隨著膜材料的不斷發(fā)展和膜價(jià)格的不斷下降，超濾技術(shù)在飲用水深度處理中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。相比于微濾膜，超濾膜具有更小的納米級(jí)孔徑，因此可有效去除水中的懸浮物、大分子有機(jī)物、藻類、“兩蟲”、細(xì)菌甚至是病毒等微生物，可有效保障飲用水的生物安全性，被認(rèn)為是第三代城市飲用水凈化工藝的核心。但是，超濾膜屬于低壓膜濾范疇，其對(duì)水中的溶解性有機(jī)物去除效果不佳；而且，超濾膜在運(yùn)行的過(guò)程中將不可避免的產(chǎn)生膜污染，導(dǎo)致運(yùn)行能耗增大、清洗頻繁。通常需要將超濾與混凝、活性炭吸附、化學(xué)氧化等預(yù)處理工藝組合使用來(lái)克服上述問(wèn)題。
混凝-沉淀-砂濾是水廠常規(guī)處理工藝的主體流程，目前超濾技術(shù)在實(shí)際飲用水處理工程中的應(yīng)用也主要體現(xiàn)在對(duì)常規(guī)工藝的升級(jí)改造上。筆者將超濾與常規(guī)工藝的耦合段位進(jìn)一步前移，考察在保證供水水質(zhì)的條件下，能否進(jìn)一步節(jié)省占地面積、或在同樣的占地面積下進(jìn)一步提高產(chǎn)水能力。以北江水為研究對(duì)象，分別針對(duì)沉淀池進(jìn)水、沉淀池中部水樣、沉淀池出水開展了超濾中試試驗(yàn)，研究了不同混凝沉淀段位超濾后出水水質(zhì)的變化規(guī)律和超濾膜污染的情況。
1試驗(yàn)材料與方法
1.1試驗(yàn)方法與工藝流程
試驗(yàn)在南方某水廠進(jìn)行，所用水源為北江水，水廠采用“混凝-沉淀-砂濾”工藝（以下簡(jiǎn)稱D工藝）。超濾實(shí)驗(yàn)裝置為中試級(jí)別的浸沒(méi)式超濾膜系統(tǒng)，如圖1所示。
試驗(yàn)用原水分別取自水廠平流沉淀池的進(jìn)水端、中部和出水端，為確保所取原水水質(zhì)具有代表性，均在液面以下1m處取水，自流進(jìn)入管道系統(tǒng)，之后通過(guò)提升泵輸送至超濾膜中試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。超濾膜采用立升公司提供的浸沒(méi)式中空纖維PVC涂覆膜，總有效膜面積為44m2，公稱孔徑為0.02μm。超濾膜池為耐腐蝕鋼材料，有效容積約1.5m3。超濾系統(tǒng)的運(yùn)行由PLC自動(dòng)控制，試驗(yàn)期間相關(guān)運(yùn)行參數(shù)為：膜通量50L/（m3?h），過(guò)濾周期90min，反洗時(shí)間60s，反沖洗通量80L/（m3?h），同時(shí)在膜組件底部設(shè)置曝氣管，水反沖洗過(guò)程中也同時(shí)進(jìn)行曝氣，氣洗強(qiáng)度25m3/（m3?h）（以膜組件底面積計(jì)算）；運(yùn)行16個(gè)周期（約24h）之后對(duì)超濾膜池進(jìn)行排泥，排泥量約為1m3。
研究中為方便起見(jiàn)，以沉淀池進(jìn)水為原水的超濾工藝簡(jiǎn)稱為A工藝，以沉淀池中部水樣為原水的超濾工藝簡(jiǎn)稱為B工藝，以沉淀池出水為原水的超濾工藝簡(jiǎn)稱為C工藝。各個(gè)超濾工藝均按上述參數(shù)連續(xù)運(yùn)行，直至跨膜壓增長(zhǎng)到較高水平（一般為40~50kPa），之后停止運(yùn)行，對(duì)超濾膜以NaOH和次氯酸鈉進(jìn)行化學(xué)清洗，切換至下一工藝?yán)^續(xù)運(yùn)行。
1.2檢測(cè)項(xiàng)目與分析方法
試驗(yàn)期間對(duì)水廠水源水、超濾進(jìn)水、超濾出水以及砂濾池出水水質(zhì)每天定時(shí)取樣檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目包括水溫、濁度、CODMn、UV254及NH4+-N等。
水溫、CODMn、NH4+-N等均采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定〔7〕，濁度采用哈希2100N臺(tái)式濁度儀測(cè)定，UV254采用島津UV-2550紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定（水樣測(cè)定前經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾）。試驗(yàn)過(guò)程中，中試系統(tǒng)定時(shí)對(duì)跨膜壓（TMP）進(jìn)行檢測(cè)記錄，因水溫的變化將會(huì)對(duì)TMP造成影響，為此數(shù)據(jù)處理中均采用溫度校準(zhǔn)公式〔8〕將TMP統(tǒng)一歸化為20℃下的TMP值（TMP20），以便對(duì)不同段位的超濾膜污染進(jìn)行對(duì)比。
