無清洗重力驅(qū)動(dòng)超濾工藝凈水效能及機(jī)理

梁 恒，唐小斌，王金龍，陳 睿，李圭白

(城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090)

隨著水污染和水資源短缺形勢(shì)的加劇，分散式飲用水安全問題日益突出.受能耗、藥耗、操作運(yùn)維、規(guī)?；烷L(zhǎng)效評(píng)價(jià)機(jī)制的影響，常規(guī)水處理工藝難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的分散式供水形勢(shì)[1].超濾(Ultrafiltration)能夠有效地截留水中的膠體、顆粒物和致病微生物(如細(xì)菌、病毒、“兩蟲”)，且便于集成化和自動(dòng)化管理，在分散式供水系統(tǒng)中具有得天獨(dú)厚的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[2].然而，常規(guī)超濾工藝頻繁地采用反沖洗和化學(xué)清洗來控制膜污染，導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用中存在運(yùn)行能耗高、操作維護(hù)復(fù)雜、附屬設(shè)備多等不足[1].因此，進(jìn)一步降低超濾工藝的能耗、減少操作和運(yùn)維、提升凈水效能，是面向分散式供水超濾凈水技術(shù)的重要改進(jìn)方向.

研究人員圍繞水質(zhì)保障、節(jié)能降耗和簡(jiǎn)化運(yùn)維等問題，研發(fā)了新型重力驅(qū)動(dòng)膜過濾工藝(即GDM工藝)，其長(zhǎng)期運(yùn)行通量可保持穩(wěn)定，不需采用水力反沖洗、錯(cuò)流、曝氣和化學(xué)清洗來控制膜污染，且所需的驅(qū)動(dòng)壓力較常規(guī)超濾工藝大幅降低[3-4].因此，GDM工藝具有無藥劑、操作簡(jiǎn)單、低能耗、低維護(hù)、所需配套設(shè)備少等優(yōu)點(diǎn)，可在無人值守條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行[5].此外，GDM工藝長(zhǎng)期運(yùn)行其膜面形成的生物濾餅層對(duì)水中的污染物起到預(yù)過濾效應(yīng)，既可有效地提高污染物去除效能，又能降低污染物在膜孔中的沉積風(fēng)險(xiǎn)，緩解膜污染[6].

本研究系統(tǒng)考察了GDM工藝在不同原水類型、膜組件及工藝條件下長(zhǎng)期運(yùn)行的通量穩(wěn)定性，探究生物濾餅層強(qiáng)化除污染機(jī)制以及GDM工藝效能提升路徑，解析GDM工藝通量穩(wěn)定機(jī)制，為GDM技術(shù)在分散式供水系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用提供理論和技術(shù)支撐.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原水水質(zhì)特性分析

原水類型包括江水、河水、水庫水和模擬配水，具體水質(zhì)信息如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)用原水水質(zhì)信息

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行方法

GDM小試實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，其主要由原水箱、UF組件、集水瓶3部分組成，原水箱與UF組件通過硅膠管連接，原水在重力作用下流入U(xiǎn)F組件中進(jìn)行過濾處理(有效過濾膜面積均為0.005 65 m2)，膜出水進(jìn)入集水瓶中，通過測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)集水瓶中的產(chǎn)水量計(jì)算膜通量.GDM采用連續(xù)過濾模式，不采用反沖洗和化學(xué)清洗控制膜污染.為提高GDM過濾效能，研發(fā)了預(yù)處理+GDM聯(lián)用工藝(如圖1(b)所示)，即在原水箱和UF組件之間增加了預(yù)過濾裝置，其余參數(shù)與GDM工藝一致.此外，為了探究不同參數(shù)對(duì)GDM通量穩(wěn)定性的影響，構(gòu)建了系列GDM工藝(表2)，膜材料信息如表3所示.

