超濾一體化裝置處理閩江高含藻原水的效果

超濾一體化裝置處理閩江高含藻原水的效果

林茜1，范功端1，2，魏忠慶2，黃功洛2，蘇昭越1，陳麗茹1，林茹晶1

(1. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州350108；2. 福州城建設(shè)計研究院有限公司，福建福州350001)

摘要考察了集混凝—斜管沉淀—超濾于一體的裝置在高藻水期對閩江水的凈水效果。結(jié)果表明超濾一體化裝置出水濁度小于0.1 NTU，濁度去除率達到99%以上；出水CODMn均值為1.40mg/L，出水UV254為0.024cm-1，CODMn和UV254去除率分別為57.3%和50.1%；出水細(xì)菌含量低于《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的限值，細(xì)菌去除率大于99%。超濾組合工藝對藻類處理效果優(yōu)于水廠工藝，藻類總?cè)コ蕿?9.3%。當(dāng)膜通量下降時，縮短過濾時間、延長反沖洗時間可以使膜通量恢復(fù)；當(dāng)超濾膜出現(xiàn)不可逆污染時，通過 CIP清洗恢復(fù)膜過濾性能。在高藻水期，水溫對膜通量和TMP影響較小，在保證出水水質(zhì)的前提下，較大的膜通量運行更節(jié)能。

關(guān)鍵詞超濾一體化裝置高含藻原水膜通量效果

中圖分類號：TU991.2文獻標(biāo)識碼： B

[收稿日期]2014-09-25

[基金項目]福建省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)系統(tǒng)科學(xué)技術(shù)項目(2014-K-05)；國家自然科學(xué)基金(51308123)；福州大學(xué)科技發(fā)展基金(2013-XY-25)；中國博士后科學(xué)基金(2014M561856)

[作者簡介]林茜(1991—)，女，研究生，研究方向為水處理理論與技術(shù)。電話： 13706993922；E-mail： 444731244@qq.com。

[通訊作者]范功端，博士，研究方向為水處理理論與技術(shù)。電話： 0591-22865361；E-mail： fgdfz@fzu.edu.cn。

Effectiveness of Integrated Device of Ultrafiltration Process for Treatment of High Algae-Laden Raw Water from Minjiang River

Lin Qian1, Fan Gongduan1, 2, Wei Zhongqing2, Huang Gongluo2, Su Zhaoyue1, Chen Liru1, Lin Rujing1

(1.CollegeofCivilEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350108,China;

2.FuzhouUrbanConstructionDesignandResearchInstituteCo.,Ltd.,Fuzhou350001,China)

AbstractAn integrated device of ultrafiltration in combination with coagulation and sedimentation was built to treat Minjiang river water, and the treatment effect during high algae laden period was investigated. The results show that turbidity of effluent is less than 0.1 NTU, and removal rate of turbidity is 99%. CODMn and UV254 of effluent are 1.40mg/L and 0.024cm-1, respectively, and the corresponding removal rates are 57.3% and 50.1%. The number of bacteria of effluent is less than the limit value from Drinking Water Standards (GB 5749—2006), and removal rate is higher than 99%. The removal effect of algae with combined process is better than that with traditional process in water plant at present, the removal rate of algae is 99.3%. Decreasing the filtering time and prolonging the back flushing time is able to restore the membrane flux. If there is irreversible pollution on ultrafiltration membrane, cleaning in place (CIP) is effective restoring the membrane filtration performance. In the high algae-laden period, water temperature has no significant influence on membrane flux and trans-membrane pressure (TMP), and therefore using larger membrane flux will make the integrated device more energy-saving with effluent quality ensured.

