混凝吸附-管式膜組合工藝深度處理地表Ⅴ類水體

劉魯建，張嵐欣*，董 俊，張雙峰，曹斌強，王 威，宋勁強，許存根

(1.湖北君集水處理有限公司，湖北 武漢430065；2.湖北省污水資源化工程技術研究中心，湖北 武漢430065)

對于微污染水體的深度處理及修復，國內外常用的工藝包括：曝氣增氧、人工濕地、絮凝沉淀[1-3]等；近年來興起的新型工藝有：光氧化技術、生物活性濾池、膜過濾技術[4-6]等。對于污染物限值接近于地表Ⅴ類水體的微污染水體，水中氮磷元素及COD濃度較高，容易造成富營養(yǎng)化，而湖泊富營養(yǎng)化程度是水環(huán)境質量評價的重要內容之一[7]。

為了將地表Ⅴ類水體提升至地表Ⅲ類水體標準，國內外學者進行了較多研究，如降低水體氮磷及COD濃度，對周邊湖泊、水庫等進行有效生態(tài)補水等。其中，超濾膜工藝因占地較少、施工便利、出水品質好、自動化程度高等優(yōu)勢[8-9]在地表水深度處理中應用較為廣泛。曹國憑等[10]從膜材料、工藝、膜污染等方面總結了超濾技術在國內外地表水處理中的研究狀況；崔俊華等[11]以微污染地表水為原水，采用混凝-超濾組合工藝進行了污染物去除效果及膜污染情況的研究；陳啟斌等[12]采用微絮凝/超濾組合工藝處理印染廢水，COD去除率可達96%以上。

作者以地表Ⅴ類水體為水源，通過調整混凝劑聚合氯化鋁(PAC)、粉末活性炭、次氯酸鈉的投加量，考察混凝吸附-管式膜組合工藝對總磷、COD及氨氮的去除效果，并考察不同工況下膜通量及進水壓力的變化。

1 實驗

1.1 試驗裝置和流程

試驗裝置(圖1)采用2組管式超濾膜，每組2支膜組件，每支組件膜面積1.5 m2。利用進水泵抽取微污染的湖水至原水箱，經(jīng)Y型過濾器去除水中藻類，在線計量依次投加混凝劑PAC、粉末活性炭、次氯酸鈉，利用U型管混合反應約20 s，由于混凝時間較短，僅在管道內形成微絮體。所形成的泥水混合物經(jīng)末端管式超濾膜裝置分離，凈水直排湖中，超濾膜裝置底端進行間歇排渣。

1.進水泵 2.原水箱 3.Y型過濾器 4.PAC加藥箱 5.PAC加藥泵 6.配炭罐 7.加炭泵

1.2 進水水質

利用進水泵抽取微污染的湖水作為試驗水源，其污染物濃度接近地表Ⅴ類水體，具體水質指標見表1。

表1水質指標

1.3 組合工藝優(yōu)化

單獨依次投加混凝劑PAC(25 mg·L-1、50 mg·L-1、75 mg·L-1、100 mg·L-1、125 mg·L-1、150 mg·L-1)、粉末活性炭(10 mg·L-1、20 mg·L-1、30 mg·L-1、40 mg·L-1、50 mg·L-1)、次氯酸鈉(5 mg·L-1、10 mg·L-1、15 mg·L-1、20 mg·L-1、25 mg·L-1)，并監(jiān)測出水水質及膜參數(shù)，得出各投藥單元最佳工況，在此工況下進行同時加藥，連續(xù)運行30 d，觀察出水情況及膜通量等參數(shù)。

1.4 檢測方法

采用島津T-4200型TOC分析儀測定COD濃度；采用GB 11893-1989《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》測定總磷濃度；采用HJ 535-2009《水質 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》測定氨氮濃度；采用GB 11901-1989《水質 懸浮物的測定 重量法》測定SS濃度；其中，樣品總磷和氨氮吸光度采用儀銳科技752B型紫外分光光度計測定。膜系統(tǒng)工藝參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場電磁流量計及壓力表直接讀數(shù)并計算。

2 結果與討論

2.1 加藥量對污染物去除效果的影響

2.1.1 PAC投加量對總磷去除效果的影響

在試驗過程中，關閉粉末活性炭及次氯酸鈉加藥泵，分別投加PAC 25 mg·L-1、50 mg·L-1、75 mg·L-1、100 mg·L-1、125 mg·L-1、150 mg·L-1。于超濾膜裝置出水口取水樣，每個加藥條件下各取樣8次測定總磷濃度，結果見圖2。