1.3試驗(yàn)期間源水水質(zhì)
各超濾工藝運(yùn)行期間北江水源水水質(zhì)情況如表1所示（其中A工藝共運(yùn)行4d，B、C工藝各運(yùn)行14d）。
2結(jié)果與討論
2.1不同超濾工藝的凈水效能
2.1.1對(duì)濁度的去除效果
不同段位超濾工藝對(duì)水中濁度的去除情況比較如圖2所示。
由圖2可見(jiàn)，水源水中的濁度呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)；但是由于超濾與常規(guī)混凝沉淀單元耦合的段位逐漸后移，超濾膜池的進(jìn)水濁度則越來(lái)越低。而無(wú)論水源水和超濾池進(jìn)水的濁度如何變化，超濾出水的濁度始終穩(wěn)定在0.1NTU左右，依次為0.10±0.005、0.10±0.010、0.099±0.007NTU，顯著低于同期常規(guī)水處理流程中砂濾池的出水情況（分別為0.249±0.047、0.160±0.01、0.192±0.033NTU）。由此可知，無(wú)論超濾是在何種段位與混凝沉淀單元耦合，超濾膜均能保證對(duì)濁度穩(wěn)定而優(yōu)異的去除效果，這是因?yàn)槌瑸V膜主要依靠其納米級(jí)的孔徑實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒性物質(zhì)的篩濾截留，不受進(jìn)水水質(zhì)條件的影響。
此外，由于水中的細(xì)菌、病毒等微生物通常是附著于顆粒性物質(zhì)之上〔2〕，因此對(duì)水中濁度的強(qiáng)化去除也必將極大地提高飲用水的微生物安全性，降低水介傳染病的暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，這也是超濾技術(shù)在飲用水深度處理中一個(gè)突出的優(yōu)勢(shì)。
2.1.2對(duì)有機(jī)物的去除效果
考察不同超濾工藝對(duì)CODMn的去除效果比較如圖3所示。
由圖3可見(jiàn)，試驗(yàn)期間，水源水質(zhì)出現(xiàn)了一定程度的波動(dòng)，A、B、C3種超濾工藝的源水CODMn分別為2.40±0.34、1.78±0.08、1.86±0.12mg/L，出水CODMn分別為1.19±0.06、0.98±0.11、1.14±0.10mg/L�？梢�(jiàn)，超濾在不同的混凝沉淀段位與之耦合時(shí)均表現(xiàn)出對(duì)CODMn良好的去除效能，去除率分別達(dá)到了49.41%±7.55%、44.63%±5.91%和38.41%±5.61%。但是，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同的超濾工藝，其出水中的CODMn含量均略高于同期的砂濾池出水。這可能是由于砂濾池經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行已經(jīng)形成了穩(wěn)定的生物膜體系，對(duì)水中小分子質(zhì)量的可降解有機(jī)物可通過(guò)生物降解作用進(jìn)一步去除，而超濾膜的主要機(jī)理為膜孔的物理截留，對(duì)小分子有機(jī)物去除效果不佳。然而，無(wú)論是在何種段位進(jìn)行超濾與混凝沉淀單元的耦合，其出水的CODMn都可穩(wěn)定在1.2mg/L以下，很好地滿足了飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB5749—2006）的要求。
考察不同超濾工藝對(duì)UV254的去除情況結(jié)果表明：試驗(yàn)期間，源水UV254的變化幅度較小，分別為0.033±0.005、0.030±0.004、0.036±0.004cm-1；A、B、C3種超濾組合工藝對(duì)UV254的總體去除效率也較為接近，分別為27.05%±6.89%、27.48%±4.77%、27.73%±5.34%。但是，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，組合工藝對(duì)UV254的去除主要是通過(guò)混凝/沉淀單元完成的，單獨(dú)的超濾對(duì)UV254的去除能力有限。UV254主要表征水中帶有苯環(huán)或共軛雙鍵的溶解性腐殖質(zhì)類有機(jī)物，其分子尺度遠(yuǎn)小于超濾膜的膜孔孔徑，但卻可通過(guò)混凝作用得到較好的去除。試驗(yàn)還表明，同期水廠實(shí)際砂濾池出水的UV254值要高于超濾出水，甚至高于超濾進(jìn)水（混凝/沉淀出水），原因可能為砂濾池濾料表面生長(zhǎng)著穩(wěn)定的微生物群落，其在降解進(jìn)水中所攜帶污染物的同時(shí)自身也產(chǎn)生一定的代謝產(chǎn)物，最終導(dǎo)致出水中腐殖質(zhì)類有機(jī)物含量有所升高。
