PAC-UF工藝處理沉淀池出水試驗

瞿芳術，梁 恒，2，王 輝，陳 杰，李圭白，2

(1.哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，哈爾濱150090，qufangshu@163.com; 2.城市水資源開發利用(北方)國家工程研究中心，哈爾濱150090;3.蘇州立升膜分離科技有限公司，蘇州215152)

目前，我國大部分的飲用水處理工藝仍是傳統的混凝、沉淀、過濾工藝.隨著2006年新飲用水水質國標的推出，在地表水質沒有根本性好轉的情況，傳統飲用水處理工藝很難實現出水水質完全達標.因此，大部分水廠在未來的幾年都需要進行工藝改造，而以超濾為代表的膜分離工藝是水廠改造的理想選擇［1］.超濾工藝在水處理中大規模應用的主要障礙在于膜污染和不能控制溶解性的有機物質.Sundaramootthy等［2］研究發現，不同形態的NOM對MF/UF膜污染會產生不同影響，膠體狀有機物最容易產生不可逆污染.Lin等［3］還對腐殖酸的相對分子質量、親水性的污染程度進行了分析，發現小分子物質中的親水性部分所產生的影響更大.這些研究都表明單純依靠膜截留作用處理沉淀池出水時膜污染風險很高，因為水源水經過混凝沉淀處理之后，水中大部分懸浮顆粒被去除，但是還殘留大量膠體狀和溶解性的有機物質，有必要采取投加粉末活性炭等措施.許多研究表明［4－9］，將PAC的吸附作用與UF的截留作用相結合可以提高超濾工藝的性能，減緩膜通量的下降速率，并有效控制出水中的溶解性有機物，減少水中消毒副產物的形成.

本試驗以沉淀池出水為處理對象，研究了PAC－UF工藝控制水中顆粒狀物質、有機污染物的能力和PAC對超濾膜污染控制的能力，并確定PAC－UF工藝處理沉淀池出水最佳的粉末活性炭投加量，為以超濾代替砂濾的傳統工藝改造提供技術支持.

1 試驗

1.1 原水水質

試驗用水采用凈水廠平流沉淀池出水，沉淀池出水水質詳見表1.

表1 原水水質

1.2 試驗裝置和材料

試驗裝置見圖1.試驗中使用的膜組件是由海南立升公司提供的浸沒式中空纖維膜組件，截留分子質量為100 ku，膜的材料為改性PVC.試驗中使用的粉末活性炭是山東省萊陽市康德化工有限公司產的分析純粉末活性炭.

圖1 試驗裝置簡圖

1.3 試驗方法

試驗中，粉末活性炭溶液與凈水廠的沉后水在混合池中混合，充分吸附后進入膜池，混合液在跨膜壓力的作用下，清水經過膜組件進入清水池，膜組件的跨膜壓差由產水泵吸水管的真空度來提供.試驗中采用恒壓方式運行，跨膜壓力采用0.04 MPa.粉末活性炭投加采用濕投的方式，先配成一定質量濃度溶液，再由加藥泵投加到混合池中.試驗中對0，10，20，30，40，50 mg/L的粉末活性炭投量水平進行了研究，每次試驗連續運行1 d，對前12個小時通量下降進行逐時監測.

1.4 分析方法

濁度采用哈希2100濁度儀測定;pH值采用HANNA pH211酸度計測定;TOC采用德國Liquid TOC儀測定;UV254采用北京普析通用儀器公司產的TU－1810紫外可見分光光度計測定;三氯甲烷用Angilent 6890氣相色譜儀測定，前處理采用美國OI分析儀器公司的吹掃捕集樣品濃縮儀E-clipse 4660;三氯甲烷生成勢測定采用五日氧化法，余氯量控制在 5 mg/L以上，培養溫度在(25±2)℃［10］.

2 結果與分析

2.1 PAC－UF對濁度的控制

由圖2可知，浸沒式膜組件直接超濾沉淀池出水，可以將出水的濁度控制在0.16 NTU，去除率為88%;投加粉末活性炭10～50 mg/L以后，出水的濁度都在0.1 NTU以下，去除率在95%左右，說明在膜池中投加粉末活性炭以后，活性炭的吸附作用和粉末炭形成的泥餅層的截留作用能夠增強PAC－UF對濁度的控制.水廠出水的濁度在0.4 NTU左右，可以看出PAC－UF工藝代替傳統砂濾池可以很大程度地提高工藝對水中顆粒及膠體物質的去除.