圖1 GDM工藝流程圖

1.3 生物濾餅層表征和水質(zhì)檢測(cè)方法

實(shí)驗(yàn)中定期監(jiān)測(cè)原水和出水水質(zhì)，并分析膜面生物濾餅層的結(jié)構(gòu)和生化組分.其中，生物濾餅層內(nèi)的EPS采用超聲-熱提取法提取后，采用Excitation-emission matrix(EEM,F7000，日立，日本)和TOC檢測(cè)儀(N/C2100S)檢測(cè)EPS的種類和質(zhì)量濃度;濾餅層形貌：利用體式顯微鏡(Olympus C-7070，日本)觀測(cè)；濾餅層內(nèi)部結(jié)構(gòu)：采用光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)(OCT，GAN610C1，Thorlabs GmbH，德國(guó))觀測(cè)；分子質(zhì)量分布：水樣經(jīng)0.45 μm親水性濾頭預(yù)過濾后，采用凝膠色譜耦合有機(jī)碳聯(lián)用儀(SEC-OCD，德國(guó))檢測(cè)；AOC：水樣經(jīng)3 d生化培養(yǎng)(37 ℃)后，采用流式細(xì)胞儀(Accuri C6，BD，美國(guó))進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算AOC質(zhì)量濃度；DOC：水樣經(jīng)0.45 μm濾膜預(yù)過濾后，采用TOC儀(N/C 2100S)檢測(cè)；UV254：采用紫外可見分光光度計(jì)(波長(zhǎng)為254 nm，T6, 普析，中國(guó))檢測(cè)；氨氮：采用納氏試劑分光光度法檢測(cè)；濁度：采用哈希濁度儀(2100N，美國(guó))檢測(cè).

表2 各GDM實(shí)驗(yàn)條件

表3 實(shí)驗(yàn)用超濾和微濾性質(zhì)

Tab.3 Information of ultrafiltration and microfiltration membranes

序號(hào)類別膜孔徑/截留分子質(zhì)量供應(yīng)商及產(chǎn)地1PES150 kuMicrodyn Nadir,德國(guó)2PES100 kuMicrodyn Nadir,德國(guó)3PVC復(fù)合膜150 ku立升,中國(guó)4PVC合金膜150 ku立升,中國(guó)5PVDF150 ku立升,中國(guó)6微濾膜0.22 μm膜天膜,中國(guó)

2 結(jié)果及討論

2.1 通量穩(wěn)定性研究

考察了不同原水類型、驅(qū)動(dòng)壓力、膜組件、膜材質(zhì)、膜孔徑、溫度、生物作用、間歇運(yùn)行及緩速濾池預(yù)處理等工藝條件對(duì)GDM通量穩(wěn)定性的影響.圖2(a)表明，GDM處理不同類型原水，長(zhǎng)期運(yùn)行中均觀測(cè)到通量穩(wěn)定現(xiàn)象，且穩(wěn)定通量水平與原水水質(zhì)顯著相關(guān).圖2(b)表明，盡管不同驅(qū)動(dòng)壓下GDM的初始通量差異顯著，最終其通量均能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且穩(wěn)定通量相差不大，這是由于驅(qū)動(dòng)壓力增加會(huì)導(dǎo)致膜面濾餅層結(jié)構(gòu)變得勻?qū)嵵旅?，顯著增加濾餅層阻力[3-4].因此，實(shí)際應(yīng)用中難以通過增加驅(qū)動(dòng)壓力的方式來提高GDM的穩(wěn)定通量.

