基于在線混凝-超濾組合工藝的微污染地表水處理

崔俊華,王培寧,李凱,張建輝,李圭白

(1.河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,河北邯鄲056038;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150090)

超濾膜技術(shù)是21世紀的新興技術(shù),近年來隨著膜的性能不斷提高,價格不斷降低,國外已將該技術(shù)用于城市水廠,并呈加速推廣趨勢[1]。國外工藝為超濾膜單元作為深度處理的長流程工藝,如位于加拿大Mississauga的Lakeview水廠[2],該水廠流程如下所示。

原水→混凝→沉淀→過濾→臭氧→活性炭→超濾→消毒→出水

這種長流程工藝可以最大程度保證出水的水質(zhì)安全,且經(jīng)過砂濾截留和活性炭吸附(多為顆?；钚蕴恐?后,超濾單元的污染物負荷很低,可以保持較高的通量。但是該工藝流程存在如所需水頭較大、耗能多、運行復(fù)雜、構(gòu)筑物多、占地面積大、基建費用高、制水成本高等缺點,并不符合我國國情。因而在保證出水水質(zhì)的前提下,盡量縮短流程的研究很有實際意義。

在線混凝作為縮短流程的主要工藝,在水處理中有很大的應(yīng)用空間。董秉直等[3]認為以在線混凝-超濾中混凝后不去除礬花,直接進行膜過濾,礬花可以在膜表面形成濾餅層,延緩膜污染。還有研究者認為混凝可以改變水中膠體顆粒的表面電荷,從而使小膠體顆粒易于被濾餅層吸附,改善膜孔的堵塞污染并延緩吸附污染[4]。

本試驗通過去掉沉淀,砂濾及活性炭吸附等單元,以在線混凝的方式,將超濾單元變?yōu)槟せ炷磻?yīng)器,以縮短實驗流程(式1),并通過對比出水水質(zhì)和跨膜壓差增長情況來確定混凝劑的最優(yōu)投量。

1 試驗裝置和試驗方法

1.1 試驗裝置和流程

試驗裝置共有四組并聯(lián)流程,共用一個原水箱,其中單一流程如圖3所示。該裝置以地表水為原水,用浮球閥穩(wěn)定膜池中的液面,混凝劑采用有效含量質(zhì)量分數(shù)為4%的聚合氯化鋁(Polyaluminium Chloride,PAC)液體,通過計量泵投加在浮球閥出水口處,在原水管中初步混合(約20 s)后進入膜池,混凝時間很短,基本不形成大的礬花,而是形成微絮體。該裝置運行過程由可編程程序控制器(PLC)全程控制,超濾方式為終端過濾,過濾通量恒定為30 L/(m2?h),原水在膜池中的停留時間為20min。超濾以抽吸泵作過濾動力,出水端的壓力通過壓力采集器反饋回PLC并記錄。通過調(diào)整抽吸泵反轉(zhuǎn)進行水洗,使用鼓風(fēng)機曝氣進行氣洗。

本次試驗中四組流程混凝劑投量依次為0、20、30、40 mg/L(以PAC液體重量計,下同),其他運行參數(shù)如下：反沖洗采用氣水合洗方式,反洗周期為1h,反洗時間為 1min,反沖洗水通量為60L/(m2?h),曝氣量為50 m3/(m2?h)(以膜池底面積計),排污周期為12h。

1.2 膜組件工藝參數(shù)

試驗用超濾膜采用國產(chǎn)外壓式中空纖維超濾膜,膜組件自行制作,主要工藝參數(shù)如表1所示。

表1 PVC超濾膜主要物理參數(shù)Tab.1 Main physical parameters of the PVC ultra-filtration membrane

1.3 原水水質(zhì)

試驗所用原水取自某自來水廠一期工程原水監(jiān)測取樣口,該水廠所用原水為珠江某支流河水,該支流水質(zhì)受氣候影響較大,夏季暴雨期濁度較高。試驗階段該河流處于枯水期,原水水質(zhì)較好,屬于微污染地表水,部分指標(biāo)如表2所示。

表2 主要水質(zhì)參數(shù)Tab.2 Main physical parameters of the raw water

1.4 分析儀器與分析方法

濁度采用HACH-2100N濁度儀測定;溫度用酒精溫度計測定;pH用玻璃電極pH計測定; CODMn采用酸性高錳酸鉀氧化法測定;UV254采用752N型紫外可見分光光度計測定;NH3-N采用納氏試劑分光光度法測定。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 組合工藝去除污染物效果分析

