BPAC-UF組合工藝對(duì)微污染原水處理效果及膜污染控制

吳俊業(yè)，陳皓珅，沈愷樂(lè)，王 郡，史 俊，王子巖，鄧慧萍

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

近年來(lái)，我國(guó)水源水受到工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污水不同程度的污染，特別是有機(jī)物的污染，導(dǎo)致水源水部分水質(zhì)指標(biāo)不符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)III類標(biāo)準(zhǔn)[1]，水廠常規(guī)處理工藝(混凝→沉淀→過(guò)濾→消毒)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效凈化，出廠水水質(zhì)難以達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的要求[2]。目前對(duì)于微污染原水的處理方法，按其凈化工藝可分為強(qiáng)化常規(guī)工藝、預(yù)處理工藝和深度處理工藝，具體則涉及到吸附、氧化、生物處理以及膜分離技術(shù)[3-4]。膜分離技術(shù)由于其出水水質(zhì)好且穩(wěn)定、占地面積小、能耗較低等優(yōu)點(diǎn)被公認(rèn)為新一代水處理技術(shù)，用于凈水處理的前景廣闊[5-6]。2006年，李圭白[7]提出“以超濾為核心的第三代城市飲用水凈化工藝”，我國(guó)的超濾膜水廠投產(chǎn)數(shù)也在大幅增加。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，溶解性有機(jī)物經(jīng)過(guò)超濾膜處理后去除率并不高[8-9]。此外，膜污染從膜分離技術(shù)誕生以來(lái)便是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題[10-11]。因此，超濾膜常和其它工藝聯(lián)用成為組合工藝，彼此之間取長(zhǎng)補(bǔ)短，共同發(fā)揮各自效能來(lái)凈化水質(zhì)。

本文采用粉末活性炭接觸池和超濾膜的分體式工藝，通過(guò)在宜興市氿濱水廠的中試裝置，系統(tǒng)探究BPAC-UF分體式工藝對(duì)微污染原水的處理效果，同時(shí)研究超濾膜污染情況。超濾膜采用PVDF和PVC兩種材質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，分析兩者在處理效果和抗污染能力方面的優(yōu)劣。

1 材料與方法

1.1 原水水質(zhì)

本試驗(yàn)所用原水為宜興市氿濱水廠西氿水源水經(jīng)過(guò)中試規(guī)模的常規(guī)工藝(混凝-平流沉淀-V型濾池)處理后的水。原水的主要水質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 原水水質(zhì)Tab.1 Raw Water Quality

1.2 材料與檢測(cè)方法

試驗(yàn)所用PAC是由宜興市氿濱水廠提供的木質(zhì)炭，其主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 PAC主要性能參數(shù)Tab.2 Main Performance Parameters of PAC

試驗(yàn)所用超濾膜為蘇州立升凈水科技有限公司提供的浸入式PVC中空纖維膜和PVDF中空纖維膜，其主要參數(shù)如表3所示。

表3 超濾膜物理參數(shù)Tab.3 Physical Parameters of UF Membrane

表4 常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)方法及儀器Tab.4 Determination Method and Instruments of Conventional Indexes

1.3 試驗(yàn)方法

BPAC-UF組合工藝如圖1所示。濾后水通過(guò)進(jìn)水泵抽送進(jìn)入活性炭接觸池，PAC采用濕態(tài)法投加方式，為保持活性炭呈懸浮狀態(tài)，活性炭接觸池采用上向流，同時(shí)設(shè)置機(jī)械攪拌裝置。此外，為保證足夠的溶解氧以滿足PAC顆粒上硝化細(xì)菌生長(zhǎng)需求，接觸池內(nèi)設(shè)置曝氣裝置?；钚蕴拷佑|池的水通過(guò)堰口溢流至斜管沉淀區(qū)底部，水流呈上向流經(jīng)過(guò)斜管沉淀區(qū)，斜管沉淀區(qū)上部為清水區(qū)，清水區(qū)的水通過(guò)溢流堰流至炭池出水區(qū)。此外，本試驗(yàn)炭池設(shè)有回流管以減少PAC流失。炭池出水區(qū)的水通過(guò)進(jìn)水泵抽送至膜池。

