01

研究背景

以超濾為核心的第三代凈水技術(shù)發(fā)展迅猛，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的大型水廠(chǎng)（5萬(wàn)～30萬(wàn)m3/d）采用超濾工藝，并且超濾工藝亦應(yīng)用于農(nóng)村飲用水工程（50～500 m3/d）。伴隨著膜工業(yè)的高速發(fā)展，超濾膜的造價(jià)持續(xù)下降，使得低通量超濾工藝成為可能。基于以上特點(diǎn)，科研工作者開(kāi)始關(guān)注以重力勢(shì)能為驅(qū)動(dòng)力的低壓超濾技術(shù)。

相較于常規(guī)超濾飲用水處理工藝普遍的通量值30～200 L/（ m2·h），重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝穩(wěn)定通量較低。但是由于重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝無(wú)需周期性反洗等操作，其模塊化設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)易，運(yùn)行更為簡(jiǎn)便，特別有利于針對(duì)農(nóng)村飲用水工程等分散式供水工程的推廣。

表1比較了重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝和傳統(tǒng)超濾方法中的浸沒(méi)式、內(nèi)壓式超濾膜組件和低通量的膜生物反應(yīng)器不同特點(diǎn)。為探究重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝針對(duì)我國(guó)北方地區(qū)水源狀況的處理效能和推廣價(jià)值，本文針對(duì)引黃水庫(kù)水進(jìn)行低壓重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝的處理研究。

02

試驗(yàn)材料與方法

2.1原水水質(zhì)

本中試在東營(yíng)市南郊水廠(chǎng)，試驗(yàn)季節(jié)為夏季，水廠(chǎng)采用東營(yíng)市南郊水庫(kù)水作為原水，是典型的黃河下游水庫(kù)水。試驗(yàn)期間原水水質(zhì)特征如下：水溫20.3～26.2 ℃，濁度13～22 NTU，CODMn 2.8～3.4 mg/L, UV254 0.051～0.068 cm-1，pH 7.3～7.9。

2.2試驗(yàn)流程與方法

重力驅(qū)動(dòng)式超濾膜組件中試裝置示意如圖1所示。試驗(yàn)中采用超濾膜為聚氯乙烯（PVC）中空纖維膜，截留相對(duì)分子質(zhì)量為100 kDa，有效膜面積為10 m2，膜池面積為0.66 m3。

03

結(jié)果分析與討論

3.1重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝溶解氧的變化

重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝試驗(yàn)共運(yùn)行30 d，試驗(yàn)期間并沒(méi)有采取水力反洗、化學(xué)清洗、膜池排泥等緩解膜污染的措施。圖2所示為原水和膜后水中溶解氧的含量。由此可知原水溶解氧在6.6~7.7 mg/L。

而膜后水溶解氧含量持續(xù)下降，最終下降至比原水溶解氧含量降低30個(gè)百分點(diǎn)。

3.2重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝凈水效能

《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2006）規(guī)定飲用水濁度一般不超過(guò)1 NTU。重力驅(qū)動(dòng)式超濾膜濾后出水濁度均控制在0.1 NTU以?xún)?nèi)，這說(shuō)明即使長(zhǎng)時(shí)間不進(jìn)行反洗等清洗措施，該工藝依舊可以有效控制出水濁度。微生物指標(biāo)亦是評(píng)價(jià)超濾膜凈水效能的重要指標(biāo)，《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定飲用水中菌落總數(shù)不得超過(guò)100 CFU/mL,重力驅(qū)動(dòng)式超濾膜濾后水菌落總數(shù)可控制在3 CFU/mL。

圖3所示為該工藝對(duì)UV254和CODMn的去除情況，試驗(yàn)過(guò)程中每隔2 d監(jiān)測(cè)1次。低壓重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝對(duì)UV254和CODMn的總體去除率分別在16.3%～30%和6.9%～27%。

