超濾膜直接過濾處理低溫低濁水的試驗

傅金祥，盧善文，曲 明，郜玉楠

(1. 沈陽建筑大學，遼寧沈陽 110168;2. 撫順市熱力公司，遼寧撫順 113000)

低溫低濁水因其溫度低(0 ～4 ℃)、濁度低、水的黏度大等特點成為水處理領域中研究的重點和難點之一［1，2］。冬季北方地區水廠通常采用增加混凝劑投加量和投加高分子助凝劑的方式來改善混凝效果，但處理效果并不明顯。超濾膜幾乎能將細菌、病毒、兩蟲及水生生物全部去除;處理系統占地面積小，運行維護簡單，容易實現自動化，是提高水廠出水水質和微生物安全性最有效的技術［3-5］。

本文采用內壓式中空纖維超濾膜直接過濾處理低溫低濁期的大伙房水庫水，考察超濾膜在低溫期對污染物的去除效果;研究了影響超濾膜污染的各種因素，探討將超濾膜系統用于處理低溫低濁水的可能性。

1 試驗裝置與方法

1.1 工藝流程

中試采用中國海南立升公司生產的型號為LH3-1060-V 的內壓式超濾膜組件，膜材料為聚氯乙烯(PVC)，膜面積為40 m2，膜孔徑為0.01 μm，膜絲內/外徑為1.0/1.6 mm，截留分子量為50 000 Da，最高工作溫度為40 ℃，處理能力為2 ～3 m3/h，過濾方式為全量過濾，工藝流程如圖1 所示。

超濾膜組件在水廠廠房內安裝調試。試驗期間，廠房內的溫度維持在5 ℃左右，超濾膜進水溫度為2.5 ～6 ℃。整套裝置由PLC 自動控制運行，原水經過提升泵提升后進入原水箱，經增壓泵增壓后，通過SPFZ-L 型刷式自清洗過濾器去除原水中的大顆粒物，再進入超濾膜組件，原水中的污染物質被超濾膜截留，凈水則從膜壁四周滲出并匯集成為產水，進入產水箱。為緩解膜污染，維持超濾膜的產水穩定性，在設備運行的過程中需定時對超濾膜進行沖洗。反洗水為貯存在產水箱中的濾后水。膜清洗過程為正沖-下反沖-上反沖-正沖。

圖1 工藝流程Fig.1 Flow Chart of Treatment Process

1.2 原水水質

試驗原水取自大伙房水庫水［6-8］。試驗于2013年1 月上旬運行至4 月下旬，處在低溫期。試驗期間，主要水質指標如表1 所示。

表1 原水水質Tab.1 Quality of Raw Water

1.3 水質分析項目及方法

溫度:玻璃溫度計;pH:便攜式pH 計;濁度:臺式濁度儀;細菌總數:平板計數法;CODMn:酸性高錳酸鉀法;UV254:紫外分光光度計，水樣在測定前用0.45 μm 的濾膜過濾。

2 試驗結果與分析

2.1 直接超濾對水中污染物的去除

2.1.1 濁度的去除效果

濁度主要是由水中的懸浮顆粒、微生物和膠體物質等引起。濁度是飲用水中最重要、最直接和影響最顯著的指標之一?，F行常規給水處理流程以去除原水的濁度為主要目標，大多數水廠也都采用濁度作為監測指標來控制水廠水質。

原水直接過濾對濁度的去除效果如圖2 所示。

圖2 濁度的去除效果Fig.2 Removal Effect of Turbidity

由圖2 可知在低溫低濁期(原水濁度為0.496 ～0.819 NTU)，超濾膜直接過濾原水的出水濁度恒低于0.1 NTU，平均值為0.062 NTU，去除率達到了90%以上，去除效果非常好，表現出良好的穩定性。值得一提的是，作為濁度的膠體本身不僅是污染物，而且是水中細菌、病毒等微生物的重要載體［9］。超濾膜對水中濁度優異的去除效果同樣可以表明其對于水中細菌、病毒的去除能力。細菌總數的檢測結果如表2 所示。

表2 細菌總數的檢測結果Tab.2 Test Results of Total Bacteria

由表2 可知超濾膜出水的細菌總數均小于4 CFU/mL，結果均低于《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)中規定的限值。中試采用的超濾膜孔徑為0.01 μm，理論上可以截留全部細菌，但從超濾的出水中仍然能檢測到微生物的存在，這可能是由于部分膜絲的破損以及微生物在不同生長階段體積大小不同等引起的。

