate was color > UVA254 > DOC ≈ chemical oxygen demand (COD) > biochemical oxygen demand (BOD) ≈ total nitrogen (TN) where MIEX resin showed minimal removal of BOD and TN [61]. / Các dòng chất thải khác đã được xử lý bằng nhựa MIEX bao gồm nước xám [60] và nước rỉ bãi rác [61–63]. Ví dụ, ưu tiên loại bỏ nhựa MIEX đối với các thành phần khác nhau của nước rỉ bãi rác là màu> UVA254> nhu cầu oxy hóa học DOC (COD)> nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) ≈ tổng nitơ (TN) trong đó nhựa MIEX cho thấy loại bỏ BOD tối thiểu và TN [61].

7. Regeneration Efficiency / Hiệu quả tái sinh hạt nhựa MIEX

Cho rằng MIEX là một quá trình trao đổi anion, đáng ngạc nhiên là có ít hơn đáng kể các nghiên cứu được công bố về tái tạo và giải hấp thu so với loại bỏ chất gây ô nhiễm, đặc biệt là đối với DOM. Hầu hết các nghiên cứu đánh giá khả năng tái sinh của nhựa MIEX đều theo dõi hiệu quả loại bỏ DOC qua một số chu kỳ tái sinh [27, 57, 61]. Những nghiên cứu này cho thấy nhựa MIEX có thể được tái sinh hiệu quả bằng cách sử dụng NaCl như được chỉ ra bởi mức độ loại bỏ DOC nhất quán qua nhiều chu kỳ tái sinh. Là một chất thay thế cho NaCl, NaHCO3 cũng đã được đánh giá về khả năng tái sinh nhựa MIEX và thường cho thấy hiệu suất tái sinh thấp hơn NaCl khi đo bằng cách loại bỏ DOC [18, 26, 64]. Các phương pháp tiếp cận khác đã được sử dụng để đánh giá sự tái sinh và giải hấp bao gồm cân bằng khối lượng và tính toán phân tích. Ví dụ, ở cấp độ quy trình, các tính toán cân bằng khối lượng được thực hiện như một phần của nghiên cứu nhà máy thí điểm MIEX cho thấy DOC loại bỏ trong quá trình xử lý ngang bằng với DOC thu hồi trong quá trình tái sinh [21]. Ở quy mô cơ chế, sự loại bỏ DOC bằng nhựa MIEX được chứng minh là tương đương với sự giải phóng clorua trên cơ sở nồng độ tương đương, do đó xác nhận phép đo phân trao đổi ion [65, 66]. Nhìn chung, có dữ liệu hỗ trợ nhất quán trong tài liệu rằng nhựa MIEX được tái sinh hiệu quả bằng cách sử dụng NaCl và ở mức độ thấp hơn là NaHCO3, và có thể được sử dụng cho nhiều chu kỳ xử lý.

8. Removal of Inorganic and Synthetic Organic Chemicals / Loại bỏ các hóa chất hữu cơ vô cơ và tổng hợp bằng công nghệ MIEX®

Inorganic Chemicals / Hóa chất vô cơ

Mặc dù trọng tâm của bài đánh giá này là loại bỏ DOM bằng nhựa MIEX, nhưng cũng nên xem xét việc loại bỏ các hóa chất hữu cơ tổng hợp và vô cơ bằng nhựa MIEX do các cân nhắc như đồng loại bỏ DOM và các chất gây ô nhiễm khác và tác động của các chất gây ô nhiễm khác về việc loại bỏ DOM. Đồng loại bỏ bromua và DOC bằng cách sử dụng nhựa MIEX đã được nhiều nhà nghiên cứu nghiên cứu do cơ hội loại bỏ cả tiền chất hữu cơ và vô cơ dẫn đến các DBP hữu cơ halogen hóa. Tuy nhiên, hiệu quả của nhựa MIEX để loại bỏ cả bromua và DOC đã cho thấy các kết quả khác nhau. Tùy thuộc vào nguồn nước và liều lượng nhựa MIEX, loại bỏ bromua bằng nhựa MIEX có thể thay đổi từ> 90 đến <10% [6, 25, 31–33, 41]. Tuy nhiên, giải thích về khả năng loại bỏ bromua khác nhau của nhựa MIEX thường thiếu từ cuộc thảo luận về kết quả. Johnson và Singer đã nghiên cứu một cách có hệ thống việc loại bỏ bromua bằng nhựa MIEX bằng cách cho nước tự nhiên thô vào bromua và cho thấy sự loại bỏ bromua ngày càng tăng khi tăng liều nhựa MIEX và giảm loại bỏ bromua khi tăng độ kiềm [32]. Tác động bất lợi của độ kiềm đối với việc loại bỏ bromua cho thấy sự cạnh tranh giữa bicacbonat và bromua cho các vị trí trao đổi trên nhựa vì bicacbonat có ở nồng độ cao hơn bromua vài bậc. Những người khác cũng đã báo cáo khả năng loại bỏ bromua cao hơn bằng nhựa MIEX trong nước có độ kiềm thấp hơn so với nước có độ kiềm cao hơn [31, 33, 67 ••], với thứ tự ngày càng cạnh tranh với bromua là clorua <bicacbonat / cacbonat <sunfat [68]. Ngược lại với kết quả đối với bromua, việc tăng độ kiềm không ảnh hưởng đến việc loại bỏ iodua bằng nhựa MIEX [67 ••]. Nhựa MIEX cho thấy việc loại bỏ bromua tương tự bằng cách sử dụng clorua hoặc bicacbonat làm chất phản ứng di động [18]. Ngoài sự cạnh tranh giữa bromua, DOC và các anion vô cơ khác, thành phần polyme của nhựa MIEX làm cho nó ít được lựa chọn hơn để loại bỏ bromua. Nhựa trao đổi anion polystyrene đã được chứng minh là loại bỏ lượng bromide lớn hơn so với nhựa polyacrylic MIEX, trong khi nhựa MIEX loại bỏ lượng DOC nhiều hơn so với nhựa polystyrene [69].