圖2 PAC投加量對總磷濃度的影響Fig.2 Effect of PAC dosage on total phosphorus concentration

由圖2可知，隨著PAC投加量的增加，出水總磷濃度呈降低趨勢，PAC在混凝過程中，礬花形成速度快、絮體成長速率快、沉淀性較好[13]；在 PAC投加量為50～75 mg·L-1時，出水總磷濃度可達到低于0.05 mg·L-1的水平；當投加量超過100 mg·L-1時，出水總磷濃度基本無明顯變化，可穩(wěn)定維持在0.02～0.03 mg·L-1。因此，選擇最佳PAC投加量為50 mg·L-1。

2.1.2 粉末活性炭投加量對COD去除效果的影響

在試驗過程中，關閉PAC及次氯酸鈉加藥泵，分別投加粉末活性炭10 mg·L-1、20 mg·L-1、30 mg·L-1、40 mg·L-1、50 mg·L-1。于超濾膜裝置出水口取水樣，每個加藥條件下各取樣8次測定COD濃度，結果見圖3。

由圖3可知，隨著粉末活性炭投加量的增加，出水COD濃度呈降低趨勢，粉末活性炭可有效吸附水中低濃度的有機污染物；在投加量為20～30 mg·L-1時，出水COD濃度可達到低于20 mg·L-1的水平；當投加量超過30 mg·L-1時，出水COD濃度呈明顯的下降趨勢?？紤]到出水標準以及工程的經(jīng)濟性，選擇最佳粉末活性炭投加量為20 mg·L-1。

圖3 粉末活性炭投加量對COD濃度的影響Fig.3 Effect of powdered activated carbon dosage on COD concentration

2.1.3 次氯酸鈉投加量對氨氮去除效果的影響

在試驗過程中，關閉PAC及粉末活性炭加藥泵，分別投加次氯酸鈉5 mg·L-1、10 mg·L-1、15 mg·L-1、20 mg·L-1、25 mg·L-1。于超濾膜裝置出水口取水樣，每個加藥條件下各取樣8次測定氨氮濃度，結果見圖4。

圖4 次氯酸鈉投加量對氨氮濃度的影響Fig.4 Effect of sodium hypochlorite dosage on ammonia nitrogen concentration

由圖4可知，隨著次氯酸鈉投加量的增加，出水氨氮濃度呈降低趨勢，氯化氧化法反應速度快、能有效氧化氨氮及COD[14]；在投加量為20～25 mg·L-1時，出水氨氮濃度可達到低于0.5 mg·L-1的水平?？紤]到出水標準以及工程的經(jīng)濟性，選擇最佳次氯酸鈉投加量為20 mg·L-1。

2.2 膜運行參數(shù)的綜合分析

為考察膜參數(shù)的變化，同時投加50 mg·L-1PAC、20 mg·L-1粉末活性炭及20 mg·L-1次氯酸鈉，在此工況下連續(xù)運行30 d，膜通量及進水壓力計算結果見圖5。

圖5 膜通量及進水壓力趨勢圖Fig.5 Trend chart of membrane flux and feed water pressure

由圖5可知，30 d內，膜通量范圍為333.5～472.0 L·m-2·h-1，隨著時間延長，膜通量呈小幅度的上下波動，平均膜通量為373.79 L·m-2·h-1，是傳統(tǒng)的浸沒式中空纖維超濾膜的20倍，具有膜通量大的特性；進水壓力范圍為0.02～0.09 MPa，隨著時間延長，進水壓力呈規(guī)律性上升的趨勢，說明膜組件內部孔道有一定程度的堵塞現(xiàn)象，隨著連續(xù)運行時間的延長需要通過化學清洗來恢復，平均進水壓力為0.05 MPa。

2.3 加藥量對膜系統(tǒng)的影響

2.3.1 PAC投加量對膜系統(tǒng)的影響

在試驗過程中，關閉粉末活性炭及次氯酸鈉加藥泵，分別投加PAC 25 mg·L-1、50 mg·L-1、75 mg·L-1、100 mg·L-1、125 mg·L-1、150 mg·L-1，考察膜通量及進水壓力的變化，結果見圖6。

圖6 PAC投加量對膜通量及進水壓力的影響Fig.6 Effect of PAC dosage on membrane flux and feed water pressure

