納濾膜去除太湖水有機(jī)物的試驗(yàn)研究

劉 婉，董秉直，李 甜，李偉英，桂 波

（同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

本研究計(jì)劃SIGN（從源頭到龍頭——中德水專項(xiàng)）是“十三五”水專項(xiàng)“蘇州市飲用水安全保障技術(shù)集成與綜合應(yīng)用示范”（2017ZX07201001）的子課題。針對(duì)太湖水含有藻類的特征，本研究計(jì)劃利用Inge 七孔超濾膜進(jìn)行預(yù)處理，超濾處理后，水質(zhì)達(dá)到常規(guī)自來(lái)水廠的標(biāo)準(zhǔn)。超濾工藝溫和地去除藻類，不破壞藻類細(xì)胞，可以防止嗅味和藻毒素的生成。但是，超濾的產(chǎn)水水質(zhì)和常規(guī)自來(lái)水的水質(zhì)相當(dāng)，尤其是有機(jī)物去除率沒(méi)有顯著提升。

1 中間試驗(yàn)

為了提高膜系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的去除效果，本試驗(yàn)計(jì)劃在超濾后添加納濾工藝，首先驗(yàn)證納濾在該工藝條件下的可行性，再調(diào)查造成納濾膜污染的物質(zhì)。

常規(guī)的高壓（大于1 MPa）、高脫鹽率（大于99%）的納濾膜在飲用水處理中已經(jīng)取得較多的應(yīng)用。但是，這類納濾膜的運(yùn)行壓力高、能耗高，導(dǎo)致運(yùn)行成本高；透鹽率過(guò)低，產(chǎn)水的口感差，容易導(dǎo)致管網(wǎng)中的結(jié)垢不穩(wěn)定，影響最終水質(zhì)。東麗（中國(guó)）投資有限公司推出TMH 系列超低壓力納濾膜，這種納濾膜具有運(yùn)行壓力低、抗污染性能好、透鹽率高的特性，在飲用水處理中有很好的應(yīng)用潛能。因此，本試驗(yàn)計(jì)劃在超濾后利用該公司的先進(jìn)納濾技術(shù)，獲得長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證該納濾膜在太湖水處理中應(yīng)用的可行性。

膜污染是納濾應(yīng)用中的一大障礙，膜污染速率受運(yùn)行的水力條件影響，TANG 等提出，運(yùn)行通量對(duì)膜污染有顯著的影響。但是，造成納濾膜污染的主要物質(zhì)目前仍然不太明確。腐植酸被認(rèn)為是導(dǎo)致納濾污染的主要物質(zhì)，有機(jī)物、金屬離子都是造成膜污染的可能物質(zhì)。和反滲透相比，納濾的過(guò)濾機(jī)理更為復(fù)雜。另外，大量研究都是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，采用配制原水造成的膜污染和實(shí)際工程中的膜污染并不一致。本研究采用中間試驗(yàn)，與實(shí)際工程更為接近。

2 試驗(yàn)流程

2.1 材料

本次試驗(yàn)的超濾部分使用德國(guó)Inge 公司的七孔超濾膜，納濾部分使用東麗（中國(guó)）投資有限公司的納濾膜。試驗(yàn)用膜的具體參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用膜的具體參數(shù)

2.2 測(cè)試項(xiàng)目和方法

本次試驗(yàn)進(jìn)行了水質(zhì)測(cè)試、膜清洗液分析和膜片的表面檢測(cè)。試驗(yàn)中所使用的檢測(cè)方法如表2所示。測(cè)試項(xiàng)目有三維熒光、波長(zhǎng)254 nm 處單位比色皿光程下的紫外吸光度（UV）、總有機(jī)碳（TOC）、高錳酸鹽指數(shù)（COD）、電感耦合等離子體檢測(cè)（ICP）和液相色譜-有機(jī)碳聯(lián)用檢測(cè)（LC-OCD）。其中，COD測(cè)定采用《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 有機(jī)物綜合指標(biāo)》（GB/T 5750.7—2006）推薦的方法，即酸性高錳酸鉀滴定法。