(1)組合工藝對濁度的去除

濁度是感官性指標(biāo),也是微生物學(xué)指標(biāo)。表現(xiàn)為濁度的膠體物質(zhì)不僅是污染物,而且是水中細菌病毒生長的重要載體。從表3中可以看出超濾工藝出水的濁度一直穩(wěn)定在0.1以下,基本不隨進水濁度的變化而變化。出水濁度降低的意義在于,大大減少后續(xù)單元如供水,管道等中細菌的附著和生長的可能性,從而使得消毒單元中氯的投加量也可大大降低,不僅可以節(jié)約藥劑成本,而且可以減少消毒副產(chǎn)物,進一步提高水質(zhì)。

本試驗中三種混凝劑投加量對于出水的濁度有略微影響,不過相對于膜自身的去除效果,可忽略不計。

表3 不同混凝劑投加量下對濁度的去除效果Tab.3 Removal efficiency of turbidity on different amount of coagulant

(2)組合工藝對有機物的去除效果分析

由于試驗所用原水水質(zhì)較好,CODMn的含量遠低于最新頒布的飲用水標(biāo)準(zhǔn)中所要求的水源水6 mg/L[5],一般在2 mg/L以下,所以試驗中對CODMn的去除率并不高,一般低于50%。從圖4可以看出,直接過濾的去除率較低,基本低于20%,可以認為原水中的不溶性有機物含量很低。這部分有機物包括大顆粒有機物,以及易吸附在泥沙等顆粒上的小顆粒有機物。超濾對于可溶性的有機物和粒徑小于膜孔的有機物基本無去除作用,這部分有機物主要在混凝和濾餅層吸附中去除。

組合工藝對CODMn的去除率隨著混凝劑投藥量的提高而提高,不過投藥量40 mg/L混凝劑的去除率有時還要低于30 mg/L,所以,從穩(wěn)定性和經(jīng)濟成本來看,30 mg/L的投藥量最優(yōu)。

UV254主要表征水中具有苯環(huán)結(jié)構(gòu)或者不飽和烴鍵的小分子有機物,這類有機物在254nm紫外波段處具有吸收峰,UV254也可以作為三氯甲烷生成勢(THMFP)的替代參數(shù)[5]。從圖3可以看出,由于UV254表征的有機物遠小于膜孔孔徑,超濾膜自身對于UV254幾乎沒有去除效果,而投加混凝劑可以明顯去除UV254。隨著混凝劑投加量的變大,對UV254的去除效果也逐步提升。

(3)組合工藝對氨氮(NH3-N)的去除

試驗所用原水NH3-N含量很低,最大0.15 mg/L,遠低于飲用水標(biāo)準(zhǔn)中[5]的0.5 mg/L限值。由于NH3-N物質(zhì)分子量很小,理論上超濾對其沒有截留作用。而試驗中直接超濾工藝的膜出水氨氮測定值平均為0.05 mg/L,且越到試驗后期越低,說明超濾對氨氮的去除基本是靠濾餅層的吸附,隨著過濾時間的延長,濾餅層也逐步變厚,吸附能力也越來越強。組合工藝出水的測定值基本在檢出限值0.02 mg/L以下,可以認為混凝劑的投加可以提高濾餅層的吸附能力,從而更好的保證氨氮等無機小分子污染物的去除[6]。

2.2 膜污染狀況及化學(xué)清洗效果分析

(1)跨膜壓差增長情況

試驗中超濾膜采取恒定通量運行,膜污染狀況可通過跨膜壓差(the transmembrane pressure,TMP)的變化來間接表示[7]。如圖4所示,直接超濾TMP增長迅速,而20mg/L投量下有所減緩,30mg/L及40 mg/L則是大大減緩。這是由于直接過濾時,濾餅層隨過濾時間增加而持續(xù)增厚,并隨著過濾壓力的上升而逐步壓縮、并逐漸形成難以水力清洗的凝膠層。而投加的混凝劑可以改善濾餅層的機構(gòu),由于混凝時間很短,難以形成礬花,而形成微絮體,這些微絮體不但粘附在超濾膜表面形成吸附污染物能力強的濾餅層,而且易于被水力清洗清除掉。在試驗中,通過肉眼觀察可以發(fā)現(xiàn)直接超濾的膜表面有大量黃褐色的濾餅層,而投加混凝劑的膜表面只有少量的濾餅層。隨著混凝劑投量的增加,平均每小時跨膜壓差增長量依次為0.16、0.14、0.11、0.10 kPa。圖中壓力下降的部分為每12小時排污消除部分濃差極化造成的。