圖2(c)表明，不同膜組件類型的GDM工藝長(zhǎng)期運(yùn)行其通量均可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且平板膜組件的穩(wěn)定通量略高于中空纖維膜組件；不同膜材質(zhì)的GDM工藝長(zhǎng)期運(yùn)行其通量亦均可達(dá)到穩(wěn)定，且穩(wěn)定通量相差不大(PES膜通量略高，詳見圖2(d)).圖2(e)表明，不同孔徑的微濾膜和超濾膜構(gòu)成的GDM工藝長(zhǎng)期運(yùn)行的通量變化規(guī)律基本一致，且均可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；然而，GDM(MF)的穩(wěn)定通量顯著高于GDM(UF)，且UP150膜(截留分子質(zhì)量150 ku)的穩(wěn)定通量也略高于UP100膜(截留分子質(zhì)量為100 ku)，表明膜孔徑會(huì)影響GDM的穩(wěn)定通量水平.此外，圖2(f)表明在實(shí)驗(yàn)溫度(5～30 ℃)內(nèi)，GDM工藝長(zhǎng)期運(yùn)行通量均可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；但隨著溫度的降低，GDM通量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間顯著延長(zhǎng)，且穩(wěn)定通量也隨之大幅下降.

此外，間歇運(yùn)行可顯著地提高GDM的穩(wěn)定通量，且不會(huì)影響GDM工藝長(zhǎng)期運(yùn)行的通量穩(wěn)定性.圖2(g)表明，每個(gè)過濾周期內(nèi)隨著間歇運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，GDM的穩(wěn)定通量顯著提高，這是由于間歇過程會(huì)促進(jìn)膜面濾餅層內(nèi)污染物反向擴(kuò)散到膜池溶液中，導(dǎo)致濾餅層內(nèi)污染物濃度降低，同時(shí)使濾餅層經(jīng)歷“壓實(shí)-松弛”過程，有助于緩解濾餅層污染[7].實(shí)際運(yùn)行中，為了保障每天膜總產(chǎn)水量，最佳間歇運(yùn)行時(shí)間宜為6～12 h.圖2(k)表明，耦合緩速濾池預(yù)處理工藝后，GDM的穩(wěn)定通量大幅提升(～100%)，這是由于緩速濾池可有效地預(yù)去除水中的懸浮物、膠體、顆粒物、生物聚合物和腐殖質(zhì)，緩解GDM膜污染[8].不同濾料對(duì)GDM穩(wěn)定通量的提升效能相差較大，其中GAC效果最佳，陶粒次之.

然而，當(dāng)向GDM系統(tǒng)中投加疊氮化鈉抑制濾餅層內(nèi)的微生物作用后，膜通量持續(xù)緩慢下降，難以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)(圖2(h))，表明生物濾餅層內(nèi)微生物作用是影響GDM通量穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素.當(dāng)向GDM系統(tǒng)投加環(huán)己酰亞胺抑制原生/后生動(dòng)物捕食作用后，GDM長(zhǎng)期運(yùn)行其通量雖可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但較對(duì)照組顯著下降，表明生物捕食作用是調(diào)控GDM穩(wěn)定通量水平的重要因素.

以上分析表明，GDM工藝長(zhǎng)期運(yùn)行的通量穩(wěn)定現(xiàn)象普遍存在，不受原水水質(zhì)、膜組件類型和工藝條件的影響，該特性有助于推動(dòng)其在分散式供水系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用.

圖2 不同條件下GDM長(zhǎng)期運(yùn)行的通量變化

2.2 GDM凈水效能研究

實(shí)驗(yàn)中對(duì)比分析了GDM和常規(guī)超濾工藝對(duì)污染物去除效能的差異，結(jié)果如表4和圖3所示.由表4可知，常規(guī)超濾工藝出水中濁度為(0.09±0.01)NTU，而GDM工藝出水中濁度為(0.06±0.01) NTU，較常規(guī)超濾工藝有所下降，這可能是由于：1)常規(guī)超濾工藝操作壓力大，容易導(dǎo)致部分膠體或顆粒性物質(zhì)透過超濾膜；2)GDM膜面形成的生物濾餅層對(duì)水中的膠體和顆粒物起到了良好的預(yù)過濾效應(yīng)[9].GDM出水中細(xì)菌總數(shù)與常規(guī)超濾工藝基本一致.可見，盡管GDM膜面生物濾餅層內(nèi)滋生了大量微生物，但是其不會(huì)穿透超濾膜而進(jìn)入出水中.有研究指出，GDM膜面生物濾餅層還可顯著地提高對(duì)水中細(xì)菌和病毒的去除效能[10].