圖2 粉末炭投量對PAC－UF工藝控制濁度的影響

2.2 PAC－UF對有機物的控制

由圖3可知，超濾膜直接處理沉淀池出水，CODMn、UV254和 TOC的去除率分別為16.7%，11.0%和18.5%，這說明沉淀池出水還具有部分顆粒狀膠體狀的有機物，能夠通過超濾膜實現分離，但去除的量有限.從粉末活性炭投加量對CODMn和TOC的去除率影響曲線可以看出，粉末活性炭投量從10 mg/L增加到50 mg/L，CODMn和TOC的去除率僅增加20個百分點，這說明粉末活性炭投加量增加對水中有機污染物去除的影響不大，其原因可能在于連續投加方式不能充分利用粉末活性炭的吸附性能，需要進一步考慮粉末活性炭回流或者增加接觸時間等措施來解決.從UV254去除率曲線可知，粉末活性炭的投加對UV254指代的不飽和有機物的去除效果非常明顯.粉末活性炭投加量增加對水中有機物3個替代指標的去除率影響差異很大，僅對UV254去除水平影響明顯，可能有兩點原因:第一，UV254指代的有機物相對分子質量范圍在粉末活性炭能高效吸附的相對分子質量范圍內;第二，UV254指代的有機物在試驗用水的有機物中占的比重小.從總體上看，PAC－UF工藝處理沉淀池出水時，粉末活性炭的最佳投加量為20～30 mg/L，投量為20 mg/L時，CODMn、UV254和 TOC的去除率分別為27.2%，38.5%和30.7%.

圖3 粉末活性炭投量對PAC－UF控制水中有機污染物的影響

2.3 PAC－UF對三氯甲烷生成勢的控制

飲用水消毒后產生三氯甲烷等消毒副產物一直是飲用水預氯化處理和液氯消毒中存在的一個問題，也是傳統水處理工藝不可避免的問題之一.由圖4可知，沉淀池水經過超濾后，三氯甲烷的生成勢僅降低5.5%，說明超濾膜對三氯甲烷前驅物質的去除能力非常有限.在投加粉末活性炭以后，三氯甲烷生成勢大幅度降低，投量為10 mg/L時，去除率為16.5%，當粉末活性炭投加量增至50 mg/L時，三氯甲烷生成勢的去除率達到38.1%，從整體上看，粉末活性炭最佳投量在20～30 mg/L，三氯甲烷生成勢的去除率在23.9%～31.4%.

圖4 粉末活性炭投加量對三氯甲烷生成勢去除的影響

2.4 PAC對超濾膜污染的控制

膜污染是超濾工藝應用的障礙之一.超濾膜污染的方式主要有3種［11－12］:小分子在膜空內吸附引起的膜孔窄化;膜表面的膜孔堵塞;被膜截留的物質在膜表面形成濾餅層.將粉末活性炭和超濾膜聯合使用，目的就在于利用粉末活性炭吸附溶解性有機物質減少膜孔窄化和膜表面的膜孔堵塞，減少不可逆污染的形成，同時在膜表面形成以粉末活性炭顆粒為主的濾餅層，阻止有機污染與膜表面的接觸.

由圖5可知，超濾膜起始通量隨著粉末活性炭投量的增加而降低，但增幅逐漸減小，這是因為在膜池中投加粉末活性炭之后，粉末活性炭迅速在膜表面形成濾餅層，從而增加膜阻力降低膜通量.試驗期間，監測了PAC－UF工藝運行前12個小時通量的下降，發現通量下降基本上可以分為3個階段:快速下降階段，在裝置運行的前1 h，膜污染以膜孔窄化和膜表面的膜孔堵塞為特征;緩慢下降階段，在運行的1～4 h，膜污染以濾餅層變厚和變得密實為特征;穩定階段，在4 h之后，以膜污染增加非常緩慢、通量穩定為特征.

