在线混凝—粉末活性炭—超滤组合工艺处理地表水的试验研究

公司生产，型号为AK-300，执行标准为GB/T12496-90。粉末活性炭投加方法为排污周期开始时一次性投加入膜池。

该装置运行过程由可编程控制器（PLC）控制，超滤方式为终端过滤，过滤通量恒定为30L/（m2·h），地表水在膜池中的停留时间为20min。超滤以抽吸泵抽吸作为过滤动力，出水端的压力通过压力采集器反馈回PLC并记录。通过调整抽吸泵反转进行水洗，使用鼓风机曝气进行气洗。

1.高位原水箱；2.平衡水箱（浮球阀）；3.膜池；4.产水箱；5.药箱；6.加药泵（计量泵）；7.空气泵；8.抽吸&反洗泵；9.曝气阀；10.排污阀；11.空气发散器（砂质曝气头）；12.膜组件；13.压力采集器；14.原水流量计；15.气体流量计；16.粉末活性炭投加处

本次试验中三组流程分别采用直接过滤地表水、在线混凝-超滤和在线混凝-粉末活性炭-超滤工艺，下文中分别以A、B和C表示。其中在线混凝环节中混凝剂投量均30mg/L（以PAC液体重量计，下同），粉末活性炭投量为12h投加0.216g，以产水量计为20mg/L。其他运行参数如下：反冲洗采用气水合洗方式，反洗周期为1h，反洗时间为1min，反冲洗水通量为60L/（m2·h），曝气量为50m3/（m2·h）（以膜池底面积计），排污周期为12h。

1.2膜组件工艺参数

试验采用外压式中空纤维超滤膜，由海南立升净水科技实业有限公司（Litree）提供，材质为聚氯乙烯（PVC），主要理参数如表1所示。

1.3原水类型和水质指标

试验所用原水为珠江某支流地表水，部分指标如表2所示。

1.4分析仪器与分析方法

浊度采用HACH-2100N浊度仪测定；温度用酒精温度计测定；pH采用PHS-3B精密pH仪测定；CODMn采用酸性高锰酸钾法测定；UV254采用752N型紫外可见分光光度计测定。

2 试验结果与分析

2.1组合工艺去除污染物效果分析

2.1.1组合工艺对浊度的去除

浊度是感官性指标，也是微生物学指标[5]。表现为浊度的胶体物质不仅是污染物，而且是水中细菌病毒生长的重要载体。从表3中可以看出超滤工艺出水的浊度一直稳定在0.1NTU以下，基本不随进水浊度的变化而变化。出水浊度降低的意义在于，大大减少后续单元如供水，管道等中细菌的附着和生长的可能性，从而使得消毒单元中氯的投加量也可大大降低，不仅可以节约药剂成本，而且可以减少消毒副产物，进一步提高水质。

本试验中三种混凝剂投加量对于出水的浊度有略微影响，不过相对于膜自身的去除效果，可以忽略不计。

2.1.2组合工艺对有机物的去除效果分析

由于试验所用原水水质较好，CODMn的含量低于最新颁布的饮用水标准中所要求的水源水6mg/L[6]，一般在2mg/L以下，所以试验中对CODMn的去除率并不高，直接超滤地表水一般低于20%，具体情况如图3所示。

从图3中可以看出，相对于直接超滤地表水工艺，组合工艺对CODMn的去除率都有较大提高，粉末活性炭投加后，出水相对于在线混凝工艺也有较大提高。图3中C工艺较大浮动是由于采样时间相对于粉末炭投加时间改变造成的，这一点在图4中也有体现。

UV254主要表征水中具有苯环结构或者不饱和烃键的小分子有机物，这类有机物在254nm紫外波段处具有吸收峰，UV254也可以作为三卤甲烷生成势（THMFP）的替代参数[7]。从图4可以看出，直接超滤地表水对于UV254几乎没有去除效果，而在线混凝工艺对去除UV254有明显提高，而在线混凝-粉末活性炭工艺对去除UV254极大提高。分析其原因为：UV254主要表征了小分子有机物，这部分物质很容易透过膜孔，但由于分子小，容易被滤饼层或者粉末活性炭吸附。