圖3(a)表明，GDM在凈化河水和水庫水時(shí)，對(duì)DOC具有一定的去除作用，平均去除率約12%.然而，GDM在處理江水時(shí)，出水中DOC較進(jìn)水中反而增加(～17%).部分研究也指出GDM出水中DOC高于進(jìn)水，這可能是由于：1)GDM膜面生物濾餅層內(nèi)藻類不斷生長(zhǎng)繁殖，利用光合作用合成了新的碳水化合物；2)GDM長(zhǎng)期運(yùn)行，水中的膠體/顆粒型有機(jī)物不斷被截留在膜表面，并在微生物作用下被水解成小分子溶解性有機(jī)物而透過超濾膜，導(dǎo)致出水中DOC增加[11-12].本實(shí)驗(yàn)中GDM裝置均采用了避光處理以抑制藻類生長(zhǎng)；且對(duì)比江水、河水和水庫水的原水水質(zhì)發(fā)現(xiàn)，江水中的TOC明顯高于后者，因此，膠體/顆粒型有機(jī)物的水解作用可能是導(dǎo)致GDM出水中DOC增加的主要原因.

表4 GDM工藝對(duì)濁度和微生物去除效能

Tab.4 Removal performance of GDM process for turbidity and bacteria

水樣濁度/NTU細(xì)菌總數(shù)/(CFU·mL-1)原水2.35±0.59(0.7～1.8)×103常規(guī)超濾0.09±0.0115±2GDM對(duì)照組0.06±0.0116±3

圖3 通量穩(wěn)定后GDM工藝凈水效能分析

實(shí)驗(yàn)中通過預(yù)過濾去除水中的膠體/顆粒型有機(jī)物后，出水中DOC顯著降低，進(jìn)一步證實(shí)了上述假設(shè).此外，當(dāng)緩速濾池預(yù)處理后，GAC+GDM聯(lián)合工藝對(duì)DOC的去除效能顯著提升(50%～80%)，可有效保障供水安全.

對(duì)比GDM(新膜)和GDM對(duì)照組對(duì)水中不同分子質(zhì)量有機(jī)污染物的去除規(guī)律，發(fā)現(xiàn)GDM對(duì)照組和GDM(新膜)對(duì)生物聚合物均具有顯著去除作用，但對(duì)腐殖酸類物質(zhì)的去除效果較差(圖3(b))；且相比GDM(新膜)，GDM對(duì)照組對(duì)生物聚合物和腐殖質(zhì)類物質(zhì)的去除率增加了約8%和10%，表明膜面生物濾餅層起到了較好的預(yù)過濾作用[13-14].然而，GDM對(duì)照組對(duì)小分子有機(jī)物的去除效果低于GDM(新膜)，這是生物濾餅層將截留在膜面的大分子有機(jī)物(如生物聚合物)水解成溶解性小分子有機(jī)物后透過超濾膜引起的.此外，采用GAC緩速濾池預(yù)處理后，出水中生物聚合物、腐殖酸類物質(zhì)和小分子有機(jī)物濃度均顯著下降.

可生物同化有機(jī)碳(AOC)是評(píng)估飲用水生物穩(wěn)定性的重要指標(biāo).圖3(b)表明，超濾膜本身對(duì)AOC沒有明顯去除作用(<5%)，這是由于AOC通常是親水性小分子有機(jī)物，其分子質(zhì)量小于膜孔徑而難以被截留去除.相比之下，GDM可有效削減水中的AOC((22.8±9)%)，這是由于膜面生物濾餅層內(nèi)滋生了大量的微生物，降解了水中的AOC[6, 15].此外，采用GAC+GDM耦合工藝可顯著提高對(duì)AOC的去除效能(>80%)，保障出水的生物穩(wěn)定性.