Keywordsultrafiltrationintegrated devicehigh algae-laden raw watermembrane fluxeffectiveness

人類活動使天然水體中氮、磷等營養(yǎng)元素的濃度增大，使水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致藻類等水生植物惡性生長[1]。傳統(tǒng)的混凝、沉淀、砂濾、消毒工藝對高藻水的處理能力有限，消毒過程還可能使藻細(xì)胞破裂，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物釋放到水體中，破壞飲用水的生物安全性及增加消毒副產(chǎn)物量。在藻類暴發(fā)季節(jié)，凈水廠面臨著原水出現(xiàn)臭味、增加消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生威脅[2]、濾池堵塞等諸多問題。超濾膜是懸浮顆粒及膠體物質(zhì)的有效屏障，去除“兩蟲”、藻類、細(xì)菌、病毒[3]從而保障飲用水微生物安全性。

超濾工藝處理高藻水會出現(xiàn)膜通量明顯下降或者跨膜壓差迅速升高的現(xiàn)象。在運行過程中，大量藻類黏附在膜表面，使膜過濾阻力劇增。藻類在生長過程中會通過新陳代謝的作用向水中釋放其衍生物，即藻源有機物(algogenic organic matter, AOM)，AOM包含大分子親水性有機物，會堵塞膜孔[4]，通過常規(guī)反沖洗難以恢復(fù)，降低超濾工藝的運行效果。因此需要考察以超濾為核心技術(shù)的組合工藝對含藻水的處理效果及超濾膜的運行性能，以確定較合適的運行參數(shù)，以便保證超濾膜持久高效運行。

本試驗以閩江水(福州段)為研究對象，根據(jù)原水水質(zhì)特征，開發(fā)了混凝沉淀—超濾膜一體化裝置。一體化裝置采用混凝沉淀作為預(yù)處理工藝，能去除大部分懸浮顆粒，并有助于去除低分子量的天然有機物，能夠延長膜使用壽命、降低制水成本[5]。此外一體化的設(shè)計具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、可靈活轉(zhuǎn)移等優(yōu)點，可用于凈水條件有限、人口規(guī)模較小地區(qū)的供水。開展超濾一體化裝置中試試驗，目的是研究其對高藻水期閩江水的處理效果。

1材料與方法

1.1超濾一體化裝置

超濾一體化裝置是集混凝—斜管沉淀—超濾于一體的裝置，裝置首先通過管式靜態(tài)混合器向原水中投加聚氯化鋁，經(jīng)過絮凝池充分混合后，進入斜板沉淀池進行泥水分離，上清液進入超濾膜組件進行處理?；炷齽┚勐然X的投加量約4mg/L，絮凝反應(yīng)池中攪拌機的轉(zhuǎn)速為82r/min，采用上流式斜管沉淀池。超濾一體化裝置總體積為29.8m3，占地面積為12.5m2，配置4組超濾膜組件。出于試驗成本與節(jié)約水資源的考慮，中試期間僅運行1組超濾膜組件。超濾一體化裝置的工藝流程圖和超濾裝置示意圖如圖1所示。

超濾膜運行包含過濾過程(20～60min)，氣洗過程(30～60s)和反洗過程(30～60s)，三個狀態(tài)周而復(fù)始地循環(huán)執(zhí)行，過濾方式為全流過濾。根據(jù)水源水質(zhì)情況，可調(diào)整循環(huán)過程中化學(xué)反洗等加藥過程。化學(xué)反洗分為維護性化學(xué)反洗(enhance backflush, EBF)和恢復(fù)性化學(xué)反洗(cleaning in place, CIP)。EBF的間隔時間為8h，在超濾產(chǎn)水側(cè)加入化學(xué)藥劑(次氯酸鈉與氫氧化鈉)，通過循環(huán)流動，浸泡去除污染物。CIP是離線的清洗方式，包括酸洗和堿洗，利用清洗泵將化學(xué)藥劑(鹽酸或氫氧化鈉)注入超濾系統(tǒng)，經(jīng)過長時間的循環(huán)浸泡，去除常規(guī)反洗和EBF難以去除的污染物。

試驗所用超濾膜的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

a． 超濾一體化裝置工藝流程圖

b． 超濾裝置示意圖 圖1　超濾一體化裝置的工藝流程圖和超濾裝置示意圖 Fig.1　Flow Chart of Integrated Device of Ultrafiltration and Schematic of Ultrafiltration Device

