劉 婉，董秉直，李 甜，李偉英，桂 波

（同濟大學環(huán)境科學與工程學院污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092）

本研究計劃SIGN（從源頭到龍頭——中德水專項）是“十三五”水專項“蘇州市飲用水安全保障技術集成與綜合應用示范”（2017ZX07201001）的子課題。針對太湖水含有藻類的特征，本研究計劃利用Inge 七孔超濾膜進行預處理，超濾處理后，水質達到常規(guī)自來水廠的標準。超濾工藝溫和地去除藻類，不破壞藻類細胞，可以防止嗅味和藻毒素的生成。但是，超濾的產水水質和常規(guī)自來水的水質相當，尤其是有機物去除率沒有顯著提升。

1 中間試驗

為了提高膜系統對有機物的去除效果，本試驗計劃在超濾后添加納濾工藝，首先驗證納濾在該工藝條件下的可行性，再調查造成納濾膜污染的物質。

常規(guī)的高壓（大于1 MPa）、高脫鹽率（大于99%）的納濾膜在飲用水處理中已經取得較多的應用。但是，這類納濾膜的運行壓力高、能耗高，導致運行成本高；透鹽率過低，產水的口感差，容易導致管網中的結垢不穩(wěn)定，影響最終水質。東麗（中國）投資有限公司推出TMH 系列超低壓力納濾膜，這種納濾膜具有運行壓力低、抗污染性能好、透鹽率高的特性，在飲用水處理中有很好的應用潛能。因此，本試驗計劃在超濾后利用該公司的先進納濾技術，獲得長時間運行數據，以驗證該納濾膜在太湖水處理中應用的可行性。

膜污染是納濾應用中的一大障礙，膜污染速率受運行的水力條件影響，TANG 等提出，運行通量對膜污染有顯著的影響。但是，造成納濾膜污染的主要物質目前仍然不太明確。腐植酸被認為是導致納濾污染的主要物質，有機物、金屬離子都是造成膜污染的可能物質。和反滲透相比，納濾的過濾機理更為復雜。另外，大量研究都是實驗室規(guī)模，采用配制原水造成的膜污染和實際工程中的膜污染并不一致。本研究采用中間試驗，與實際工程更為接近。

2 試驗流程

2.1 材料

本次試驗的超濾部分使用德國Inge 公司的七孔超濾膜，納濾部分使用東麗（中國）投資有限公司的納濾膜。試驗用膜的具體參數如表1所示。

表1 試驗用膜的具體參數

2.2 測試項目和方法

本次試驗進行了水質測試、膜清洗液分析和膜片的表面檢測。試驗中所使用的檢測方法如表2所示。測試項目有三維熒光、波長254 nm 處單位比色皿光程下的紫外吸光度（UV）、總有機碳（TOC）、高錳酸鹽指數（COD）、電感耦合等離子體檢測（ICP）和液相色譜-有機碳聯用檢測（LC-OCD）。其中，COD測定采用《生活飲用水標準檢驗方法 有機物綜合指標》（GB/T 5750.7—2006）推薦的方法，即酸性高錳酸鉀滴定法。

表2 測試項目、方法和目的

2.3 試驗方法

如圖1 和圖2所示，試驗采用恒定產水流量和濃水流量、改變進水壓力的方法運行。超濾出水進入水箱，水箱容積為200 L，其作為納濾的原水箱。采用南方泵業(yè)股份有限公司高壓泵（CDLF3-25FSWSC）將中間水罐的水泵入納濾膜，納濾膜將原水分為濃水和產水兩股水，兩股水也進入水箱，進行循環(huán)試驗。濃水流量每天手動調整，恒定為1 020 L/h。采用變頻器控制納濾的產水流量恒定為試驗所設定的流量。試驗采用3 個納濾膜串聯運行的方式。膜前和濃水處均設置壓力表，用以實時檢測壓力，濃水和回流濃水均設置流量計。

圖1 現場照片

圖2 裝置流程

3 結果與分析

3.1 對有機物的去除效果

如圖3所示，原水、超濾出水、納濾出水的TOC值分別為2.63 mg/L、2.03 mg/L、0.30 mg/L，經過超濾和納濾后的去除率分別為23%和89%，原水、超濾出水、納濾出水的COD值分別為3.67 mg/L、2.51 mg/L、0.83 mg/L，超濾和納濾的去除率分別為31%、77%。原水和超濾出水的UV分別為0.050 cm、0.045 cm，納濾出水的UV低于檢測限，納濾對于UV的去除率接近100%。結果表明，超濾對于有機物的去除能力較弱，納濾可以進一步有效去除水中的有機物。

圖3 原水、超濾出水、納濾出水的COD 和TOC

3.2 三維熒光光譜特征

三維熒光光譜（EEM）可對多組分復雜體系進行光譜識別和表征，適用于研究天然水體中的溶解性有機物。對于不同來源的溶解性有機物，熒光峰的強度、區(qū)域分布均有不同，從而形成了代表各種水源特征的光譜信息。

原水、超濾產水和納濾產水的三維熒光圖分別如圖4、圖5 和圖6所示。E為發(fā)射波長，E為激發(fā)波長。圖4、圖5 中均存在強度明顯突出的區(qū)域，其為類酪氨酸和類色氨酸物質。經過超濾后，這些區(qū)域的熒光強度未發(fā)生明顯減弱，而經過納濾后，未發(fā)現有明顯突出的熒光強度區(qū)域。納濾對于類酪氨酸和類色氨酸物質均具有良好的去除率。

圖4 原水的三維熒光圖

圖5 超濾產水的三維熒光圖

圖6 納濾產水的三維熒光圖

3.3 分子質量分布

如圖7所示，采用凝膠色譜-UV 檢測器，對水中的分子量分布進行檢測。在太湖原水中，有機物分子量峰主要保持在10 000 Da 左右，而超濾膜的截留分子量為150 kDa，超濾只能去除部分分子量較大的有機物，將有機物的峰朝小分子量方向偏移。而納濾工藝對于各個分子量階段的有機物都有較高的去除率。FAN 等認為，納濾對于有機物的去除主要是由有機物的分子量大小決定的，即篩分作用，納濾可以截留相對分子質量大于200 Da 的全部有機物，而對于小于截留分子量的有機物，截留效果主要與有機物的尺寸、離子電荷和親疏水性有關。

圖7 原水、超濾產水、納濾產水的分子量分布

4 結論

在太湖原水的處理中，TMH10A 納濾膜能夠在建議通量范圍內長期穩(wěn)定地運行。當膜通量為22 L/（m·h）時，運行期間并沒有發(fā)現顯著的膜污染。超濾和納濾對有機物都有很高的去除率，并且納濾去除有機物的效果優(yōu)于超濾，可以作為超濾工藝的補充，更好地去除類酪氨酸和類色氨酸物質，其對UV的去除率接近100%，對COD、TOC 的去除率分別為77%、89%。采用三維熒光和LC-OCD檢測，發(fā)現納濾對于有機物的去除沒有選擇性，對于不同分子量和熒光強度的有機物都有良好的去除效果。