由圖6可知，隨著PAC投加量的增加，膜通量逐漸增大，由318 L·m-2·h-1增大至458 L·m-2·h-1；進水壓力也顯著升高，由0.02 MPa上升至0.11 MPa。表明膜系統(tǒng)的運行參數(shù)受PAC投加量影響較大，分析原因可能是由于投加PAC后，在水中形成的礬花能包裹住膜表面附著的細小顆粒，形成較大的絮體，從而更容易被膜組件截留，并且不容易堵塞膜孔，因此膜通量顯著增大；同時，由于PAC濃度升高，進水中固含量較高，一定程度上增加了進水負擔，造成進水壓力的不斷升高。

2.3.2 粉末活性炭投加量對膜系統(tǒng)的影響

在試驗過程中，關閉PAC及次氯酸鈉加藥泵，分別投加粉末活性炭10 mg·L-1、20 mg·L-1、30 mg·L-1、40 mg·L-1、50 mg·L-1，考察膜通量及進水壓力的變化，結果見圖7。

圖7 粉末活性炭投加量對膜通量及進水壓力的影響Fig.7 Effect of powdered activated carbon dosage on membrane flux and feed water pressure

由圖7可知，隨著粉末活性炭投加量的增加，膜通量逐漸減小，由361 L·m-2·h-1減小至303 L·m-2·h-1；進水壓力隨之顯著升高，由0.05 MPa上升至0.18 MPa。表明膜系統(tǒng)的運行參數(shù)受粉末活性炭投加量影響較大，分析原因可能是由于炭粉粒徑較細，且不似PAC那樣具備絮凝功能，更加容易附著在膜表面，堵塞膜孔，從而造成膜通量的減小及進水壓力的急劇升高，此種情況必須通過化學清洗才能恢復。

2.3.3 次氯酸鈉投加量對膜系統(tǒng)的影響

在試驗過程中，關閉PAC及粉末活性炭加藥泵，分別投加次氯酸鈉5 mg·L-1、10 mg·L-1、15 mg·L-1、20 mg·L-1、25 mg·L-1，考察膜通量及進水壓力的變化，結果見圖8。

由圖8可知，隨著次氯酸鈉投加量的增加，膜通量逐漸增大，由348 L·m-2·h-1增大至426 L·m-2·h-1；進水壓力隨之顯著降低，由0.05 MPa下降至0.03 MPa。表明次氯酸鈉對整個膜系統(tǒng)的運行起了較大的促進作用，分析原因是由于次氯酸鈉具有強氧化性，能去除膜表面附著的有機污染物，對膜組件具有一定的清洗消毒作用，因此增加其投加量會引起膜通量的增大、進水壓力的下降，可一定程度上延緩膜的污染。

圖8 次氯酸鈉投加量對膜通量及進水壓力的影響Fig.8 Effect of sodium hypochlorite dosage on membrane flux and feed water pressure

在次氯酸鈉投加量為20 mg·L-1的工況下連續(xù)運行7 d后，膜組件的膜孔堵塞情況見圖9。

膜組件截面圖 膜孔放大圖

圖9 膜組件表面污染情況
Fig.9 Pollution situation of membrane component surface

由圖9可知，在未進行化學清洗的情況下，膜孔表面基本無明顯的污堵產(chǎn)生。

3 結論

(1)采用在線投加PAC、粉末活性炭、次氯酸鈉，并利用超濾膜過濾的混凝吸附-管式膜組合工藝對地表Ⅴ類水體進行深度處理，出水可穩(wěn)定在地表Ⅲ類(湖庫)水體的標準限值范圍內。

(2)在確保達到Ⅲ類(湖庫)水體的水質標準的前提下，采用PAC投加量為50 mg·L-1、粉末活性炭投加量為20 mg·L-1、次氯酸鈉投加量為20 mg·L-1是最為經(jīng)濟合理的。

(3)在最佳投藥量的前提下，系統(tǒng)穩(wěn)定運行30 d內，膜通量在333.5～472.0 L·m-2·h-1之間，平均膜通量為373.79 L·m-2·h-1；膜系統(tǒng)進水壓力在0.02～0.09 MPa之間，平均進水壓力為0.05 MPa，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

(4)增加PAC投加量可增大膜通量、升高進水壓力，對膜系統(tǒng)運行既有促進又有不利作用；增加粉末活性炭投加量可減小膜通量、升高進水壓力，對膜系統(tǒng)運行不利；增加次氯酸鈉投加量可增大膜通量、降低進水壓力，對膜系統(tǒng)的運行有較好的促進作用。