表2 測(cè)試項(xiàng)目、方法和目的

2.3 試驗(yàn)方法

如圖1 和圖2所示，試驗(yàn)采用恒定產(chǎn)水流量和濃水流量、改變進(jìn)水壓力的方法運(yùn)行。超濾出水進(jìn)入水箱，水箱容積為200 L，其作為納濾的原水箱。采用南方泵業(yè)股份有限公司高壓泵（CDLF3-25FSWSC）將中間水罐的水泵入納濾膜，納濾膜將原水分為濃水和產(chǎn)水兩股水，兩股水也進(jìn)入水箱，進(jìn)行循環(huán)試驗(yàn)。濃水流量每天手動(dòng)調(diào)整，恒定為1 020 L/h。采用變頻器控制納濾的產(chǎn)水流量恒定為試驗(yàn)所設(shè)定的流量。試驗(yàn)采用3 個(gè)納濾膜串聯(lián)運(yùn)行的方式。膜前和濃水處均設(shè)置壓力表，用以實(shí)時(shí)檢測(cè)壓力，濃水和回流濃水均設(shè)置流量計(jì)。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)照片

圖2 裝置流程

3 結(jié)果與分析

3.1 對(duì)有機(jī)物的去除效果

如圖3所示，原水、超濾出水、納濾出水的TOC值分別為2.63 mg/L、2.03 mg/L、0.30 mg/L，經(jīng)過(guò)超濾和納濾后的去除率分別為23%和89%，原水、超濾出水、納濾出水的COD值分別為3.67 mg/L、2.51 mg/L、0.83 mg/L，超濾和納濾的去除率分別為31%、77%。原水和超濾出水的UV分別為0.050 cm、0.045 cm，納濾出水的UV低于檢測(cè)限，納濾對(duì)于UV的去除率接近100%。結(jié)果表明，超濾對(duì)于有機(jī)物的去除能力較弱，納濾可以進(jìn)一步有效去除水中的有機(jī)物。

圖3 原水、超濾出水、納濾出水的COD 和TOC

3.2 三維熒光光譜特征

三維熒光光譜（EEM）可對(duì)多組分復(fù)雜體系進(jìn)行光譜識(shí)別和表征，適用于研究天然水體中的溶解性有機(jī)物。對(duì)于不同來(lái)源的溶解性有機(jī)物，熒光峰的強(qiáng)度、區(qū)域分布均有不同，從而形成了代表各種水源特征的光譜信息。

原水、超濾產(chǎn)水和納濾產(chǎn)水的三維熒光圖分別如圖4、圖5 和圖6所示。E為發(fā)射波長(zhǎng)，E為激發(fā)波長(zhǎng)。圖4、圖5 中均存在強(qiáng)度明顯突出的區(qū)域，其為類酪氨酸和類色氨酸物質(zhì)。經(jīng)過(guò)超濾后，這些區(qū)域的熒光強(qiáng)度未發(fā)生明顯減弱，而經(jīng)過(guò)納濾后，未發(fā)現(xiàn)有明顯突出的熒光強(qiáng)度區(qū)域。納濾對(duì)于類酪氨酸和類色氨酸物質(zhì)均具有良好的去除率。

圖4 原水的三維熒光圖

圖5 超濾產(chǎn)水的三維熒光圖

圖6 納濾產(chǎn)水的三維熒光圖

3.3 分子質(zhì)量分布

如圖7所示，采用凝膠色譜-UV 檢測(cè)器，對(duì)水中的分子量分布進(jìn)行檢測(cè)。在太湖原水中，有機(jī)物分子量峰主要保持在10 000 Da 左右，而超濾膜的截留分子量為150 kDa，超濾只能去除部分分子量較大的有機(jī)物，將有機(jī)物的峰朝小分子量方向偏移。而納濾工藝對(duì)于各個(gè)分子量階段的有機(jī)物都有較高的去除率。FAN 等認(rèn)為，納濾對(duì)于有機(jī)物的去除主要是由有機(jī)物的分子量大小決定的，即篩分作用，納濾可以截留相對(duì)分子質(zhì)量大于200 Da 的全部有機(jī)物，而對(duì)于小于截留分子量的有機(jī)物，截留效果主要與有機(jī)物的尺寸、離子電荷和親疏水性有關(guān)。

圖7 原水、超濾產(chǎn)水、納濾產(chǎn)水的分子量分布

4 結(jié)論

在太湖原水的處理中，TMH10A 納濾膜能夠在建議通量范圍內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行。當(dāng)膜通量為22 L/（m·h）時(shí)，運(yùn)行期間并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著的膜污染。超濾和納濾對(duì)有機(jī)物都有很高的去除率，并且納濾去除有機(jī)物的效果優(yōu)于超濾，可以作為超濾工藝的補(bǔ)充，更好地去除類酪氨酸和類色氨酸物質(zhì)，其對(duì)UV的去除率接近100%，對(duì)COD、TOC 的去除率分別為77%、89%。采用三維熒光和LC-OCD檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)納濾對(duì)于有機(jī)物的去除沒(méi)有選擇性，對(duì)于不同分子量和熒光強(qiáng)度的有機(jī)物都有良好的去除效果。