Nhựa MIEX cũng đã được nghiên cứu để loại bỏ các anion vô cơ khác bao gồm sulfat [18, 33], nitrat [26, 33], photphat [70, 71], crom (VI) [16], asen (V) [16], iodide [67 ••] và perchlorate [72, 73], một số có thể cạnh tranh với DOM cho các vị trí trao đổi trên nhựa MIEX. Mức độ loại bỏ các hóa chất vô cơ phụ thuộc vào nồng độ hóa chất ban đầu, liều lượng nhựa MIEX và các loài cạnh tranh. Ví dụ, ở nồng độ hóa chất vô cơ ban đầu cao, việc loại bỏ nhựa MIEX có thể bị hạn chế bởi khả năng trao đổi ion, đặc biệt đối với nước hoặc nước thải có nồng độ sunfat cao [40]. Tính chọn lọc của nhựa MIEX đối với DOM và các anion vô cơ là sunfat> DOM> bromua ≈ nitrat> bicacbonat ≈ clorua [65, 66], trong đó một số phần của DOM có độ chọn lọc tương đương với sunfat, trong khi các phần khác của DOM ít được ưu tiên hơn nhiều so với sunfat. Vị trí của photphat, iotua và peclorat trong trình tự chọn lọc đối với nhựa MIEX rất khó ước tính do các điều kiện thí nghiệm khác nhau. Một ước tính hợp lý dựa trên các tài liệu trước đây là sunfat> perchlorate ≈ DOM> iodide> bromide ≈ nitrate> phosphate> bicarbonate ≈ chloride.

Synthetic Organic Chemicals / Hóa chất hữu cơ tổng hợp

Nhựa MIEX đã được nghiên cứu để loại bỏ nhiều loại hóa chất hữu cơ tổng hợp bao gồm dược phẩm và thuốc trừ sâu. Các nhóm chức có trong các hóa chất hữu cơ tổng hợp làm cho các hóa chất này có thể trao đổi anion là các nhóm chức giống nhau có trong DOM cho phép trao đổi anion [65, 74]. Đối với các hóa chất anion, chẳng hạn như bentazone và axit 2,4-dichlorophenoxyacetic [74–76], nhựa MIEX cho thấy khả năng loại bỏ cao lên đến 99%, trong khi đối với các hóa chất không ion, chẳng hạn như atrazine và isoproturon, nhựa MIEX cho thấy khả năng loại bỏ không đáng kể [33 ]. Nhựa MIEX loại bỏ khoảng 40% estrone ở pH 8 (phân tử trung tính) và loại bỏ tăng lên khoảng 70% ở pH 12 nơi estrone mang điện tích âm [77]. Nhựa MIEX cho thấy loại bỏ 0–48% 15 loại dược phẩm thường được phát hiện và các sản phẩm chăm sóc cá nhân với khả năng loại bỏ cao hơn được quan sát thấy đối với các loài tích điện âm [78]. Những kết quả này theo trực tiếp từ cơ chế trao đổi ion như Liu et al. cho bentazone [75] và thảo luận trong phần tiếp theo cho DOM. Ngược lại với các kết quả trước đó, việc loại bỏ tetrabromobisphenol A bằng nhựa MIEX giảm khi pH tăng [79], điều này không được mong đợi vì tetrabromobisphenol A trung tính ở pH <7,5 và tích điện âm ở pH> 7,5. Các kết quả trái ngược đối với tetrabromobisphenol A có thể do độ hòa tan thấp và sai số phân tích ở pH axit [80].