对图3和图4结果求平均值如表3所示。

从表3可以明显看出，粉末炭的投加对于在线混凝工艺出水水质有较大的提高效果。

2.2膜污染状况及化学清洗效果分析

2.2.1组合工艺跨膜压差增长结果对比

试验中超滤膜采取恒定通量运行，膜污染状况可通过TMP的增长间接表示[8]。4种工艺同时运行了约140h，TMP增长情况如图5所示。

从图5中可以看出，相对于直接超滤地表水，组合工艺对TMP增长均有延缓作用。粉末活性炭的投加对于TMP增长略有降低，不过影响很小。分析其原因如下：粉末活性炭和在线混凝形成的微絮体共同构成滤饼层的骨架部分，这种结构多孔且疏松，和单独微絮体形成的滤饼层结构类似，都易于被反洗清除，因此滤饼层阻力两者是基本相同的；而粉末活性炭吸附能力明显强于单独的微絮体滤饼层，但是粉末活性炭吸附的污染物主要是小分子物质，这部分物质大多可以通过膜孔，对于膜污染没有贡献。因此粉末活性炭的投加会大大提高出水水质，但是对TMP增长影响不大。

2.2.2物理和化学清洗结果对比

对3组试验后被污染的超滤膜进行分阶段物理和化学清洗，具体如下：

1、排污，在膜池内注入纯水，消除掉浓差极化影响；

2、水力反冲洗，曝气，去除部分滤饼层，反洗结束后排污，注入纯水；

3、用海绵擦洗膜表面，彻底清除可见滤饼层后排污，注入纯水；

4、使用pH=2的HCl溶液浸泡2h后排污，冲洗，注入纯水，主要去除吸附在膜表面及膜孔中的无机离子；

5、使用有效氯浓度为200mg/L的NaClO溶液浸泡2h后排污，冲洗，注入纯水，主要去除吸附在膜表面及膜孔中的有机物。

上述的每一阶段后都过滤2min，记录TMP，如图6所示。图中纯水起始值表示该膜在30L/（m2·h）通量下纯水过滤TMP，图中TMP值精确到个位数。

从图6可以看出，2种组合工艺浓差极化的影响大体相同，都在5kPa左右，在线混凝-粉末活性炭-超滤工艺略高。可逆滤饼层阻力分别为4.33和3.84kPa，在滤饼层阻力中比重在线混凝-粉末活性炭-超滤工艺稍大与在线混凝-超滤工艺。说明粉末活性炭可以增加滤饼层中可逆部分的比重，更易于过滤过程中的水力清洗去除。

从图6还可以看出，在线混凝-粉末活性炭-超滤工艺的无机离子和有机物污染阻力都要小于在线混凝-超滤工艺，尤其是有机物污染阻力，只有后者的50%。说明投加粉末活性炭可以大大延缓化学清洗周期，更加适合生产上使用。

经过阶段清洗后，各膜基本恢复了最初的阻力，说明可以长期稳定的运行。而膜混凝-吸附反应器未被清洗掉的阻力仅为0.04kPa，长期运行更稳定。

3 结论

（1）在线混凝-粉末活性炭-超滤工艺相对于在线混凝-超滤工艺可以较大程度提高出水水质，尤其是有机物大大减少。

（2）在线混凝-粉末活性炭-超滤工艺对于延缓TMP增长相对于在线混凝-超滤工艺提升不大，但是需要化学清洗的膜污染部分有所降低。该工艺运行稳定，经化学清洗后，TMP基本可以恢复。

（3）粉末活性炭的投加并不会对膜及出水造成次生污染，粉末活性炭投量以及投加方式应根据原水水质、经济成本、设备人力等实际情况择优确定。

参考文献：

[1]李圭白，杨艳玲.第三代城市饮用水净化工艺—超滤为核心技术的组合工艺[J].给水排水，2007，33（4）：1.

[2]王湛.膜分离技术基础[M].北京：化学工业出版社，2000：243～244.

[3] GB 5749—2006，《生活饮用水卫生标准》[S].

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

[5]何攀，何凤华等.操作条件对浸没式超滤膜污染影响的中试研究[J].给水排水，2010，36（3）：12～16.

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