2.1.3對(duì)氨氮的去除效果
考察了不同段位混凝沉淀-超濾耦合工藝對(duì)NH4+-N的去除情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混凝/沉淀對(duì)于NH4+-N幾乎沒(méi)有去除作用，試驗(yàn)期間，A、B、C3組工藝中超濾進(jìn)水NH4+-N分別為0.330±0.10、0.160±0.023、0.207±0.046mg/L；超濾出水NH4+-N則為0.318±0.095、0.024±0.005、0.109±0.016mg/L；超濾處理對(duì)NH4+-N的去除率依次為2.82%±2.14%、64.67%±7.43%、40.41%±11.80%。
一般認(rèn)為，浸沒(méi)式超濾膜對(duì)NH4+-N的去除主要是依靠膜濾池內(nèi)的生物降解作用。而A工藝運(yùn)行期間平均水溫僅為13.7℃，不利于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)與繁殖；并且由于膜污染較為嚴(yán)重，該工藝僅運(yùn)行了4d，使無(wú)法積累出足夠的硝化菌數(shù)量來(lái)滿足除NH4+-N的要求。B工藝運(yùn)行期間平均水溫為23.8℃，屬于硝化細(xì)菌較為適宜的生長(zhǎng)溫度，有利于代謝活動(dòng)的進(jìn)行，因此也表現(xiàn)出優(yōu)良的除NH4+-N效能。C工藝運(yùn)行期間水溫又下降至20.8℃，溫度的降低再次引起了生物活性的降低，也影響了硝化菌對(duì)NH4+-N的氧化去除。由以上討論可知，浸沒(méi)式超濾系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除受水溫的影響較為嚴(yán)重，如何通過(guò)對(duì)運(yùn)行工況的優(yōu)化，達(dá)到穩(wěn)定高效去除NH4+-N的目的，仍需進(jìn)一步的研究。
2.2不同超濾工藝的膜污染情況
在不同段位與混凝沉淀單元耦合時(shí)，超濾膜的TMP20增長(zhǎng)情況如圖4所示。
由圖4可見(jiàn)，A工藝的TMP20增長(zhǎng)最快，僅運(yùn)行4d，即由初始的12.49kPa增長(zhǎng)為39.42kPa，增長(zhǎng)速率為7.69kPa/d。而B、C工藝的TMP20增長(zhǎng)速率則顯著低于A工藝，經(jīng)過(guò)14d的運(yùn)行，B工藝的TMP20從12.82kPa上升至53.49kPa，平均增長(zhǎng)速率為2.91kPa/d；C工藝最終TMP20為41.90kPa，平均增長(zhǎng)速率為1.96kPa/d。
如上所述，A工藝為針對(duì)沉淀池進(jìn)水進(jìn)行超濾，超濾膜進(jìn)水中含有大量細(xì)小的懸浮絮體，與此同時(shí)，該階段運(yùn)行期間源水中有機(jī)物含量較高，兩者的協(xié)同作用造成該階段的膜污染非常嚴(yán)重，TMP20上升速率最快。B工藝的超濾膜進(jìn)水為沉淀池中部水樣，雖然懸浮物含量仍然較高，但是此時(shí)已生長(zhǎng)為尺度較大的絮體，其所造成的膜污染顯著減小，加之該階段運(yùn)行時(shí)水中有機(jī)物含量已降至正常水平，因此，TMP20的增長(zhǎng)速率也降至可接受的水平。C工藝為針對(duì)沉淀池出水進(jìn)行超濾，水中顆粒性物質(zhì)基本上已以絮體形式在沉淀池去除，水中有機(jī)物含量與B階段持平，因此TMP20增長(zhǎng)速率得以進(jìn)一步小幅降低。
3結(jié)論
（1）不同段位混凝沉淀-超濾耦合工藝對(duì)濁度的去除效果優(yōu)異且不受耦合方式的影響，出水濁度均顯著低于同期“混凝-沉淀-砂濾”工藝出水。（2）3種超濾工藝對(duì)有機(jī)污染物的凈化能力基本相當(dāng)。（3）以沉淀池進(jìn)水為源水的超濾工藝膜污染非常嚴(yán)重，TMP20增長(zhǎng)速率為7.69kPa/d；以沉淀池出水為源水的超濾工藝TMP20增長(zhǎng)速率降低至1.96kPa/d；若將耦合段位設(shè)置在沉淀池中部，超濾膜污染略有升高，達(dá)到2.91kPa/d，但仍屬于可接受范圍。
綜上所述，若在沉淀池中部進(jìn)行超濾與混凝沉淀單元的短流程適配，在保證出廠水水質(zhì)的情況下，還可以顯著減小水廠的占地面積，或者在同樣占地面積下顯著提高水廠的產(chǎn)水量，同時(shí)不會(huì)導(dǎo)致超濾膜污染的顯著增加。