多數(shù)學(xué)者認(rèn)為根據(jù)機(jī)械篩分的原理，超濾工藝由于超濾膜孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溶解性有機(jī)物分子量，所以超濾工藝對(duì)于溶解性有機(jī)物的去除效果較差。圖4為在試驗(yàn)?zāi)┢诒O(jiān)測(cè)的原水、膜池內(nèi)濃縮液和膜后出水的DOC和BDOC的濃度。膜池濃縮液DOC濃度上升是由于工藝不涉及反洗等措施，原水中被超濾工藝截留下來(lái)的有機(jī)物在膜池中累積導(dǎo)致DOC含量增加；膜池內(nèi)濃縮液BDOC濃度降低這是由于膜池內(nèi)部以及超濾膜表面聚集大量微生物對(duì)有機(jī)物進(jìn)行代謝降解，因而導(dǎo)致濃縮液中BDOC濃度反而降低。超濾膜膜后水DOC和BDOC濃度均明顯降低，這是由超濾本身截留作用和膜表面及膜池內(nèi)微生物作用共同影響的結(jié)果。

采用三維熒光光譜方法可以高效監(jiān)測(cè)水中不同類(lèi)型的熒光有機(jī)物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。如圖5所示，通過(guò)定性分析，可以發(fā)現(xiàn)，膜池中蛋白類(lèi)有機(jī)物質(zhì)含量有所增長(zhǎng)，這是由蛋白類(lèi)物質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量較高，被超濾截留后在膜池內(nèi)累積造成的。另一方面，超濾膜膜后水的蛋白類(lèi)和腐殖質(zhì)類(lèi)物質(zhì)的濃度均大幅下降，只是在腐殖酸區(qū)域出現(xiàn)微弱的峰。這說(shuō)明重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝對(duì)于去除原水中有機(jī)物有較好的效果，可以有效保障出水水質(zhì)。

3.3重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝通量和膜阻力變化特征

低壓重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝在運(yùn)行過(guò)程中不涉及物理清洗或化學(xué)清洗等控制膜污染措施。圖6所示即為低壓重力驅(qū)動(dòng)式超濾過(guò)程中，超濾膜通量和膜阻力的變化趨勢(shì)。超濾膜直接處理原水通量下降基本上可以分為2個(gè)階段：第一為快速下降階段，在裝置運(yùn)行的前5 d，膜污染迅速形成，濾餅層形成并變厚；第二階段為緩慢下降并穩(wěn)定階段，在運(yùn)行的5 d后，濾餅層由于附著力有限，不再變厚變實(shí)。無(wú)藥劑綠色超濾膜工藝摒棄了傳統(tǒng)的超濾運(yùn)行周期的概念，在恒跨膜壓差的情況下，初始運(yùn)行5 d內(nèi)，膜通量由20～25 L/(m2·h)迅速下降到10 L/(m2·h)以?xún)?nèi)，運(yùn)行5 d后，膜通量保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，而后通量保持在7～8 L/(m2·h)。

上述結(jié)果說(shuō)明，超濾運(yùn)行一段時(shí)間后，其膜污染不再繼續(xù)加重，反而顯現(xiàn)保持平衡的趨勢(shì)，使得通量保持穩(wěn)定。同樣的，低壓重力驅(qū)動(dòng)式超濾過(guò)程中，其膜阻力的變化亦可以分為快速下降和緩慢下降并穩(wěn)定這兩個(gè)階段。

第一階段快速下降階段膜阻力快速增加主要是由于膜孔堵塞和膜孔窄化導(dǎo)致的超濾膜過(guò)水能力快速下降，因而引起的膜阻力快速上升；另一方面，由大顆粒的有機(jī)物和無(wú)機(jī)顆粒形成的濾餅層也在持續(xù)的增加。第二階段緩慢下降并穩(wěn)定階段中，膜孔堵塞和膜孔窄化引起的超濾膜不可逆污染幾乎不再增加，原水中的污染物很難直接接觸超濾膜表面，而超濾膜表面的濾餅層污染隨之增加。可以發(fā)現(xiàn)過(guò)程中膜阻力最大值出現(xiàn)在運(yùn)行的第8 d，而后隨著工藝的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，膜阻力值反而有所減小，這說(shuō)明濾餅層中附著的微生物通過(guò)代謝作用起到降解濾餅層上有機(jī)物質(zhì)的作用，并且可以起到疏松濾餅層的作用，用以抵消濾餅層增長(zhǎng)帶來(lái)的更為嚴(yán)重的通量下降。這說(shuō)明在重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝運(yùn)行的中后期，前述生物作用緩的解膜污染機(jī)制可以抵消工藝持續(xù)運(yùn)行增加的濾餅層污染，并最終達(dá)到平衡效應(yīng)。