當超濾膜直接處理沉淀池出水時，通量下降非常快，在第一階段，小分子有機物在膜空內吸附造成膜孔窄化，同時膠體物質可能在膜表面堵塞膜孔，因此膜通量迅速下降;在第二階段，膠體和顆粒物質在膜表面逐漸形成密實的泥餅層，使得膜通量繼續下降;在第三階段，由于泥餅層截留了大量的雜質，降低了膜表面的污染負荷，使得膜通量下降非常緩慢，進入穩定階段.在膜池中投加粉末活性炭之后，膜通量下降的規律同沉后水直接超濾類似，但是通量下降的程度比直接超濾小，在第一階段，由于粉末活性炭吸附了水中許多有機物分子，使得膜孔窄化現象緩和，另外粉末活性炭顆粒迅速在膜表面形成以粉末活性炭顆粒為主的濾餅層，阻止膠體和微小顆粒物質與膜表面接觸，減少了膜孔堵塞的現象;在第二階段，膜表面的粉末活性炭濾餅層隨著處理水量的增加而加厚，同時大量水中的雜質在粉末活性炭濾餅層上截留，使得濾餅層變厚、膜阻力增加，因而通量還會緩慢下降;第三階段，超濾膜纖維絲表面的泥餅層將不再增厚，原因在于泥餅層表面的粉末活性炭顆粒會在重力的作用下，脫落并沉至膜池的底部，只有部分微小顆粒物質和小分子物質會進入泥餅層，使泥餅層更為密實，因此，在穩定階段，通量僅有微小的下降.

圖5 粉末活性炭投量對通量下降的影響

綜上可知，PAC投加確實能降低膜污染，減少膜通量降低的程度，投量越大，效果越明顯;而且投加粉末活性炭后引起的膜污染可能是以粉末活性炭濾餅層為主的可逆污染，可通過水力反沖洗解決.有關長期運行中粉末活性炭對膜污染的具體影響后期將進一步論證.

3 結論

1)PAC－UF工藝處理沉淀出水，能夠將出水濁度控制在0.10 NTU以下，對水中顆粒物質的去除率達到95%以上;PAC的吸附作用和超濾膜截留作用的聯合能夠有效去除沉淀池出水中的有機物質，粉末活性炭的最佳投量在20～30 mg/L，投量為 20 mg/L時，CODMn、UV254和TOC的去除率分別為27.2%，38.5%和30.7%.

2)PAC－UF工藝能夠有效降低三氯甲烷的生成勢，當粉末炭投加量為20～30 mg/L時，三氯甲烷生成勢降低23.9%～31.4%.

3)PAC的投加能夠有效降低超濾膜污染，而且形成以粉末活性炭顆粒泥餅層為主的可逆污染，可以通過簡單的水力反沖洗實現通量恢復.

［1］李圭白，楊艷玲.超濾:第三代城市飲用水凈化工藝的核心［J］.供水技術，2007，1(1):1－3.

［2］SUNDARAMOORTHY K，BRUGGER A，PANGLISCH S，et al.Studies on the minimisation of NOM fouling of MF/UF membranee with the help of a submerged“single”capillary membrane apparatus［J］.Desalination，2005，179:1－3.

［3］LIN C F，LIN T Y，HAO O J.Effects of humic substance characteristics on UF performance［J］.Wat Res，2000，34(4):1097－1106.

［4］董秉直，曹達文，范瑾初.粉末活性炭－超濾膜處理黃浦江原水的研究［J］.上海環境科學，2003，22 (11):731－733.

［5］郝愛玲，陳永玲，顧平.微污染水處理中投加粉末活性炭緩解膜污染的機理研究［J］.膜科學與技術，2007，27(1):35－40.

［6］SAGBO O，SUN Yaxi，HAO Ailing，et al.Effect of PAC addition on MBR process for drinking water treatment［J］.Separation and Purification Technology，2008 (58):320－327.

［7］CHANG S，WAITE T D，FANE A G.A simplified model for trace organics removal by continuous flow PAC adsorption/submerged membrane process［J］.Journal of Membrane Science，2005(253):81－87.

［8］MOZIA S，TOMASZEWSKA M.Treatment of suiface water using hybrid processes adsorption on PAC and ultrafiltration［J］.Desalination，2004(162):23－31.

［9］GAI Xiangjuan，KIM Hanseung.The role of powdered activated carbon in enhancing the performance of membrane systems for water treatment［J］.Desalination，2008，225:288－300.

［10］林細萍，盧益新，張德明，等.THMFP及HAAFP的測定方法［J］.中國給排水，2003，19(10):98－100.

［11］王北福，于水利，鎮祥華，等.超濾處理含聚污水過程中通量衰減機理的研究［J］.環境科學學報，2007，27(4):568－574.

［12］MATSUI Y，YUASA A，ARIGA K.Removal of a synthetic organic chemical by PAC－UF system——Ⅰ: Theory and modeling［J］.Wat Res，2001，35(2):455－463.