圖1 BPAC-UF組合工藝示意Fig.1 Schematic Diagram of Combined Processes of BPAC-UF

本試驗(yàn)采用浸沒(méi)式超濾膜，因此膜池內(nèi)水位高于PVDF和PVC超濾膜，超濾膜反沖洗水為超濾產(chǎn)水。炭池進(jìn)流量為1.10 m3/h，炭池內(nèi)PAC濃度為2 g/L，膜通量為20 L/(m2·h)，PVDF膜和PVC膜產(chǎn)水量分別為0.52 m3/h和0.56 m3/h，過(guò)濾周期為45 min，超濾反沖洗采用先氣沖，再氣水同時(shí)反沖的方式，氣沖強(qiáng)度為5 m3/h，水沖強(qiáng)度為4 m3/h，氣沖時(shí)間為30 s，氣水同時(shí)反沖時(shí)間為40 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 BPAC-UF組合工藝對(duì)濁度、顆粒物的去除效果

BPAC-UF組合工藝對(duì)濁度、顆粒物的去除效果如圖2和圖3所示，去除率如表5所示。

圖2 BPAC-UF組合工藝對(duì)濁度的去除效果Fig.2 Effect of Turbidity Removal by Combined Processes of BPAC-UF

圖3 BPAC-UF組合工藝對(duì)顆粒物的去除效果Fig.3 Effect of Particulates Removal by Combined Processes of BPAC-UF

進(jìn)水為中試濾后水，濁度為0.51～1.73 NTU，波動(dòng)范圍較小，表明常規(guī)工藝出水濁度較為穩(wěn)定，對(duì)于濁度的控制效果較好。膜池內(nèi)濁度為1.07～3.48 NTU，比進(jìn)水的波動(dòng)范圍較大，主要是因?yàn)樘砍貎?nèi)的PAC無(wú)法被斜管沉淀區(qū)完全沉淀，炭池內(nèi)的PAC會(huì)隨炭池出水進(jìn)入膜池，引起膜池內(nèi)濁度指標(biāo)的波動(dòng)。PVDF和PVC兩種材質(zhì)的超濾膜對(duì)濁度的平均去除率超過(guò)95%，出水濁度分別為0.02～0.12 NTU和0.02～0.09 NTU，符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)中出水濁度小于1 NTU的要求。PVDF膜和PVC膜對(duì)濁度去除效果基本相同。

膜池內(nèi)小于10 μm的顆粒物數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于進(jìn)水的顆粒物數(shù)量，主要是由于炭池內(nèi)的斜管沉淀區(qū)無(wú)法對(duì)PAC實(shí)現(xiàn)完全截留沉淀，導(dǎo)致PAC隨炭池出水進(jìn)入膜池。隨著顆粒尺寸的增大，膜池內(nèi)的顆粒數(shù)成冪函數(shù)級(jí)減少。PVDF膜和PVC膜的出水中，各個(gè)尺寸的顆粒物數(shù)量都較少，表明在顆粒物數(shù)量方面超濾膜產(chǎn)水性能較為穩(wěn)定。

表5 BPAC-UF組合工藝對(duì)顆粒物的去除率Tab.5 Removal Rate of Particulates by Combined Processes of BPAC-UF

由表5可知，PVDF膜和PVC膜對(duì)尺寸小于2 μm的顆粒物去除率分別為91.64%和88.83%，隨著顆粒物尺寸的增大，兩組膜的去除率均在下降。這是由于隨著顆粒物尺寸的增大，進(jìn)水中的大尺寸顆粒物數(shù)量呈冪函數(shù)級(jí)減少，超濾膜出水中大分子顆粒物數(shù)量的絕對(duì)值已足夠少導(dǎo)致去除率不高。其次，因?yàn)轭w粒計(jì)數(shù)儀無(wú)法明確區(qū)分微小氣泡和真正的顆粒物，所以物理反沖洗尤其是是氣沖后殘留的微小氣泡可能會(huì)增加超濾膜出水中的顆粒物數(shù)量，因此，該原因也會(huì)導(dǎo)致去除率不高。