常規(guī)超濾工藝對(duì)氨氮幾乎沒有去除作用[16].GDM長(zhǎng)期運(yùn)行，氨氮的去除率先逐漸增加，后趨于穩(wěn)定，平均去除率高達(dá)50%(圖3(d))，這是由于水中的硝化細(xì)菌被截留在膜表面并在生物濾餅層內(nèi)生長(zhǎng)繁殖，促進(jìn)了水中氨氮的去除[17].當(dāng)采用GAC緩速濾池預(yù)處理后，GAC+GDM聯(lián)用工藝對(duì)氨氮的去除效果進(jìn)一步提升，平均去除率高達(dá)85%，這是由于GAC緩速濾池內(nèi)滋生了大量的硝化細(xì)菌，使得聯(lián)用工藝中的生物量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GDM對(duì)照組.部分研究亦指出，GDM膜面生物濾餅層對(duì)氨氮具有較好的去除作用，且通過在膜面負(fù)載顆粒物(如粉末活性炭)可強(qiáng)化對(duì)氨氮的去除效能[12].

2.3 生物濾餅層特性及通量穩(wěn)定機(jī)理

2.3.1 生物濾餅層結(jié)構(gòu)特性研究

為了揭示GDM工藝長(zhǎng)期運(yùn)行的通量穩(wěn)定機(jī)理，觀測(cè)了不同條件下生物濾餅層的形貌分布和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖4所示.

GDM對(duì)照組膜面生物濾餅層分布不均勻，可觀測(cè)到顯著的“團(tuán)簇”和“膜裸露”結(jié)構(gòu)，生物濾餅層內(nèi)孔隙發(fā)達(dá)，且濾餅層的厚度隨著過濾的進(jìn)行先快速增加后趨于穩(wěn)定.相比之下，當(dāng)采用疊氮化鈉抑制濾餅層內(nèi)的生物作用后(圖4(b1-2))，生物濾餅層勻?qū)嵵旅埽鶆蚍植?，未觀測(cè)到明顯的“團(tuán)簇”和“膜裸露”結(jié)構(gòu)；OCT原位觀測(cè)發(fā)現(xiàn)其生物濾餅層內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為致密，厚度均一，未見“凹凸”及內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，表明生物作用是影響GDM膜面生物濾餅層粗糙多孔性結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵[3,18].此外，抑制生物作用后濾餅層與超濾膜緊密貼合在一起，這可能是由于：1)抑制生物作用后，水中的污染物(如生物聚合物)因無法被水解去除而不斷在膜面累積；2)疊氮化鈉不利于微生物生長(zhǎng)，刺激微生物分泌了大量的EPS，導(dǎo)致濾餅層的黏性顯著增加.類似地，部分研究指出濾餅層內(nèi)EPS質(zhì)量濃度增加會(huì)顯著地降低生物濾餅層的粗糙度和孔隙率，影響其微觀結(jié)構(gòu)[19].結(jié)合圖2通量變化規(guī)律可知，微生物作用調(diào)控的膜面生物濾餅層粗糙多孔性結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致GDM長(zhǎng)期運(yùn)行過程中通量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)鍵因素.

圖4(c)表明，當(dāng)投加環(huán)己酰亞胺抑制濾餅層內(nèi)的生物捕食作用后，膜面生物濾餅層變得較為致密，僅觀測(cè)到細(xì)微的“團(tuán)簇”結(jié)構(gòu)；生物濾餅層內(nèi)局部觀測(cè)到“隆起”結(jié)構(gòu)及濾餅層從膜面分離的現(xiàn)象，表明生物捕食作用有助于提高GDM膜面生物濾餅層的粗糙度和多孔性.相比圖4(b)，圖4(c)中生物濾餅層的形貌和結(jié)構(gòu)均有所改善，這可能是抑制濾餅層內(nèi)生物捕食作用后GDM3通量可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的主要原因.相比對(duì)照組，GDM3的穩(wěn)定通量大幅下降，表明生物捕食作用會(huì)顯著影響穩(wěn)定通量水平[20].