參 數(shù)超濾膜結(jié) 構(gòu)中空纖維膜材質(zhì)親水性改良PAN表面積(公稱)/m245膜通量/(L·m-2·h-1)44～66孔徑(公稱)/nm50過濾方式外壓式再生方式氣洗+水洗最大跨膜壓差/bar進水0.8反洗1.5

1.2原水廠概況

水廠始建于20世紀(jì)80年代，取水口位于閩江南港烏龍江。水廠供水規(guī)模為5萬m3/d，凈水工藝流程如圖2所示。

圖2　現(xiàn)有工藝流程圖 Fig.2　Flow Chart of Existing Process

烏龍江周邊有工業(yè)廢水、畜禽養(yǎng)殖廢水排入，導(dǎo)致水體中含氮、磷等物質(zhì)濃度偏高，造成高溫期藻類的大量繁殖。原水水質(zhì)情況如表2所示。

表2　原水水質(zhì)

1.3檢測項目與方法

濁度： HACH-2100N濁度儀；COD： 酸性高錳酸鉀滴定法；UV254： WFZ UV-2000紫外可見分光光度計；菌落總數(shù)： 平皿計數(shù)法；大腸桿菌： 多管發(fā)酵法；藻密度： 浮游生物計數(shù)法[6]。

2結(jié)果與討論

2.1對濁度的去除效果

濁度是懸浮顆粒物和膠體的替代參數(shù)。顆粒物和懸浮物膠體是水中細(xì)菌和病毒等微生物的載體[7]。圖3為高藻期的原水、出廠水和膜進出水濁度變化情況。

圖3　原水、出廠水、膜進出水濁度 Fig.3　Turbidity of Raw Water, Finished Water, Influent of Membrane and Effluent of Membrane

當(dāng)原水濁度為18～149 NTU，經(jīng)過一體化裝置前端的絮凝、沉淀池，原水濁度降至3.4 NTU，滿足超濾進水濁度一般小于50 NTU的要求。超濾膜出水濁度均值為0.094 NTU，低于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的限值1 NTU，也低于同期水廠出廠水的濁度均值0.237 NTU。原水中懸浮顆粒物和膠體通過混合絮凝，形成大分子絮體，在沉淀池部分沉降，再通過超濾進一步降低濁度，提高出水水質(zhì)。一體化裝置所采用的組合工藝對濁度的去除率高達99.9%，表明其對水中細(xì)菌和病毒有良好的去除能力。

2.2對有機物的去除效果

2.2.1對CODMn的去除效果

高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)可作為水體受有機污染物質(zhì)污染程度的指標(biāo)。圖4為高藻期的原水、出廠水和膜進出水CODMn變化情況。

圖4　原水、出廠水、膜進出水COD Mn Fig.4　COD Mn of Raw Water, Finished Water, Influent of Membrane and Effluent of Membrane

當(dāng)原水CODMn在2.42～4.80mg/L范圍內(nèi)變化時，超濾一體化裝置出水CODMn為0.55～2.77mg/L，出水CODMn均值為1.40mg/L，低于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的限值3mg/L?；炷恋砬疤幚韺ODMn的平均去除率為57.3%，超濾對CODMn的平均去除率是4.5%。

2.2.2對UV254的去除效果

UV254是水樣在254nm處所能吸收的紫外光度值。水中的腐植酸、芳香類有機物、多環(huán)芳烴類等含共軛雙鍵的有機物，在紫外區(qū)內(nèi)具有明顯的吸收峰，表明紫外吸光度值和水中該類有機物的含量具有相關(guān)關(guān)系，可表征水中有機物的含量。因此UV254可以作為TOC及消毒副產(chǎn)物的代用參數(shù)推廣應(yīng)用[8]。圖5為原水、出廠水、膜進出水UV254。