2.1.2 COD 的去除效果分析

原水直接過濾對COD 的去除效果如圖3 所示。

由圖3 可知超濾膜進水的CODMn均值為3.59 mg/L，直接超濾出水 CODMn平均值為2.97 mg/L，平均去除率為17%，直接超濾對原水中COD 的去除率較低，并且隨著原水水質的變化，去除率也隨之變化。這是由于超濾膜的孔徑較大，截留分子量也較大，而低溫低濁水中的雜質是以細小的膠體分散體系溶于水中，因此導致對原水中的有機物較低的去除率。

圖3 COD 的去除效果Fig.3 Removal Effect of COD

2.1.3 UV254的去除效果

UV254是衡量水中有機物指標的一項重要控制參數。其作為反映一類有機物的替代參數的測定具有操作簡單、儀器低廉、試驗操作成本低、精度較高、數據重現性好等優點［10］。它除了與難揮發性總有機碳、溶解性有機碳存在良好的關系外，與色度、天然有機物以及消毒副產物生成勢等控制指標也具有很好的相關性。

直接超濾對原水UV254的去除效果如圖4所示。

圖4 UV254的去除效果Fig.4 Removal Effect of UV254

由圖4 可知在試驗的原水水質條件下，超濾膜直接對UV254的去除效果并不是很好，并且隨著原水UV254的變化而呈現出不穩定的趨勢，平均去除率僅為14%。直接超濾對UV254的去除能力較低的主要原因是UV254表征的是水中天然有機物的含量，其分子量主要分布在500 ～2 000 Da［11，12］，而中試采用的超濾膜的截留分子量為50 000 Da。

2.2 膜污染的影響因素分析

2.2.1 操作方式的影響

超濾膜在過濾過程中，由于原水中的污染物不斷地黏附在膜表面或堵塞膜孔，進而產生膜污染。膜污染［13-15］會增加制水成本，降低膜的使用壽命。膜污染的主要表征是跨膜壓差(TMP)的上升，本文通過研究跨膜壓差的變化確定最佳的系統運行參數。

2.2.1.1 處理水量的影響

較高的處理水量能夠提高產水率和經濟效益，但同時也意味著超濾膜截留的污染物越多，長期高負荷運行容易使膜組件產生不可逆污染，增加清洗難度，亦會提高制水成本。

中試分別采用2、2.5、3 m3/h 的處理水量進行試驗，累計產水200 m3，不進行膜前預處理，結果如圖5 所示。

圖5 處理水量對膜污染的影響Fig.5 Impact of Treatment Water Yield on Membrane Fouling

由圖5 可知采用2 m3/h 運行，累計產水200 m3時，TMP 增加了3 kPa，經過常規水力清洗(物理清洗)后，超濾膜系統能夠連續穩定運行120 h 以上;采用2. 5 m3/h，累計產水200 m3時，TMP 增加了11 kPa，TMP 增加較快，污染物截留較多，常規水力清洗后TMP 能夠接近初始狀態，但還是有所增長，說明已經產生了不可逆污染;當采用3 m3/h 運行，累計產水200 m3時，TMP 增加了23 kPa，TMP 增加很快，不可逆污染增長迅速，必須利用低濃度的酸或堿對膜組件進行維護性清洗才能使其恢復到初始狀態。因此，根據TMP 的增加情況，可以認為超濾膜系統能穩定運行的處理水量為2 m3/h。

2.2.1.2 過濾周期的影響

過濾周期越長，反沖洗間隔時間就越長，反洗水量就越小，產水率就越高，但是無限制地延長過濾周期勢必會造成膜的不可逆污染;而過濾周期太短，雖然能減少膜污染，但會浪費大量的反洗水。所以，過濾周期的長短應從減少膜污染和經濟因素兩方面考慮。

中試處理水量為2.0 m3/h，分別采用20、30、40、50、60 min 進行了試驗。由圖6 可知在不進行任何預處理的情況下，膜組件在處理相同水量時，過濾周期越長，TMP 增加越快。當過濾周期為20 和30 min時，TMP 增加緩慢，累計產水200 m3時分別增加了2 和3 kPa，說明在過濾過程中所產生的污染絕大部分為可逆污染;當過濾周期為40 min 時，TMP增加較快，累計產水200 m3時，TMP 增加了6 kPa，增長較快，污染物積累較多;當過濾周期為50 和60 min時，TMP 增加很快，累計產水200 m3時，TMP分別增加了11 和12 kPa，說明在長時間的過濾過程中，污染物積累比較嚴重，產生了不可逆污染。從緩解膜污染的角度，過濾周期為20 和30 min 較適合，但為了保持較高的產水率，認為過濾周期為30 min比較合適。

圖6 過濾周期對膜污染的影響Fig.6 Impact of Filtration Cycle on Membrane Fouling

2.2.1.3 反沖洗時間的影響

超濾膜在經過一個周期的凈水過程后，在膜表面和膜孔內側都會產生污染，污染物質會隨著時間的延長不斷積累，導致TMP 的增加。因此在膜組件運行一個周期之后需要對其進行水力清洗。

