王培寧　李文君　歐陽夢(mèng)婷

【摘 要】 采用在線混凝、粉末活性炭和超濾組合的一體化工藝，進(jìn)行處理地表水的試驗(yàn)研究。相對(duì)于在線混凝-超濾工藝，新型組合工藝出水水質(zhì)有較大提高，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749—2006）》要求，跨膜壓差增長(zhǎng)速度有一定延緩，污染后的膜經(jīng)化學(xué)清洗后壓力與新膜基本相同。粉末活性炭并不會(huì)對(duì)膜及出水造成次生污染，粉末活性炭投量應(yīng)根據(jù)實(shí)際原水水質(zhì)，并綜合考慮運(yùn)行成本來確定。

【關(guān)鍵詞】 粉末活性炭；超濾；在線混凝；跨膜壓差；化學(xué)清洗

超濾膜技術(shù)是21世紀(jì)的新興技術(shù)，已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。近年來隨著膜技術(shù)的快速發(fā)展，膜的性能不斷提高，價(jià)格不斷降低，已達(dá)到可以接受的價(jià)位，因而國(guó)外將膜用于城市水廠，并呈加速發(fā)展趨勢(shì)[1]。由于超濾是一種機(jī)械截留作用，對(duì)于能夠穿過膜孔的污染物，如小顆粒懸浮物和溶解性有機(jī)物等去除效果不理想，這已經(jīng)成為制約超濾膜技術(shù)應(yīng)用的主要問題之一[2，3]。

目前應(yīng)用較多的在線混凝-超濾工藝，由于流程較短，對(duì)水體中污染物尤其是小分子有機(jī)物的去除率不夠高。當(dāng)原水水質(zhì)較好時(shí)，該工藝比較適合，而遇到突發(fā)性的污染事件，該工藝應(yīng)急能力不夠，出水可能難以達(dá)標(biāo)。

粉末活性炭具有比表面積大，吸附能力強(qiáng)，吸附總量大的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于小分子污染物的去除具有獨(dú)特的作用[4]。在本文中，通過在膜池中投加一定濃度的粉末活性炭，利用來進(jìn)一步提高出水水質(zhì)，并考察粉末活性炭對(duì)跨膜壓差（the transmembrane pressure，TMP）增長(zhǎng)可能存在的延緩作用。

新的組合工藝流程如下所示：

在上述工藝流程中，超濾可以去除大顆粒污染物，在線混凝形成的微絮體為骨架構(gòu)成的濾餅層可以截留吸附部分污染物，粉末活性炭可以吸附小分子有機(jī)物，三者形成良好優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)裝置和流程

試驗(yàn)裝置共有三組并聯(lián)流程，共用一個(gè)原水箱，其中單一流程如圖1所示。該裝置以地表水為原水，混凝劑采用Al2O3含量為4%的液態(tài)聚合氯化鋁（Poly aluminium Chloride，PAC），通過計(jì)量泵投加在浮球閥出水口處，在原水管中與沉后水初步混合約20s后進(jìn)入膜池，粉末活性炭為廣州市某公司生產(chǎn)，型號(hào)為AK-300，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T12496-90。粉末活性炭投加方法為排污周期開始時(shí)一次性投加入膜池。

該裝置運(yùn)行過程由可編程控制器（PLC）控制，超濾方式為終端過濾，過濾通量恒定為30L/（m2·h），地表水在膜池中的停留時(shí)間為20min。超濾以抽吸泵抽吸作為過濾動(dòng)力，出水端的壓力通過壓力采集器反饋回PLC并記錄。通過調(diào)整抽吸泵反轉(zhuǎn)進(jìn)行水洗，使用鼓風(fēng)機(jī)曝氣進(jìn)行氣洗。

1.高位原水箱；2.平衡水箱（浮球閥）；3.膜池；4.產(chǎn)水箱；5.藥箱；6.加藥泵（計(jì)量泵）；7.空氣泵；8.抽吸&反洗泵；9.曝氣閥；10.排污閥；11.空氣發(fā)散器（砂質(zhì)曝氣頭）；12.膜組件；13.壓力采集器；14.原水流量計(jì)；15.氣體流量計(jì)；16.粉末活性炭投加處