當(dāng)采用GAC緩速濾池預(yù)處理后，生物濾餅層在膜面分布尤為不均勻，“團(tuán)簇”現(xiàn)象更為明顯；生物濾餅層內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為粗糙，孔隙結(jié)構(gòu)更發(fā)達(dá)，并可觀測(cè)到明顯的生物濾餅層脫落現(xiàn)象(圖4(d))，這是由于GAC緩速濾池具有較好的預(yù)過濾效應(yīng)，顯著地降低了水中污染物(如生物聚合物和腐殖質(zhì)等)在GDM膜表面的沉積，改善生物濾餅層結(jié)構(gòu)特性.部分研究指出耦合GAC緩速濾池有助于提高生物濾餅層的粗糙度和多孔性，降低EPS質(zhì)量濃度，提高GDM的穩(wěn)定通量[21].

圖4 生物濾餅層形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

因此，GDM長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，生物作用調(diào)控的膜面粗糙多孔性濾餅層結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致膜通量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)鍵因素，而生物捕食作用和預(yù)處理工藝有助于提高GDM生物濾餅層的粗糙度和孔隙率，提升穩(wěn)定通量水平.

2.3.2 生物濾餅層生化組分特性研究

實(shí)驗(yàn)中利用3DEEM指紋技術(shù)追蹤了原水和濾餅層中EPS信息[22].圖5表明，原水和GDM膜面濾餅層內(nèi)EPS的熒光峰截然不同，原水中的熒光性污染物(峰1)主要是腐殖質(zhì)類物質(zhì)，而GDM濾餅層內(nèi)EPS主要是色氨酸類蛋白物質(zhì)和芳香烴類蛋白物質(zhì)，表明膜面濾餅層內(nèi)的污染物可能是微生物代謝過程分泌的EPS.因此，調(diào)控GDM膜面微生物的代謝作用和EPS分泌，更有利于降低生物濾餅層內(nèi)EPS質(zhì)量濃度.采用緩速濾池預(yù)處理工藝，一方面可有效地預(yù)去除水中的污染物(如顆粒/膠體型有機(jī)物和生物聚合物)，有效降低污染物在膜面生物濾餅層內(nèi)的沉積量；另一方面緩速濾池內(nèi)滋生的微生物將消耗掉大部分營(yíng)養(yǎng)物，有助于降低GDM生物濾餅層內(nèi)的生物量和EPS分泌量，緩解膜污染，提高穩(wěn)定通量[8,23].

圖6表明，當(dāng)投加疊氮化鈉抑制生物作用后，膜面生物濾餅層內(nèi)的EPS質(zhì)量濃度顯著增加，這可能是由于微生物在不利條件下分泌了大量的EPS，其通量大幅下降；當(dāng)投加環(huán)己酰亞胺抑制濾餅層內(nèi)的生物捕食作用后，膜面生物濾餅層內(nèi)的EPS質(zhì)量濃度較GDM對(duì)照組明顯增加，通量亦有所下降，但高于GDM(疊氮化鈉)的通量值，表明不同生物作用會(huì)顯著影響濾餅層內(nèi)EPS質(zhì)量濃度，從而影響GDM的通量穩(wěn)定性和穩(wěn)定通量水平.因此，采取合理的措施調(diào)控生物濾餅層內(nèi)微生物作用，可有效地降低EPS質(zhì)量濃度，提高GDM的穩(wěn)定通量.