雖然PAC隨炭池出水進(jìn)入膜池導(dǎo)致膜池內(nèi)小分子顆粒物數(shù)量激增，但PVDF膜和PVC膜對(duì)于顆粒物的去除效果較好，超濾膜出水可以滿足要求，并且在顆粒物截留去除率方面，PVDF膜略高于PVC膜，但總體差異不大。

2.2 BPAC-UF組合工藝對(duì)氮類物質(zhì)的去除效果

圖4 BPAC-UF組合工藝對(duì)的去除效果Fig.4 Effect of Ammonia Nitrogen Removal by Combined Processes of BPAC-UF

圖5 BPAC-UF組合工藝對(duì)亞硝酸鹽的去除效果(a)PVDF膜；(b)PVC膜Fig.5 Effect of Nitrite Removal by Combined Processes of BPAC-UF (a) PVDF Membrane；(b)PVC Membrane

2.3 BPAC-UF組合工藝對(duì)CODMn的去除效果

BPAC-UF組合工藝對(duì)CODMn的去除效果如圖6所示。

圖6 BPAC-UF組合工藝對(duì)CODMn的去除效果(a )PVDF膜；(b)PVC膜Fig.6 Effect of CODMn Removal by Combined Processes of BPAC-UF (a)PVDF Membrane;(b)PVC Membrane

在運(yùn)行的前7 d，裝置主要靠活性炭的吸附作用和膜的截留作用去除CODMn。PAC由于是剛投加進(jìn)炭池的新炭，其表面具有大量吸附點(diǎn)位，因此可以憑借PAC的吸附性能對(duì)CODMn加以去除，但是隨著PAC達(dá)到吸附飽和，組合工藝對(duì)于CODMn的去除率呈不斷減小的趨勢(shì)，這與岳琳[16]的研究基本一致。運(yùn)行的第8 d，向西氿原水在線連續(xù)投加氯化銨，與此同時(shí)，向炭池內(nèi)重新投加PAC，使其濃度達(dá)到2 g/L，之后每天向炭池補(bǔ)充新炭0.2 g/L，維持炭池內(nèi)PAC濃度的相對(duì)穩(wěn)定。由圖6可知，BPAC-UF組合工藝對(duì)于CODMn的去除率發(fā)生突增，達(dá)到30%以上，主要是依靠新炭的吸附作用。和前7 d趨勢(shì)相同，隨著新炭吸附點(diǎn)位的減少，PAC逐漸達(dá)到吸附飽和，對(duì)于CODMn的去除率不斷降低。

在運(yùn)行的第11～32 d，隨著PAC顆粒上亞硝酸菌和硝酸菌先后開(kāi)始生長(zhǎng)，PVDF膜對(duì)CODMn的去除率為12.70%～28.67%，PVC膜對(duì)CODMn的去除率為11.11%～28.21%，波動(dòng)范圍較大。主要是因?yàn)槲⑸锏拇嬖?，尤其是亞硝酸菌的生長(zhǎng)，影響了水中CODMn和去除率的波動(dòng)，隨著亞硝酸菌將水中的氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽作為還原性無(wú)機(jī)物，對(duì)CODMn產(chǎn)生了不可忽視的作用。隨著硝酸菌的長(zhǎng)成，BPAC-UF組合工藝對(duì)CODMn的去除率趨于穩(wěn)定，在第25～32 d，PVDF膜和PVC膜對(duì)CODMn的平均去除率分別為25.50%和24.84%。岳琳[16]的研究中，BPAC-UF對(duì)CODMn的去除率可達(dá)到70%，推測(cè)其原因可能是本試驗(yàn)中進(jìn)水為中試濾后水，CODMn初始濃度為2.15～3.33 mg/L，而岳琳[16]研究中進(jìn)水CODMn初始濃度為5.5～8.6 mg/L。