當(dāng)原水UV254為0.041～0.061cm-1時，膜出水UV254均值為0.024cm-1，出廠水UV254均值為0.023cm-1，膜出水UV254略大于出廠水?；炷恋砣コ蕿?3.0%，超濾去除率為7.1%，總?cè)コ蕿?0.1%。

圖5　原水、出廠水、膜進出水UV 254 Fig.5　UV 254 of Raw Water, Finished Water, Influent of Membrane and Effluent of Membrane

有機物主要通過混合、絮凝和沉淀去除，超濾膜雖然是懸浮顆粒物和膠體物質(zhì)的有效屏障，但因為截留分子量較大，只能截留沉淀池出水中殘余的懸浮和膠體態(tài)有機物，對天然有機物的去除效果有限，難以控制出水中溶解性有機物的問題[9]，因此需要加強膜前預(yù)處理，如投加粉末活性炭[10]、PPC加強混凝[11]等。該一體化裝置已設(shè)有藥罐存放區(qū)，以備后期的預(yù)處理工藝調(diào)整。若原水水質(zhì)較差，只需附設(shè)投藥裝置即可投加上述藥劑。

2.3對微生物的去除效果

2.3.1對細(xì)菌的去除效果

表3為膜進出水的細(xì)菌數(shù)量，膜出水細(xì)菌含量都能滿足生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)的要求。當(dāng)原水菌落總數(shù)為10～2 400 CFU/mL時，出水菌落總數(shù)能控制在10 CFU/mL以下，細(xì)菌去除率大于99%。膜出水總大腸菌群數(shù)均<2，低于方法檢出限，即沒有檢出出水中含有大腸菌群。

試驗所用超濾膜的公稱孔徑為0.05μm，而 一般水體中最小的細(xì)菌尺寸為0.3μm，理論上能截留全部的細(xì)菌，但是表3中數(shù)據(jù)顯示膜出水中仍然含有少量的細(xì)菌。分析認(rèn)為細(xì)菌會黏附在膜上[12]，在一定條件下還會發(fā)生擠壓變形，進而穿透膜組件[13]。

2.3.2對藻類的去除效果

表4為原水、出廠水和膜進出水藻密度。

藻類總?cè)コ蕿?9.3%，混凝沉淀對藻類去除率為91.1%，超濾對藻類去除率為8.2%?；炷恋眍A(yù)處理工藝去除了大部分的藻類，其余混凝沉淀難以去除的藻類經(jīng)過超濾過程而被去除，鏡檢觀察到原水中的優(yōu)勢藻種是圓篩藻，細(xì)胞直徑58～100μm，遠大于超濾膜0.05μm孔徑，可被超濾膜完全截留。膜出水僅一次檢測到含有藻類，而出廠水有三次檢出含藻，說明超濾一體化裝置運行更加穩(wěn)定、出水水質(zhì)更好。

一體化凈水裝置對細(xì)菌和藻類的去除率都達到99%以上，證實了前文所述的高除濁率意味著良好的去除細(xì)菌、藻類等微生物的能力。

表3　膜進出水的細(xì)菌數(shù)量

表4　原水、出廠水、膜進出水藻密度

2.4膜污染控制措施

膜通量指單位面積膜單位時間上透過的產(chǎn)水量，由于液體粘度會隨溫度發(fā)生變化，在相同工作壓力下，超濾組件的過濾通量及跨膜壓差會隨溫度有較大幅度的變化，將膜通量統(tǒng)一校正為25℃時的標(biāo)準(zhǔn)膜通量。跨膜壓差(transmembrane pressure, TMP)是關(guān)于跨膜壓降的函數(shù)，在實驗室規(guī)模的試驗中常用于評估膜污染程度[14]。對于全流過濾而言，TMP等于進水口壓力減去產(chǎn)水側(cè)壓力。圖6為膜通量與跨膜壓差隨運行時間的變化曲線。