9. Comparison with Other Anion Exchange Resins / So sánh nhựa MIEX® với các loại nhựa trao đổi Anion khác

MIEX resin and conventional anion exchange resins behave by the same mechanism of removal, which is stoichiometric exchange between the chloride counterion and carboxylic acid functional groups of DOM [65]. As a result, when the dose of MIEX resin and conventional anion exchange resins are normalized to the same ion exchange capacity, MIEX resin and non-magnetic polyacrylic anion exchange resins show similar levels of DOC removal and greater DOC removal than polystyrene resin [65]. It is important to note that the previous results apply to mixing times on the order of hours to days. At short mixing times on the order of minutes, MIEX resin shows a faster rate of DOC removal than conventional anion exchange resins [33, 37]. MIEX resin was compared with six other commercially available strong-base anion exchange resins, which are marketed for organics removal, and showed faster and greater reductions in UVA254 from 5 to 30 min [12•]. As mixing times approach hours, MIEX resin showed similar DOC removal as other polyacrylic resins and some polystyrene resins [25]. This was especially true when MIEX resin was compared with PFA444 resin (strong-base, gel, polystyrene) using a two-stage countercurrent configuration where both resins showed similar removals of DOC [12•]. MIEX resin showed the lowest removal of bromide among a variety of polyacrylic and polystyrene anion exchange resins [25]. However, when comparing MIEX resin to conventional anion exchange resins for removal of inorganic anions, it is important to consider that MIEX resin has a lower strong-base anion exchange capacity, e.g., 0.52 meq/mL MIEX resin and 1.4 meq/mL IRA400 resin. Multiple-loading jar tests were used to compare MIEX resin and DOWEX 11 resin (strong-base, polystyrene) with respect to DOC and sulfate removal in low- and high-sulfate waters. DOC removal by both resins was similar in each water with higher DOC removal in the low sulfate water [81]. The most notable difference between MIEX resin and DOWEX 11 resin was the greater sulfate removal by DOWEX 11 resin [81]. High removal of sulfate is usually not a water treatment objective, so the higher loading of sulfate on DOWEX 11 resin could lead to loss of ion exchange capacity over multiple regeneration cycles. MIEX resin was compared with two strong-base, polystyrene resins with biquaternary ammonium functional groups (i.e., triethylamine and trihexylamine). All three resins showed similar removal of perchlorate in the absence of competing anions; however, perchlorate removal by MIEX resin in the presence of sulfate was reduced from 87 to 31–49 %, whereas the presence of sulfate did not affect perchlorate removal by the other biquaternary ammonium resins [73]. This is because larger spaced quaternary ammonium functional groups, such as triethyl- and trihexylamine, are more selective for monovalent anions over divalent anions than closely spaced trimethylamine functional groups in MIEX resin [82]. / Nhựa MIEX và nhựa trao đổi anion thông thường hoạt động theo cùng một cơ chế loại bỏ, đó là sự trao đổi phân vị giữa các nhóm chức phản ứng clorua và axit cacboxylic của DOM [65]. Kết quả là, khi liều lượng của nhựa MIEX và nhựa trao đổi anion thông thường được chuẩn hóa đến cùng khả năng trao đổi ion, thì nhựa MIEX và nhựa trao đổi anion polyacrylic không từ tính cho thấy mức độ loại bỏ DOC của nhựa MIEX tương tự và loại bỏ DOC nhiều hơn so với nhựa polystyrene [65] . Điều quan trọng cần lưu ý là các kết quả trước đó áp dụng cho thời gian trộn theo thứ tự từ giờ đến ngày. Ở thời gian trộn ngắn theo thứ tự vài phút, nhựa MIEX cho thấy tốc độ loại bỏ DOC nhanh hơn so với nhựa trao đổi anion thông thường [33, 37]. Nhựa MIEX được so sánh với sáu loại nhựa trao đổi anion gốc mạnh khác có sẵn trên thị trường, được bán trên thị trường để loại bỏ chất hữu cơ, và cho thấy khả năng giảm tia UVA254 nhanh hơn và nhiều hơn từ 5 đến 30 phút [12 •]. Khi thời gian trộn gần hàng giờ, nhựa MIEX cho thấy khả năng loại bỏ DOC tương tự như các loại nhựa polyacrylic khác và một số loại nhựa polystyrene [25]. Điều này đặc biệt đúng khi nhựa MIEX được so sánh với nhựa PFA444 (nền mạnh, gel, polystyrene) bằng cách sử dụng cấu hình ngược dòng hai giai đoạn trong đó cả hai loại nhựa đều cho thấy sự loại bỏ DOC tương tự nhau [12 •]. Nhựa MIEX cho thấy khả năng loại bỏ bromide thấp nhất trong số nhiều loại nhựa trao đổi anion polyacrylic và polystyrene [25]. Tuy nhiên, khi so sánh nhựa MIEX với nhựa trao đổi anion thông thường để loại bỏ các anion vô cơ, điều quan trọng là phải xem xét rằng nhựa MIEX có khả năng trao đổi anion gốc mạnh thấp hơn, ví dụ: 0,52 meq / mL nhựa MIEX và 1,4 meq / mL nhựa IRA400 . Các thử nghiệm lọ nhiều tải được sử dụng để so sánh nhựa MIEX và nhựa DOWEX 11 (nền mạnh, polystyrene) về khả năng loại bỏ DOC và sunfat trong nước có hàm lượng sunfat thấp và cao. Việc loại bỏ DOC của cả hai loại nhựa là tương tự nhau trong mỗi loại nước với loại bỏ DOC cao hơn trong nước có hàm lượng sunfat thấp [81]. Sự khác biệt đáng chú ý nhất giữa nhựa MIEX và nhựa DOWEX 11 là khả năng loại bỏ sunfat nhiều hơn bởi nhựa DOWEX 11 [81]. Loại bỏ sunfat cao thường không phải là mục tiêu xử lý nước, vì vậy lượng sunfat cao hơn trên nhựa DOWEX 11 có thể dẫn đến mất khả năng trao đổi ion qua nhiều chu kỳ tái sinh. Nhựa MIEX được so sánh với hai loại nhựa polystyrene gốc mạnh có nhóm chức amoni bậc hai (tức là triethylamine và trihexylamine). Cả ba loại nhựa đều cho thấy khả năng loại bỏ peclorat tương tự nhau khi không có các anion cạnh tranh; tuy nhiên, việc loại bỏ perchlorate bằng nhựa MIEX với sự có mặt của sulfate đã giảm từ 87 xuống 31–49%, trong khi sự hiện diện của sulfate không ảnh hưởng đến việc loại bỏ perchlorate bởi các loại nhựa amoni bậc hai khác [73]. Điều này là do các nhóm chức amoni bậc bốn có khoảng cách lớn hơn, chẳng hạn như trietyl- và trihexylamine, được chọn lọc nhiều hơn đối với các anion đơn hóa trị hơn anion hóa trị hai hơn là các nhóm chức trimetylamin có khoảng cách gần nhau trong nhựa MIEX [82].