圖5 原水和GDM膜面生物濾餅層內(nèi)的熒光污染物

Fig.5 Fluorescent foulants in raw water and bio-cake layer of GDM

圖6 濾餅層內(nèi)EPS質(zhì)量濃度與穩(wěn)定通量的關(guān)聯(lián)性分析

Fig.6 Relation between stable flux level and EPS concentration of bio-cake layer

結(jié)合上述分析可知，GDM的通量穩(wěn)定性和穩(wěn)定通量水平主要受膜面生物濾餅層的微觀結(jié)構(gòu)和EPS質(zhì)量濃度影響.一方面污染物(如生物聚合物)不斷被截留在膜表面，形成濾餅層污染，導(dǎo)致跨膜壓差增加和膜通量下降；另一方面，在微生物作用下濾餅層的粗糙度和多孔性顯著增加，滲透性隨之提高，有助于提升膜通量[18].當(dāng)二者的相互作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，GDM膜通量可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).可見，生物作用是影響GDM通量穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素.生物捕食和緩速濾池預(yù)處理措施可調(diào)控生物濾餅層內(nèi)的微生物作用，改善生物濾餅層的粗糙多孔性和降低濾餅層內(nèi)EPS質(zhì)量濃度，顯著提升GDM的穩(wěn)定通量.

2.4 GDM工藝優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景

相比常規(guī)超濾工藝，GDM有機(jī)地耦合了超濾膜和生物濾餅層的雙重截留功效，能有效地強(qiáng)化超濾膜的截留作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)水中顆粒物、膠體和病原微生物的深度脫除，保障出水的生物安全性；同時(shí)，對(duì)常規(guī)超濾工藝難以去除的氨氮和AOC等溶解性污染物也具有較好的去除作用，進(jìn)一步強(qiáng)化超濾工藝對(duì)受氨氮污染水源水的適配性和提高出水的生物穩(wěn)定性.此外，GDM工藝采用低壓過濾模式(過濾壓力約為常規(guī)超濾工藝的1/10)，且不需要采用反沖洗和化學(xué)清洗措施控制膜污染，兼具無藥劑、低能耗、低維護(hù)、配套設(shè)備少、凈水效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在分散式供水系統(tǒng)中擁有廣闊的應(yīng)用前景.

3 結(jié) 論

1)GDM工藝長(zhǎng)期運(yùn)行的通量穩(wěn)定現(xiàn)象普遍存在，原水水質(zhì)、驅(qū)動(dòng)壓力、膜組件類型、膜材質(zhì)、膜孔徑、溫度、運(yùn)行模式、預(yù)處理等工藝條件會(huì)影響GDM的穩(wěn)定通量水平.

2)GDM膜面生物濾餅層具有預(yù)過濾效應(yīng)，可強(qiáng)化對(duì)濁度、微生物和溶解性有機(jī)物的去除作用；還可提高對(duì)氨氮和AOC的去除效能，平均去除率分別為50%和23%，有助于保障出水的生物安全性和穩(wěn)定性，提升超濾工藝對(duì)受氨氮污染水源水的適配性.

3)微生物作用調(diào)控的生物濾餅層粗糙多孔性結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致GDM長(zhǎng)期運(yùn)行通量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)鍵因素，生物濾餅層結(jié)構(gòu)越粗糙、內(nèi)部孔隙越發(fā)達(dá)、EPS質(zhì)量濃度越低，GDM的穩(wěn)定通量越高.

4)緩速濾池預(yù)處理不但可有效地提高污染物的去除效能，保障供水水質(zhì)；還可顯著改善GDM膜面生物濾餅層的粗糙多孔性結(jié)構(gòu)，降低濾餅層內(nèi)EPS質(zhì)量濃度，提高GDM穩(wěn)定通量水平.

5)GDM工藝有機(jī)地耦合了生物濾餅層和超濾膜雙重截留功效，兼具操作簡(jiǎn)單、低能耗、低維護(hù)、凈水效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，有助于推動(dòng)超濾技術(shù)在分散式供水系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用.