圖6　膜通量與跨膜壓差變化曲線 Fig.6　Change Curves of Membrane Flux and Transmembrane Pressure

運行初期的運行參數(shù)： 過濾時間為60min，氣洗時間為60s，水洗時間為45s。在此階段，膜通量穩(wěn)定在46L/m2·h左右，TMP隨著膜通量變化有所波動，TMP均值為38kPa。當(dāng)運行時間達到312h時，膜通量急劇下降，最低降至24.4L/m2·h，TMP逐漸升高至44kPa。

為了提高膜通量，嘗試提高超濾系統(tǒng)原水泵頻率以加大進水量，運行2d之后，膜通量僅增加到31L/m2·h左右，并未恢復(fù)至正常水平，反而使TMP大幅上升至55kPa。此后調(diào)整運行參數(shù)，將過濾時間由60min縮短至45min，延長水洗時間至最大值60s，運行32h后，膜通量提高到62.2L/m2·h，但TMP沒有明顯下降，仍達到55kPa，這表明超濾膜上已形成常規(guī)反沖洗難以去除的不可逆污染。在高藻水期，水體中藻源有機物、溶解性腐植酸[11]、生物大分子和低分子化合物會通過沉積、吸附等作用使超濾膜孔堵塞窄化，造成不可逆污染[15,16]，因此進行恢復(fù)性化學(xué)清洗(CIP)。表5為在運行工況相同的前提下，CIP前后的數(shù)據(jù)對比。

表5　CIP前后的通量與跨膜壓差

由表5可知經(jīng)過CIP后TMP下降了21%，說明CIP對于恢復(fù)膜性能是十分有效的。

經(jīng)過上文分析可得出以下結(jié)論： 當(dāng)超濾膜通量下降時，不能通過提高進水量以增大膜通量，這種做法只會加重濾膜運行壓力。而應(yīng)該采取緩解膜污染的措施，如縮短過濾時間，延長反沖洗時間。當(dāng)超濾膜出現(xiàn)不可逆污染時，CIP是恢復(fù)膜過濾性能的有效措施。

2.5高藻期效能分析

在高藻期，運行1組超濾膜組件的過濾膜通量能穩(wěn)定在48.4L/m2·h左右，平均產(chǎn)水率為97.5%，換算成日產(chǎn)水量為51m3/d，則配有4組膜組件的一體化凈水裝置日產(chǎn)水量可達204m3。根據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，近幾年我國人均生活用水量約150L/d，依此計算，可滿足1 300多人的生活用水需求。

圖7為膜通量不同、其他運行參數(shù)相同時所對應(yīng)的耗電量。此處的耗電量僅包括超濾部分，不包含前端進水泵和攪拌器的耗電量。

圖7　不同膜通量對應(yīng)的耗電量 Fig.7　Electricity Consumption of Different Membrane Flux

由圖7可知膜通量越大，處理單位體積水的用電量越小。數(shù)據(jù)顯示膜通量提高36.2%，生產(chǎn)1m3水的電耗可減少10.8%，這是因為反沖洗過程消耗大部分的電能，過濾過程僅占一小部分，提高系統(tǒng)進水量，總耗電量雖然增大，但是膜通量增加量更大，折算成每立方米的耗電量就更小。所以，在春夏高藻期，水溫對通量和TMP影響較小，可以采用較大的膜通量運行，但是要注意觀察TMP的增長幅度，避免TMP過大造成膜絲損壞。

3結(jié)論

對于高藻期閩江水，經(jīng)過混凝—斜管沉淀—超濾一體化裝置處理后水質(zhì)濁度、有機物和細(xì)菌等指標(biāo)可以達到《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)?；炷恋怼瑸V組合工藝出水濁度遠低于1 NTU，濁度去除率達到99%以上，CODMn和UV254去除率分別為57.3%和50.1%；出水菌落總數(shù)能控制在10 CFU/mL以下，藻類總?cè)コ蕿?9.3%，超濾工藝處理效果優(yōu)于水廠現(xiàn)有工藝。

超濾一體化裝置占地面積僅12.5m2，正常運行時的日產(chǎn)水量可達200m3，且操作簡便，自動化程度高，適用于飲用水源水受微污染的小型城鎮(zhèn)供水。