超濾膜的基本水力沖洗方式有兩種:正沖和反沖。正沖是利用水流快速沖洗膜表面，把沉積在膜表面的污染物沖洗掉;反沖是利用超濾膜的產水從膜的產水側進水，可以沖掉膜孔內的污染物，對膜表面污染物的去除也有一定效果。單獨采用正沖或是反沖都不能達到最佳的清洗效果，因此試驗采取正沖和反沖組合的方式。反洗步驟為正沖-上反沖-下反沖-正沖。

在工程上，為保證較高的產水率，總清洗時間通常不超過1 min。中試共采取了以下幾種工況:(1)正沖15 s，上、下反沖10 s;(2)正沖10 s，上、下反沖15 s;(3)正沖10 s，上、下反沖20 s;(4)正沖10 s，上、下反沖10 s;(5)正沖20 s，上、下反沖20 s。具體結果如圖7 所示。

圖7 反洗方式對膜污染的影響Fig.7 Impact of Backwashing Way on Membrane Fouling

由圖7 可知在處理水量為2 m3/h，反沖洗周期為30 min 的條件下，累計產水200 m3時，幾種工況下TMP 的變化是很明顯的。無論降低正沖還是上、下反沖的時間，都會引起TMP 相對較快地增加。工況2 和工況5 的反洗效果相對較好，在經歷反洗之后TMP 基本能夠恢復到上個周期的初始值。但工況5 的沖洗時間相對較長，沖洗水量較大，不夠經濟，因此工況2 比較理想。

2.2.1.4 反沖洗強度的影響

中試設定超濾膜的處理水量為2 m3/h，反沖洗周期為30 min，反沖洗歷時1 min。采取以下幾種工況考察反沖洗強度對TMP 的影響。(1)正沖18.5 m3/h，下反沖10 m3/h，上反沖8 m3/h，正沖29 m3/h;(2)正沖17 m3/h，下反沖10 m3/h，上反沖8 m3/h，正沖27.5 m3/h;(3)正沖18.5 m3/h，下反沖8.5 m3/h，上反沖7 m3/h，正沖29 m3/h。沖洗強度通過安裝在膜組件管道上的閥門手動調節，調節范圍為7 ～10 m3/h。具體結果如圖8 所示。

圖8 反沖洗強度對膜污染的影響Fig.8 Impact of Backwashing Intensity on Membrane Fouling

由圖8 可知水力反沖洗強度越大，TMP 增加越緩慢，反沖洗效果越好。這是由于反沖洗強度越大，對沉積在膜表面和膜孔內部的污染物的沖擊強度就越大，清洗就越徹底。從緩解膜污染的角度看，工況1 的效果最好。

2.2.2 低溫的影響

試驗期間的原水溫度為2.5 ～6 ℃，為了考察不同的溫度對膜污染的影響，在其他操作方式不變的情況下分別在2.5、3. 5、4 和6 ℃進行試驗，記錄TMP 的增加情況，最后進行比較。

中試設定超濾膜的處理水量為2 m3/h，反沖洗周期為30 min，反沖洗歷時1 min。圖9 為不同溫度下超濾膜累計產水量為200 m3時TMP 的變化情況。

圖9 低溫對膜污染的影響Fig.9 Impact of Low Temperature on Membrane Fouling

由圖9 可知當溫度分別為2.5、3.5、4 和6 ℃時，TMP 分別增加了10、9、9 和8 kPa。隨著水溫的升高，在各個工況都相同的情況下，TMP 的增加幅度呈減小趨勢。這是因為隨著進水溫度的升高，PVC 中空纖維超濾膜的膜絲孔徑會變大，膜通量升高，減輕污染物在膜孔內部的沉積。

3 結論

(1)超濾膜直接過濾低溫低濁原水對濁度的去除效果非常好，無論進水濁度大小，出水濁度都能達到0.1 NTU 以下，完全滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的限值要求。

(2)超濾膜直接過濾低溫低濁原水對有機物的去除效果不好，COD 和UV254的平均去除率分別為17%和14%。

(3)處理水量越低，過濾周期越短，反洗強度越大，TMP 增加越緩慢，越有助于緩解膜污染，使超濾膜系統能夠長時間穩定運行。從TMP 的變化趨勢、有機物的去除效果以及經濟因素綜合考慮，超濾膜直接過濾低溫低濁期原水的最佳工藝組合參數:處理水量為2 m3/h，過濾周期為30 min，反洗時間為1 min(正沖10 s，上、下反沖15 s)，反沖洗強度為正沖18.5 t/h，下反沖10 t/h，上反沖8 t/h，正沖29 t/h。

(4)低溫導致TMP 增加較快，不利于超濾膜系統連續穩定運行。

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