本次試驗(yàn)中三組流程分別采用直接過濾地表水、在線混凝-超濾和在線混凝-粉末活性炭-超濾工藝，下文中分別以A、B和C表示。其中在線混凝環(huán)節(jié)中混凝劑投量均30mg/L（以PAC液體重量計(jì)，下同），粉末活性炭投量為12h投加0.216g，以產(chǎn)水量計(jì)為20mg/L。其他運(yùn)行參數(shù)如下：反沖洗采用氣水合洗方式，反洗周期為1h，反洗時(shí)間為1min，反沖洗水通量為60L/（m2·h），曝氣量為50m3/（m2·h）（以膜池底面積計(jì)），排污周期為12h。

1.2膜組件工藝參數(shù)

試驗(yàn)采用外壓式中空纖維超濾膜，由海南立升凈水科技實(shí)業(yè)有限公司（Litree）提供，材質(zhì)為聚氯乙烯（PVC），主要理參數(shù)如表1所示。

1.3原水類型和水質(zhì)指標(biāo)

試驗(yàn)所用原水為珠江某支流地表水，部分指標(biāo)如表2所示。

1.4分析儀器與分析方法

濁度采用HACH-2100N濁度儀測(cè)定；溫度用酒精溫度計(jì)測(cè)定；pH采用PHS-3B精密pH儀測(cè)定；CODMn采用酸性高錳酸鉀法測(cè)定；UV254采用752N型紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1組合工藝去除污染物效果分析

2.1.1組合工藝對(duì)濁度的去除

濁度是感官性指標(biāo)，也是微生物學(xué)指標(biāo)[5]。表現(xiàn)為濁度的膠體物質(zhì)不僅是污染物，而且是水中細(xì)菌病毒生長(zhǎng)的重要載體。從表3中可以看出超濾工藝出水的濁度一直穩(wěn)定在0.1NTU以下，基本不隨進(jìn)水濁度的變化而變化。出水濁度降低的意義在于，大大減少后續(xù)單元如供水，管道等中細(xì)菌的附著和生長(zhǎng)的可能性，從而使得消毒單元中氯的投加量也可大大降低，不僅可以節(jié)約藥劑成本，而且可以減少消毒副產(chǎn)物，進(jìn)一步提高水質(zhì)。

本試驗(yàn)中三種混凝劑投加量對(duì)于出水的濁度有略微影響，不過相對(duì)于膜自身的去除效果，可以忽略不計(jì)。

2.1.2組合工藝對(duì)有機(jī)物的去除效果分析

由于試驗(yàn)所用原水水質(zhì)較好，CODMn的含量低于最新頒布的飲用水標(biāo)準(zhǔn)中所要求的水源水6mg/L[6]，一般在2mg/L以下，所以試驗(yàn)中對(duì)CODMn的去除率并不高，直接超濾地表水一般低于20%，具體情況如圖3所示。

從圖3中可以看出，相對(duì)于直接超濾地表水工藝，組合工藝對(duì)CODMn的去除率都有較大提高，粉末活性炭投加后，出水相對(duì)于在線混凝工藝也有較大提高。圖3中C工藝較大浮動(dòng)是由于采樣時(shí)間相對(duì)于粉末炭投加時(shí)間改變?cè)斐傻?，這一點(diǎn)在圖4中也有體現(xiàn)。

UV254主要表征水中具有苯環(huán)結(jié)構(gòu)或者不飽和烴鍵的小分子有機(jī)物，這類有機(jī)物在254nm紫外波段處具有吸收峰，UV254也可以作為三鹵甲烷生成勢(shì)（THMFP）的替代參數(shù)[7]。從圖4可以看出，直接超濾地表水對(duì)于UV254幾乎沒有去除效果，而在線混凝工藝對(duì)去除UV254有明顯提高，而在線混凝-粉末活性炭工藝對(duì)去除UV254極大提高。分析其原因?yàn)椋篣V254主要表征了小分子有機(jī)物，這部分物質(zhì)很容易透過膜孔，但由于分子小，容易被濾餅層或者粉末活性炭吸附。

對(duì)圖3和圖4結(jié)果求平均值如表3所示。

從表3可以明顯看出，粉末炭的投加對(duì)于在線混凝工藝出水水質(zhì)有較大的提高效果。

2.2膜污染狀況及化學(xué)清洗效果分析

2.2.1組合工藝跨膜壓差增長(zhǎng)結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)中超濾膜采取恒定通量運(yùn)行，膜污染狀況可通過TMP的增長(zhǎng)間接表示[8]。4種工藝同時(shí)運(yùn)行了約140h，TMP增長(zhǎng)情況如圖5所示。