采用超濾結(jié)合混凝沉淀預(yù)處理的組合工藝，既能保證超濾膜在較高的過濾通量下長期穩(wěn)定運行，還能在一定程度上降低膜產(chǎn)生不可逆污染的風(fēng)險。當(dāng)膜通量下降時，縮短過濾時間，延長反沖洗時間恢復(fù)膜通量。當(dāng)超濾膜出現(xiàn)不可逆污染時，CIP是恢復(fù)膜過濾性能的有效措施。

在春夏高藻期，水溫對膜通量和TMP影響較小，在保證出水水質(zhì)的前提下采用較大的膜通量運行可使系統(tǒng)更節(jié)能。

參考文獻

[1] Lewis W M, Wurtsbaugh W A, Paerl H W. Rationale for Control of Anthropogenic Nitrogen and Phosphorus to Reduce Eutrophication of Inland Waters[J]. Environmental Science & Technology, 2011, 45(24)： 10300-10305.

[2] Huang J, Graham N, Templeton M R,etal. A comparison of the role of two blue-green algae in THM and HAA formation[J]. Water Research, 2009, 43(12)： 3009-3018.

[3] Shannon M A, Bohn P W, Elimelech M,etal. Science and technology for water purification in the coming decades[J]. Nature, 2008, 452(5)： 301-310.

[4] 李甜,董秉直,劉錚.藻類有機物的特性以及對超濾膜的污染[J].環(huán)境科學(xué),2010, 31(2)： 318-323.

[5] Wray H E, Andrews R C. Optimization of coagulant dose for biopolymer removal： Impact on ultrafiltration fouling and retention of organic micropollutants[J]. Journal of Water Process Engineering, 2014, 32(1)： 74-83.

[6] 水和分水檢測分析方法(第四版)[M]. 北京： 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2002.

[7] 杜星,梁恒,吳曉波,等.混凝/超濾工藝處理北江原水的低通量運行[J].中國給水排水，2013,29(9)： 38-41.

[8] 劉貝. 生物—氧化鐵改性砂對微污染物NH3-N和UV254的處理效果研究[D].廣州： 廣東工業(yè)大學(xué), 2013.

[9] 肖萍,肖峰,趙錦輝,等.采用膜污染指數(shù)評估天然有機物在低壓超濾膜中的污染行為[J].環(huán)境科學(xué),2012, 33(12)： 4322-4328.

[10] 于明梅,于水利,阮婷,等. 高濃度粉末活性炭/超濾工藝的除污效能[J].中國給水排水,2011,27(23)： 8-12.

[11] 瞿芳術(shù),崔寶軍,梁恒,等.PPC預(yù)氧化和超濾協(xié)同處理引黃水庫高藻水[J].給水排水,2010,36(8)： 15-19.

[12] Adout A, Kang S, Asatekin A,etal. Ultrafiltration Membranes Incorporating Amphiphilic Comb Copolymer Additives Prevent Irreversible Adhesion of Bacteria[J]. Environmental Science & Technology, 2010, 44(7)： 2406-2411.

[13] 黃靜,楊艷玲,李星,等.不同預(yù)處理/超濾工藝的除污特性及氯消毒效能[J].中國給水排水,2012,28(1)： 22-25,30.

[14] Boyd C C, Duranceau S J. Evaluation of ultrafiltration process fouling using a novel transmembrane pressure (TMP) balance approach[J]. Journal of Membrane Science, 2013, 379(6)： 456-464.

[15] Peter-Varbanets M, Margot J, Traber J,etal. Mechanisms of membrane fouling during ultra-low pressure ultrafiltration[J]. Journal of Membrane Science, 2011, 377(12)： 42-53.

[16] 瞿芳術(shù),梁恒,雒安國,等.高錳酸鹽復(fù)合藥劑預(yù)氧化緩解超濾膜藻類污染的中試研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2010,30(7)： 1366-1371.