10. Integration with Physical-Chemical Processes / Tích hợp với các quá trình hóa lý với công nghệ MIEX

10.1. Coagulation / Quá trình keo tụ

Một trong những ưu điểm chính của nhựa MIEX là tiền xử lý để keo tụ, nhờ đó liều lượng chất đông tụ có thể giảm 50–75% [6, 88, 89]. Việc giảm nhu cầu chất đông tụ sau khi tiền xử lý MIEX được quan sát thấy trong các thử nghiệm dạng jar test đã được xác nhận trong các thử nghiệm tại nhà máy thí điểm và lắp đặt quy mô đầy đủ [90]. Tiền xử lý MIEX dẫn đến giảm chi phí chất keo tụ và giảm lượng cặn cần thải bỏ. Quá trình clo hóa các mẫu MIEX / đông tụ kết hợp cho thấy nhu cầu clo giảm và sự hình thành THMs và HAAs thấp hơn so với nước đông tụ [21, 29, 89]. Các nhà nghiên cứu cũng chỉ ra rằng floc được hình thành sau quá trình tiền xử lý MIEX lớn hơn và mạnh hơn floc được hình thành trong nước thô tương ứng [91]. Tiền xử lý MIEX tiếp theo là keo tụ cũng đã được sử dụng để loại bỏ nhiều chất gây ô nhiễm như DOC và bromua [41], mặc dù cơ chế loại bỏ bromua bằng keo tụ vẫn chưa được giải thích rõ ràng. Những người khác đã đánh giá lại trình tự của nhựa MIEX và quá trình keo tụ với tác động đến các quá trình hạ nguồn khác. Ví dụ, keo tụ sau khi xử lý MIEX được chứng minh là hiệu quả hơn MIEX đơn thuần về việc giảm tắc nghẽn màng [92]. Là một cách tiếp cận mới cho quá trình keo tụ, sự kết hợp của quá trình oxy hóa manganate, sắt sulfat và nhựa MIEX dẫn đến loại bỏ 92% DOC [93], tương ứng với liều Fe thấp hơn so với thường được sử dụng cho quá trình keo tụ sắt. Keo tụ tiếp theo là xử lý MIEX (tức là keo tụ / MIEX) đã được sử dụng để loại bỏ 62 ± 7% DOC bằng đông tụ và 32 ± 16% bromua, 58 ± 21% iodua, và 5 ± 5% DOC bằng nhựa MIEX [67 •• ]. Tuy nhiên, trình tự quy trình này không tận dụng được những lợi ích của điều trị MIEX trước khi keo tụ như đã mô tả ở trên. Ngoài ra, keo tụ / MIEX đạt được mức loại bỏ DOC tổng thể thấp hơn so với keo tụ / PAC, tức là 66 ± 12 so với 70 ± 10% [67 ••], đây là một dấu hiệu khác cho thấy trình tự keo tụ theo sau MIEX không lý tưởng.