2.4 跨膜壓差

本試驗(yàn)BPAC-UF組合工藝以20 L/(m3·h)恒通量連續(xù)運(yùn)行，過(guò)濾產(chǎn)水周期為45 min，每個(gè)周期之間的反沖洗流程為先單獨(dú)氣沖30 s，然后氣水同時(shí)反沖洗40 s，氣沖強(qiáng)度設(shè)為5 m3/h，水沖強(qiáng)度設(shè)為4 m3/h，跨膜壓差的變化以每個(gè)產(chǎn)水周期開(kāi)始時(shí)的跨膜壓差為基準(zhǔn)。

選取12 h為短期跨膜壓差的研究時(shí)長(zhǎng)，超濾膜產(chǎn)水周期為45 min，12 h內(nèi)有11個(gè)有效產(chǎn)水周期(圖7)。

圖7 PVDF膜和PVC膜短期跨膜壓差變化Fig.7 Short-Term Changes on TMP of PVDF Membrane and PVC Membrane

由圖7可知，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，PVDF膜和PVC膜的跨膜壓差具有逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，PVDF膜和PVC膜跨膜壓差的增速分別為0.94 kPa/d和1.02 kPa/d。由此可知，在相同運(yùn)行時(shí)期內(nèi)，PVDF膜比PVC膜的跨膜壓差增速小。

圖8為PVDF膜和PVC膜長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)跨膜壓差的變化情況，每天的跨膜壓差為當(dāng)天所有運(yùn)行周期內(nèi)的平均跨膜壓差值。根據(jù)文獻(xiàn)研究和工程經(jīng)驗(yàn)[17-18]，在跨膜壓差增長(zhǎng)至40 kPa時(shí)設(shè)置化學(xué)反沖洗，由圖8可知，運(yùn)行過(guò)程跨膜壓差未超過(guò)40 kPa，因此試驗(yàn)過(guò)程不曾采取化學(xué)沖洗。PVDF膜和PVC膜的跨膜壓差變化趨勢(shì)相似，運(yùn)行中PVC膜的跨膜壓差和增長(zhǎng)速度都略高于PVDF膜，整個(gè)運(yùn)行階段內(nèi)，PVDF膜和PVC膜的跨膜壓差增速分別為1.01 kPa/d和1.10 kPa/d。第1～8 d，超濾膜剛使用不久，膜表面更易吸附水中的污染物和PAC，從而形成濾餅層，因此跨膜壓差增速較快。第8～24 d，PVDF膜和PVC膜跨膜壓差增速變緩，主要是因?yàn)槟け砻鏋V餅層逐漸形成，膜池水中的污染物含量沒(méi)有發(fā)生突增導(dǎo)致對(duì)超濾膜系統(tǒng)的沖擊。在第25～32 d，PVDF膜和PVC膜跨膜壓差增速變快，主要是因?yàn)槟け砻婧湍た滓呀?jīng)污染嚴(yán)重，尤其是不可逆污染的產(chǎn)生導(dǎo)致每個(gè)周期之間的物理反沖洗已不能有效控制膜污染。

圖8 PVDF膜和PVC膜長(zhǎng)期跨膜壓差變化Fig.8 Long-Term Changes on TMP of PVDF Membrane and PVC Membrane

運(yùn)行結(jié)束后，對(duì)超濾膜進(jìn)行強(qiáng)化物理反沖洗，氣沖及水沖強(qiáng)度與之前的運(yùn)行參數(shù)一致，先單獨(dú)水沖8 min，再氣水同時(shí)反沖40 s。強(qiáng)化物理反沖結(jié)束后，PVDF膜和PVC膜的跨膜壓差分別從37.32 kPa和40.64 kPa降至14.39 kPa和15.75 kPa，恢復(fù)量分別為61.44%和61.25%。