從圖5中可以看出，相對(duì)于直接超濾地表水，組合工藝對(duì)TMP增長(zhǎng)均有延緩作用。粉末活性炭的投加對(duì)于TMP增長(zhǎng)略有降低，不過影響很小。分析其原因如下：粉末活性炭和在線混凝形成的微絮體共同構(gòu)成濾餅層的骨架部分，這種結(jié)構(gòu)多孔且疏松，和單獨(dú)微絮體形成的濾餅層結(jié)構(gòu)類似，都易于被反洗清除，因此濾餅層阻力兩者是基本相同的；而粉末活性炭吸附能力明顯強(qiáng)于單獨(dú)的微絮體濾餅層，但是粉末活性炭吸附的污染物主要是小分子物質(zhì)，這部分物質(zhì)大多可以通過膜孔，對(duì)于膜污染沒有貢獻(xiàn)。因此粉末活性炭的投加會(huì)大大提高出水水質(zhì)，但是對(duì)TMP增長(zhǎng)影響不大。

2.2.2物理和化學(xué)清洗結(jié)果對(duì)比

對(duì)3組試驗(yàn)后被污染的超濾膜進(jìn)行分階段物理和化學(xué)清洗，具體如下：

1、排污，在膜池內(nèi)注入純水，消除掉濃差極化影響；

2、水力反沖洗，曝氣，去除部分濾餅層，反洗結(jié)束后排污，注入純水；

3、用海綿擦洗膜表面，徹底清除可見濾餅層后排污，注入純水；

4、使用pH=2的HCl溶液浸泡2h后排污，沖洗，注入純水，主要去除吸附在膜表面及膜孔中的無機(jī)離子；

5、使用有效氯濃度為200mg/L的NaClO溶液浸泡2h后排污，沖洗，注入純水，主要去除吸附在膜表面及膜孔中的有機(jī)物。

上述的每一階段后都過濾2min，記錄TMP，如圖6所示。圖中純水起始值表示該膜在30L/（m2·h）通量下純水過濾TMP，圖中TMP值精確到個(gè)位數(shù)。

從圖6可以看出，2種組合工藝濃差極化的影響大體相同，都在5kPa左右，在線混凝-粉末活性炭-超濾工藝略高?？赡鏋V餅層阻力分別為4.33和3.84kPa，在濾餅層阻力中比重在線混凝-粉末活性炭-超濾工藝稍大與在線混凝-超濾工藝。說明粉末活性炭可以增加濾餅層中可逆部分的比重，更易于過濾過程中的水力清洗去除。

從圖6還可以看出，在線混凝-粉末活性炭-超濾工藝的無機(jī)離子和有機(jī)物污染阻力都要小于在線混凝-超濾工藝，尤其是有機(jī)物污染阻力，只有后者的50%。說明投加粉末活性炭可以大大延緩化學(xué)清洗周期，更加適合生產(chǎn)上使用。

經(jīng)過階段清洗后，各膜基本恢復(fù)了最初的阻力，說明可以長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行。而膜混凝-吸附反應(yīng)器未被清洗掉的阻力僅為0.04kPa，長(zhǎng)期運(yùn)行更穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1）在線混凝-粉末活性炭-超濾工藝相對(duì)于在線混凝-超濾工藝可以較大程度提高出水水質(zhì)，尤其是有機(jī)物大大減少。

（2）在線混凝-粉末活性炭-超濾工藝對(duì)于延緩TMP增長(zhǎng)相對(duì)于在線混凝-超濾工藝提升不大，但是需要化學(xué)清洗的膜污染部分有所降低。該工藝運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)化學(xué)清洗后，TMP基本可以恢復(fù)。

（3）粉末活性炭的投加并不會(huì)對(duì)膜及出水造成次生污染，粉末活性炭投量以及投加方式應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)、經(jīng)濟(jì)成本、設(shè)備人力等實(shí)際情況擇優(yōu)確定。

參考文獻(xiàn)：

[1]李圭白，楊艷玲.第三代城市飲用水凈化工藝—超濾為核心技術(shù)的組合工藝[J].給水排水，2007，33（4）：1.

[2]王湛.膜分離技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：243～244.

[3] GB 5749—2006，《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[S].

[4] Eatonad. Measuring UV-Absorbing Organics： A Standard Method[J].AWWA， 1995，87（2）：86～90.

[5]何攀，何鳳華等.操作條件對(duì)浸沒式超濾膜污染影響的中試研究[J].給水排水，2010，36（3）：12～16.