10.2 Membrane Technology / Công nghệ màng lọc

Đã có sự quan tâm đáng kể đến tiềm năng tiền xử lý MIEX để giảm tắc nghẽn màng MF, UF, NF và RO. Tiền xử lý MIEX để loại bỏ DOC đã cho thấy sự giảm thiểu hoặc không đáng kể trong việc bám bẩn màng MF và UF [92, 94, 95]. Tuy nhiên, MIEX / đông tụ cho thấy làm giảm sự tắc nghẽn màng MF và UF nhiều hơn vì loại bỏ bổ sung các phần chất hữu cơ hòa tan (trọng lượng phân tử thấp) và dạng keo (trọng lượng phân tử cao) [92, 94, 96]. Tuy nhiên, ảnh hưởng của kết hợp MIEX / đông tụ đối với sự tắc nghẽn màng tiếp theo có thể phụ thuộc vào loại chất đông tụ, trong đó Choi et al. cho thấy rằng polyalumin clorua tạo ra floc (BÔNG CẶN) lớn hơn và dẫn đến sự suy giảm thông lượng MF ít hơn so với polyalumin silicat [97]. Đối với nước thải thứ cấp, MIEX / đông tụ phèn cho thấy sự giảm thiểu tắc nghẽn màng MF và UF so với nước thải thứ cấp không được xử lý và xử lý MIEX [98 •], phù hợp với các kết quả trước đó đối với các nguồn nước uống.

Tiền xử lý MIEX để giảm tắc nghẽn màng NF và RO cũng cho kết quả khác nhau. Xử lý MIEX trước màng NF làm giảm sự suy giảm thông lượng so với nước thô [99], trong khi xử lý MIEX trước màng RO cho thấy không thay đổi thông lượng so với điều kiện kiểm soát [78]. Một ưu điểm rõ ràng của tiền xử lý MIEX là khả năng loại bỏ DOC cao, góp phần vào việc loại bỏ tổng thể chất gây ô nhiễm cao bằng hệ thống MIEX / màng kết hợp [99].

10.3 Activated Carbon / Than hoạt tính

MIEX đã được đánh giá là tiền xử lý đối với GAC và PAC với mục đích nhựa MIEX sẽ loại bỏ một lượng lớn DOC và do đó làm tăng khả năng hấp phụ của than hoạt tính. Ví dụ, PAC sau xử lý MIEX đã loại bỏ nhiều thuốc trừ sâu hơn PAC đơn thuần do xử lý trước DOC bằng nhựa MIEX [100]. Nhựa MIEX đã được nghiên cứu như là một tiền xử lý GAC để loại bỏ methylisoborneol (MIB) và geosmin nhưng kết quả không thuyết phục về lợi ích của tiền xử lý MIEX so với tiền xử lý thông thường [101]. Điều tra trình tự của MIEX và BAC, tức là MIEX / BAC so với BAC / MIEX, cho thấy rằng BAC / MIEX là quy trình tốt hơn để loại bỏ DOC khỏi nước thải thứ cấp bởi vì BAC làm tăng phần DOC có thể được loại bỏ bởi nhựa MIEX [ 102]. Tuy nhiên, trong một nghiên cứu tiếp theo, MIEX / BAC cho thấy sự giảm thiểu tắc nghẽn màng nhiều hơn so với BAC / MIEX, MIEX hoặc BAC đối với nước thải thứ cấp do những thay đổi về đặc tính DOM, chẳng hạn như loại bỏ các hợp chất có trọng lượng phân tử thấp, điều này rất thuận lợi. trong điều kiện giảm tắc nghẽn màng [103].