3.4微絮凝預(yù)處理對(duì)重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝凈水效能的影響

低壓重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝運(yùn)行30 d后，改變進(jìn)水水質(zhì)，即向原水中投加2 mg/L的聚氯化鋁（PAC），經(jīng)過(guò)快速混合通入超濾膜池中。重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝處理經(jīng)過(guò)微絮凝的原水依然可以保證穩(wěn)定通量，工藝運(yùn)行3 d后，監(jiān)測(cè)重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝處理微絮凝水的凈水效能。微絮凝原水條件下，工藝對(duì)濁度和微生物指標(biāo)的控制效果較好，出水濁度控制在0.1 NTU以?xún)?nèi)，菌落總數(shù)指標(biāo)均控制在2 CFU/mL以?xún)?nèi)。此外，如圖7所示，比較了2種進(jìn)水水質(zhì)條件下，超濾工藝對(duì)有機(jī)物的去除情況。可以看出，經(jīng)過(guò)微絮凝水處理后，超濾工藝對(duì)DOC、UV254和CODMn的去除效果均有所提升，去除率分別提升了16.6%、18.2%和10.6%。這說(shuō)明原水經(jīng)過(guò)微絮凝處理協(xié)同重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝對(duì)于改善出水水質(zhì)有很好的促進(jìn)作用。

04

結(jié)論

低壓重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝作為一種新的超濾工藝運(yùn)行方式，利用表面濾餅層中生物作用可以用以簡(jiǎn)化超濾運(yùn)行設(shè)備，降低物理和化學(xué)清洗產(chǎn)生的費(fèi)用。另一方面，重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行說(shuō)明針對(duì)引黃水庫(kù)水這一北方特殊水質(zhì)，低壓重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝具有很好的處理效果。

在水中污染物質(zhì)的去除方面，重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝可以有效控制膜后水中濁度和微生物指標(biāo)，對(duì)UV254和CODMn的總體去除率分別在16.3%～30%和6.9%～27%。另一方面，重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝對(duì)于有機(jī)物質(zhì)具有一定的去除效果，尤其是對(duì)BDOC的去除效果較好，這是由于膜池和濾餅層上的微生物消耗原水中BDOC造成的。此外，采用微絮凝+重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝，可有效提升出水水質(zhì)。

中試得出超濾通量下降可以分為兩個(gè)階段，即通量快速下降階段和通量緩慢下降并保持穩(wěn)定階段最終通量穩(wěn)定在7～8 L/(m2·h)。類(lèi)似的，超濾膜污染阻力的增長(zhǎng)也可以分為快速增長(zhǎng)和緩慢增長(zhǎng)并保持穩(wěn)定兩個(gè)階段。通過(guò)監(jiān)測(cè)水中溶解氧含量可以得出膜池中和膜表面上微生物含量較高并因此消耗了大量的溶解氧。濾餅層上的微生物代謝作用是形成工藝運(yùn)行中后期通量保持穩(wěn)定的重要原因。此外，采用微絮凝+重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝，可以有效提升出水水質(zhì)，對(duì)DOC、UV254和CODMn的去除去除率分別提升了16.6%、18.2%和10.6%。

微信對(duì)原文有刪減，原文標(biāo)題：低壓重力驅(qū)動(dòng)式超濾工藝處理引黃水庫(kù)水中試研究；作者：柳斌、瞿芳術(shù)、施周、唐小斌、紀(jì)洪杰、梁恒、李圭白；作者單位：湖南大學(xué)土木工程學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院、東營(yíng)自來(lái)水公司；刊登在《給水排水》2018年第6期。