在強(qiáng)化物理反沖洗的基礎(chǔ)上，再對(duì)PVDF膜和PVC膜進(jìn)行化學(xué)反沖洗。本研究采用的化學(xué)反沖方法為先用600 mg/L的次氯酸鈉溶液反沖洗2 min，通量與超濾產(chǎn)水通量一致。然后將膜池內(nèi)的反沖洗水配成1 000 mg/L的次氯酸鈉溶液，將PVDF膜和PVC膜浸泡2 h，每30 min設(shè)置時(shí)長(zhǎng)2 min的單獨(dú)氣沖，強(qiáng)度與上述物理氣沖的強(qiáng)度一致。經(jīng)過(guò)化學(xué)清洗后PVDF膜和PVC膜的跨膜壓差分別降至7.36 kPa和8.34 kPa，恢復(fù)量分別為80.28%和79.47%。由此可見(jiàn)，PVDF膜和PVC膜被污染后，通過(guò)強(qiáng)化物理反沖洗和化學(xué)反沖洗可大大緩解膜污染，將其產(chǎn)水性能恢復(fù)至較優(yōu)的狀態(tài)且PVDF膜的恢復(fù)情況略優(yōu)于PVC膜。

2.5 膜污染物質(zhì)分析

本試驗(yàn)對(duì)超濾膜的強(qiáng)化物理反沖洗水和化學(xué)反沖洗水中的UV254、DOC和金屬離子加以測(cè)定，進(jìn)一步分析膜污染物質(zhì)中的組成情況。

圖9 不同反沖洗水中UV254對(duì)比Fig.9 Comparison of UV254 in Different Backwashing Water

圖10 不同反沖洗水中DOC對(duì)比Fig.10 Comparison of DOC in Different Backwashing Water

圖11 不同反沖洗水中SUVA對(duì)比Fig.11 Comparison of SUVA in Different Backwashing Water

由圖9～圖11可知，強(qiáng)化物理反沖洗水和化學(xué)反沖洗水相比，強(qiáng)化物理反沖洗水的UV254較低，DOC較高，故而導(dǎo)致SUVA(UV254和DOC的比值)較低。研究表明，SUVA越低表明水體中小分子親水性有機(jī)物較多，反之則表明了疏水性大分子的腐植酸類有機(jī)物較多[19-20]。因此，強(qiáng)化物理反沖洗水中的SUVA較低表明物理反沖洗去除了膜表面大量親水性小分子有機(jī)污染，這部分污染物構(gòu)成了濾餅層當(dāng)中的主要組成部分。而化學(xué)反沖洗水的UV254較高，DOC較低，故SUVA比較高，表明化學(xué)反沖洗主要去除膜表面的不可逆污染，以大分子的腐植酸類有機(jī)物為主。同時(shí)，由于PVDF膜與PVC膜均是弱疏水性的超濾膜，因此在疏水作用下，兩種超濾膜更容易截留水體中的疏水性有機(jī)物。

3 結(jié)論

(1)PVDF膜和PVC膜兩種不同材質(zhì)的膜組合工藝均可對(duì)濁度有非常好的處理效果，雖然炭池斜管沉淀區(qū)無(wú)法完全截留PAC，但膜的截留作用仍可滿足出水濁度要求。PVDF膜對(duì)尺寸不超過(guò)2 μm的顆粒物去除效果要略優(yōu)于PVC膜。

(3)PVDF膜和PVC膜的跨膜壓差增長(zhǎng)趨勢(shì)相似，但PVC膜的跨膜壓差增速要略高于PVDF膜。經(jīng)過(guò)強(qiáng)化物理反沖洗和化學(xué)反沖洗后，兩種膜的產(chǎn)水性能均能恢復(fù)至較優(yōu)狀態(tài)，PVDF膜的恢復(fù)程度要略優(yōu)于PVC膜。

(4)強(qiáng)化物理反沖洗能夠去除超濾膜表面大量的親水性小分子有機(jī)污染物，化學(xué)清洗能夠去除超濾膜表面以大分子腐植酸類為主的不可逆有機(jī)污染物。