10.4 Ozone

Nhựa MIEX đã được nghiên cứu như là một tiền xử lý để ozon hóa như một phương tiện để tăng nồng độ ôzôn hòa tan. Ví dụ, Johnson và Singer đã chỉ ra rằng ở một liều lượng ozone nhất định, nồng độ ozone hòa tan tăng lên và sự hình thành bromate giảm khi liều lượng nhựa MIEX tăng lên, đó là do sự đồng loại bỏ DOC và bromide [32]. Các thử nghiệm tại nhà máy thí điểm cũng cho thấy tiền xử lý MIEX làm tăng nồng độ ôzôn hòa tan, do đó làm tăng hiệu quả khử trùng bằng ôzôn [104]. Sự kết hợp giữa tiền xử lý MIEX và khử trùng bằng ôzôn trước khi khử trùng bằng clo lần cuối dẫn đến sự hình thành THM thấp nhất trong số các quá trình đông tụ, ozon hóa phèn và đông tụ / ozon hóa phèn kết hợp [36].

10.5 Lime Softening / Vôi làm mềm

Xử lý MIEX trước khi làm mềm vôi cho thấy làm giảm liều lượng vôi và tăng độ cứng [34]. Kết quả này là do việc giảm đáng kể DOC bằng nhựa MIEX làm giảm sự ức chế hình thành canxi cacbonat.

10.6 Combined Ion Exchange / Trao đổi ion kết hợp

Để thay thế cho việc sử dụng MIEX như một quy trình trước hoặc sau xử lý, Apell và Boyer đề xuất sử dụng nhựa trao đổi anion và cation được tăng cường từ tính trong cùng một lò phản ứng [35, 105], sau đây được gọi là trao đổi ion kết hợp. Mục đích của quy trình mới là loại bỏ DOC và độ cứng trong cùng một lò phản ứng thay vì sử dụng nhiều quy trình như MIEX, sau đó là làm mềm vôi. Các thử nghiệm Jar Test cho thấy nhựa MIEX anion và cation có thể được trộn với nhau và đạt được loại bỏ 70% DOC và loại bỏ độ cứng 55% [35]. Quá trình trao đổi ion kết hợp được đánh giá thêm bằng cách sử dụng nhựa MIEX để loại bỏ DOC và nhựa trao đổi cation thông thường để loại bỏ độ cứng vì nhựa trao đổi cation thông thường có dung lượng cao hơn so với nhựa trao đổi cation từ tính. Ví dụ, Comstock và Boyer đã chỉ ra rằng trao đổi ion kết hợp có thể đạt được loại bỏ 76% DOC và loại bỏ 97% độ cứng khỏi nước ngầm [106]. MIEX, trao đổi cation và trao đổi ion kết hợp được nghiên cứu như là tiền xử lý cho màng RO cho nước ngầm có hàm lượng DOC, độ cứng và độ mặn cao. Cả ba quy trình đều cho thấy sự cải thiện về lưu lượng so với nước không được xử lý [107].

Công nghệ MIEX tại Palm Beach County, Florida, USA. 61.200m3/ngày (16.4 MGD)