從圖4還可看出相對于絮凝劑投加量從20 mg/L提升到30 mg/L,投量從30 mg/L提升至40 mg/L對TMP增長延緩的提升效果要大大減弱,可以認為40 mg/L混凝劑已接近飽和甚至過量。在試驗中,30 mg/L混凝劑投量是最佳投量。

(2)化學(xué)清洗情況

通常認為膜污染主要由4種原因引起：吸附、孔堵、濃差極化、濾餅層的形成和壓縮[8]。由此可將膜污染阻力分為這4種不同的阻力,它們與膜自身阻力共同構(gòu)成了過濾過程的總阻力。用達西定律式描述如下：

其中,Rt=Rm+Rf=Rm+Ra+Rb+Rc+Rcake

式中,A—膜面積,m2;V—透過液體積,m3;t—過濾時間,s;Δ P—跨膜壓差,Pa;μ—料液粘度,Pa?s; Rt—過濾過程某t時刻的總阻力,m-1;Rm—膜自身阻力;Rf—污染阻力;Ra—吸附阻力;Rb—孔堵阻力;Rc—濃差極化阻力;Rcake—濾餅層阻力。在試驗中,藥洗采用分步驟化學(xué)清洗,每個清洗步驟都單獨記錄跨膜壓差。過程如下：

1)換掉膜池中的濃縮液為膜出水,消除濃差極化的影響;

2)人工洗除可見濾餅層與凝膠層,去掉濾餅層阻力;

3)pH≈2.5的鹽酸溶液浸泡2h,此為酸洗階段,主要去除無機離子如鐵錳鈣等金屬的污染;

4)濃度為200 mg/L(以有效氯計)的次氯酸鈉溶液浸泡4h,此為堿洗階段,主要去除有機物造成的吸附污染。

試驗化學(xué)清洗情況如圖5所示。從圖5中可以看出,四種工況中濃差極化的影響大體相同,都在10 kPa左右,而濾餅層阻力依次為16、11、8、6 kPa,說明隨著混凝劑投量增大,濾餅層阻力中可逆部分的比重在增大,易于水力清洗去除。

各工況中酸洗階段降低的阻力很小,說明直接投加混凝劑中的鋁離子并沒有對膜造成不可逆的污染,聚合氯化鋁作為混凝劑適用于超濾膜工藝。堿洗階段去除的阻力普遍大于酸洗階段,說明造成膜污染的主要因素是有機物。

經(jīng)過階段化學(xué)清洗后,各膜基本恢復(fù)了最初的阻力,其中30mg/L與40mg/L工況完全恢復(fù),說明該工況可以長期穩(wěn)定的運行。

3 結(jié)論

1)在線混凝-超濾的組合工藝用于微污染水源水處理,可以大大縮短流程,從而增大組合工藝的實用性。

2)相對于直接超濾,在線混凝-超濾組合工藝可以較大程度地提高出水水質(zhì)。

3)在線混凝-超濾組合工藝能夠有效地控制TMP增長,延緩膜污染。該工藝運行穩(wěn)定,經(jīng)化學(xué)清洗后,TMP可以接近完全恢復(fù)。

4)在本試驗的水質(zhì)條件下,綜合考慮出水水質(zhì),TMP增長和經(jīng)濟成本,最佳混凝劑投量為30 mg/L。

[1]李圭白,楊艷玲.第三代城市飲用水凈化工藝-超濾為核心技術(shù)的組合工藝[J].給水排水,2007,33(4)：1-3.

[2]韓宏大,呂曉龍,陳杰.超濾膜技術(shù)在水廠中的應(yīng)用[J].供水技術(shù),2007,11(5)：14-16.

[3]董秉直,孫飛,閆昭暉,等.在線混凝-超濾聯(lián)用工藝用于小城鎮(zhèn)給水的應(yīng)用研究[J].給水排水,2007, 33(12)：27-31.

[4]OH J I,LEE S H.Influence of streaming potential on flux decline of microfilt ration with in-line rapid pre-coagulation process for drinking water production[J].Journal of Membrane Science,2009,254(1/2)：39-47.

[5]GB 5749—2006,生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]張景森,張靜,張景廣.邯鄲東武仕水庫表層水體多環(huán)芳烴的環(huán)境意義[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,27(2)：84-88.

[7]EATON A D.Measuring UV-absorbing organics：A standard method[J].AWWA,1995,87(2)：86-90.

[8]王湛.膜分離技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2000.