Down: Case study _ MIEX du an Palm Beach County, Florida USA 61.200m3/ngày

11. Case Study / Nghiên cứu điển hình

The Mt. Pleasant Water Treatment Plant (WTP) in South Australia presents a unique opportunity to study the MIEX process alone and combined with other processes. The Mt. Pleasant WTP treats water from the River Murray. Full-scale processes include MIEX followed by conventional treatment (coagulation, flocculation, and filtration) and MIEX followed by submerged MF membranes. Pilot-scale units for conventional treatment, membranes, and GAC have also been tested. For example, pilot plant tests of conventional treatment were compared with full-scale MIEX as pretreatment to GAC filters for removal of MIB and geosmin [101]. The impact of MIEX pretreatment on MF fouling [95] and bacteria removal [108] has also been investigated. A comprehensive 2-year study at the Mt. Pleasant WTP showed greater DOC removal by MIEX/coagulation and MIEX/MF than coagulation alone or MF alone [9]. In addition, water following MIEX treatment had lower SUVA254 and removal of wider range of apparent molecular weight fractions of DOM than other processes [9]. Statistical analysis of the various treatment trains at the Mt. Pleasant WTP considering DOC, UVA254, and molecular weight chromatograms showed the MIEX alone or MIEX combined with coagulation or MF achieved the greatest reductions in DOC and UVA254 and removal of a wider range of molecular weight fractions of DOM [109•]. MIEX/coagulation was able to achieve high and consistent level of DOC removal and UVA254 reduction during a 2-year period of extreme weather that included drought and two major flood events [11••], thus illustrating the robustness of the MIEX process. Hence, the quantifiable improvements of using MIEX in place of coagulation alone or MF alone would be production of finished water of consistent quality despite changes in raw water quality. In addition, there would not need to be changes in operation of the MIEX process, whereas the coagulation process would require changes in coagulant dose with changing raw water quality. In terms of economics, MIEX or MIEX/coagulation would eliminate or substantially reduce the amount of coagulant needed. This would reduce water treatment operating costs in terms of coagulant and sludge disposal. In turn, there would be new operating costs for the MIEX process including periodic resin replacement and regeneration chemicals. A life cycle cost analysis would be needed to quantify the full economic costs and benefits of MIEX treatment. / Nhà máy xử lý nước Mt. Pleasant (WTP) ở Nam Úc tạo cơ hội duy nhất để nghiên cứu quy trình MIEX một mình và kết hợp với các quy trình khác. Mt. Pleasant WTP xử lý nước từ Sông Murray. Các quy trình toàn diện bao gồm MIEX tiếp theo là xử lý thông thường (keo tụ, tạo bông và lọc) và tiếp theo là màng MF chìm. Các đơn vị quy mô thí điểm để xử lý thông thường, màng lọc và GAC cũng đã được thử nghiệm. Ví dụ, các thử nghiệm pilot về xử lý thông thường được so sánh với MIEX quy mô đầy đủ như tiền xử lý với bộ lọc GAC để loại bỏ MIB và geosmin [101]. Tác động của tiền xử lý MIEX đối với sự bám bẩn của MF [95] và loại bỏ vi khuẩn [108] cũng đã được nghiên cứu. Một nghiên cứu toàn diện kéo dài 2 năm tại Mt. Pleasan WTP cho thấy khả năng loại bỏ DOC bằng MIEX / keo tụ và MIEX / MF nhiều hơn so với keo tụ đơn thuần hoặc chỉ MF [9]. Ngoài ra, nước sau xử lý MIEX có SUVA254 thấp hơn và loại bỏ phạm vi rộng hơn các phần trọng lượng phân tử biểu kiến ​​của DOM so với các quy trình khác [9]. Phân tích thống kê về các chuyến tàu điều trị khác nhau tại Mt. Pleasan WTP  khi xem xét sắc ký đồ trọng lượng phân tử DOC, UVA254 và phân tử cho thấy MIEX đơn lẻ hoặc MIEX kết hợp với keo tụ hoặc MF đạt được mức giảm mạnh nhất đối với DOC và UVA254 và loại bỏ phạm vi rộng hơn các phân đoạn trọng lượng phân tử của DOM [109 •]. MIEX / keo tụ có thể đạt được mức độ loại bỏ DOC và giảm tia UVA254 cao và nhất quán trong thời gian 2 năm thời tiết khắc nghiệt bao gồm hạn hán và hai sự kiện lũ lụt lớn [11 ••], do đó minh họa tính mạnh mẽ của quy trình MIEX. Do đó, những cải tiến có thể định lượng được của việc sử dụng MIEX thay cho quá trình keo tụ đơn lẻ hoặc chỉ MF sẽ là sản xuất nước thành phẩm có chất lượng ổn định mặc dù chất lượng nước thô có thay đổi. Ngoài ra, sẽ không cần phải thay đổi hoạt động của quá trình MIEX, trong khi quá trình keo tụ sẽ yêu cầu thay đổi liều lượng chất keo tụ với chất lượng nước thô thay đổi. Về mặt kinh tế, MIEX hoặc MIEX / đông tụ sẽ loại bỏ hoặc giảm đáng kể lượng chất keo tụ cần thiết. Điều này sẽ làm giảm chi phí vận hành xử lý nước về chất keo tụ và xử lý bùn. Đổi lại, sẽ có chi phí vận hành mới cho quy trình MIEX bao gồm hóa chất tái sinh và thay thế nhựa định kỳ. Cần phân tích chi phí vòng đời để định lượng toàn bộ chi phí kinh tế và lợi ích của việc xử lý MIEX.

Công nghệ MIEX tại Palm Springs, Florida, USA. 37.300m3/ngày (10 MGD)

11. Impact on Water Distribution Systems / Tác động đến hệ thống phân phối nước

Biofilm growth in water distribution systems is of high concern due to deterioration in the quality of finished drinking water. The impact of MIEX treatment on bacterial regrowth potential has shown mixed results. In some case, there was no difference in the bacterial regrowth potential following MIEX treatment compared with other processes like coagulation [29, 110]. However, other studies have shown MIEX treatment contributes to greater removal of bacteria [108], which could reduce the potential for bacterial regrowth. / Sự phát triển của màng sinh học trong các hệ thống phân phối nước đang được quan tâm nhiều do chất lượng nước uống thành phẩm bị suy giảm. Tác động của điều trị MIEX đối với khả năng tái sinh của vi khuẩn đã cho thấy nhiều kết quả khác nhau. Trong một số trường hợp, không có sự khác biệt về khả năng tái sinh của vi khuẩn sau khi điều trị MIEX so với các quá trình khác như keo tụ [29, 110]. Tuy nhiên, các nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng điều trị MIEX góp phần loại bỏ vi khuẩn nhiều hơn [108], có thể làm giảm khả năng vi khuẩn tái phát.

12. Conclusions / Kết luận

MIEX resin has been demonstrated in numerous studies to be an effective process for removal of DOC and UVA254 from drinking water sources and wastewater effluent. In general, realistic doses of MIEX resin can achieve greater removal of DOC and UVA254 than alum or ferric coagulation. In addition, the type of DOM removed by MIEX resin often covers a wider range of hydrophilic, transphilic, and hydrophobic fractions and molecular weight fractions than coagulation or activated carbon adsorption. As a result, MIEX treatment results in substantial reductions in the formation of THMs and HAAs upon chlorination. The integration of MIEX treatment followed by coagulation shows multiple benefits including very high DOC removal, and reductions in coagulant dose, membrane fouling, and DBP formation. MIEX resin is a less effective technology for removal of bromide and other inorganic anions where more selective ion exchange resins are available. / Nhựa MIEX đã được chứng minh trong nhiều nghiên cứu là một quy trình hiệu quả để loại bỏ DOC và UVA254 khỏi nguồn nước uống và nước thải. Nói chung, liều lượng thực tế của nhựa MIEX có thể giúp loại bỏ DOC và UVA254 nhiều hơn so với sự đông tụ của phèn hoặc sắt. Ngoài ra, loại DOM được loại bỏ bởi nhựa MIEX thường bao gồm một loạt các phân đoạn ưa nước, trong suốt và kỵ nước và các phân đoạn trọng lượng phân tử hơn là đông tụ hoặc hấp phụ than hoạt tính. Kết quả là, xử lý MIEX dẫn đến giảm đáng kể sự hình thành THM và HAAs khi khử trùng bằng clo. Việc tích hợp xử lý MIEX theo sau là đông máu cho thấy nhiều lợi ích bao gồm loại bỏ DOC rất cao, và giảm liều lượng chất đông tụ, tắc nghẽn màng và hình thành DBP. Nhựa MIEX là một công nghệ kém hiệu quả hơn để loại bỏ bromua và các anion vô cơ khác, nơi có sẵn các loại nhựa trao đổi ion chọn lọc hơn.

MIEX® ion exchange technology Advantages / Ưu điểm của Công nghệ Trao đổi ion từ tính MIEX®

a) MIEX is a Magnetic Ion Exchange pretreatment technology that will: / Công nghệ Ion từ tính MIEX là bước tiền xử lý sẽ có ưu điểm:

• Significantly reduce chemical needs for conventional WTP’s / Giảm đáng kể nhu cầu hóa chất đối với WTP thông thường
• Improve floc size and stability especially in low alkaline waters - thereby reducing settling times and improving filtration / Cải thiện kích thước và độ ổn định của bông bùn keo tụ đặc biệt là trong nước có độ kiềm thấp - do đó giảm thời gian lắng và cải thiện khả năng lọc
• Reduce DBP Precursors by removing anionic DOC / Giảm sản phẩm phụ của chất khử trùng DBP bằng cách loại bỏ chất hữu cơ hòa tan trong nước (DOC)
• Is normally the first unit process in a WTP – improving the performance of downstream unit processes / Thường là quy trình đơn vị đầu tiên trong hệ thống xử lý nước - cải thiện hiệu suất của quy trình đơn vị xử lý phía sau

b) Dramatically Lowers Operational Cost of a WTP’s by: / Giảm đáng kể chi phí hoạt động của WTP bằng cách:

• Lowering the amount of coagulant used and also sludge volume / Giảm lượng chất đông tụ được sử dụng và cả khối lượng bùn
• Removing the requirement for pH adjustment / Loại bỏ yêu cầu điều chỉnh pH
• Improving operational stability in low/no alkalinity waters / Cải thiện sự ổn định hoạt động trong các vùng nước có độ kiềm thấp / không có
• Reduce chlorine demand and disinfection chemical requirements / Giảm nhu cầu clo và yêu cầu hóa chất khử trùng
• Potentially allow conversion from chloramine to free chlorine through reduction of organics in treated water / Có khả năng cho phép chuyển đổi từ cloramin thành clo tự do thông qua việc khử các chất hữu cơ trong nước đã qua xử lý.
• Improving chlorine residual persistence for better disinfection / Cải thiện tính tồn lưu của clo dư để khử trùng tốt hơn