曝氣對一體式PAC/UF工藝的影響

邵森林，梁 恒，張建輝，陳 杰，李圭白

(1.哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，150090哈爾濱;2.河北工程大學城市建設學院，056005河北邯鄲;3.蘇州立升凈水科技有限公司，215152江蘇蘇州)

超濾(UF)膜技術(shù)作為飲用水處理的一個獨立工藝，是水處理領(lǐng)域近20年來重要的技術(shù)突破，其出水水質(zhì)優(yōu)良，生物安全性高［1］.但是由于UF具有較高的截留分子量，不能有效去除色度、天然有機物(特別是小分子腐殖質(zhì))和一些人工合成有機物［2］.為了強化這些物質(zhì)的去除，常常將粉末活性炭 (PAC)投加到UF系統(tǒng)中組成一體式PAC/UF工藝［3］.一體式PAC/UF工藝充分發(fā)揮了PAC吸附去除有機物的性能，還有效利用了超濾優(yōu)良的固液分離能力，保障了生物安全性的同時，進一步提高工藝的化學安全性;同時水廠可根據(jù)進水有機污染程度來投加PAC，具有很強的靈活性［4］;PAC還可以一定程度減緩膜污染［5］.由于一體式PAC/UF工藝是將PAC直接投加于膜池，需要在膜過濾過程中曝氣以防止PAC沉淀.曝氣不僅可以防止PAC在膜池中沉淀，同時通過氣泡在膜絲表面的振動和摩擦等作用，在膜絲表面產(chǎn)生剪切力并有效促使膜絲抖動，使得抽吸過程中形成的濾餅層松動脫落，從而抑制污染物在膜表面聚集，減緩膜污染［6］.但是曝氣能耗巨大［7］.

目前國內(nèi)對一體式PAC/UF工藝的研究主要集中于其對污染物的去除效果［8－9］和PAC對膜污染的影響［10］，未曾發(fā)現(xiàn)對工藝曝氣方面的研究.本文先通過小試，研究曝氣方式、曝氣量等因素對工藝的影響，然后通過中試驗證小試的結(jié)果，并進行經(jīng)濟性分析，以期為一體式PAC/UF工藝中曝氣系統(tǒng)的設計和運行提供參考.

1 實驗

1.1 實驗裝置

小試實驗裝置如圖1所示，實驗系統(tǒng)為兩組膜系統(tǒng)平行運行.系統(tǒng)通過可編程控制器(PLC)自動控制運行.采用恒水位水箱控制膜池液位，在蠕動泵的抽吸作用下，水由膜絲外部進入膜絲內(nèi)部，然后流入出水箱.反洗時，蠕動泵反轉(zhuǎn)，出水箱的水由膜絲內(nèi)部流向膜絲外部.通過空壓機和曝氣頭可以對膜池曝氣，防止PAC沉淀，并通過氣泡擦洗抖動膜絲.

小試試驗所用UF膜為外壓式PVC中空纖維超濾膜(蘇州立升凈水科技有限公司提供)，膜組件自行制作，膜面積0.05m2，其標準孔徑為0.01μm，截留分子質(zhì)量5×104u.

小試采用死端過濾方式過濾，通量恒定為30L/(m2·h)，原水在膜池中的停留時間為12min.試驗中過濾1h，氣水反洗1min，反洗強度為60L/(m2·h).PAC一次性手動投加至膜池，每12h投加一次，投加PAC前將膜池排空.

1—原水水箱;2—恒水位水箱;3—膜池;4—膜組件;5—壓力傳感器;6—蠕動泵;7—空壓機;8—氣體流量計;9—曝氣頭;10—排水閥.

中試進水采用水廠的待濾水.膜材料同小試，總有效膜面積100 m2，膜系統(tǒng)運行工況同小試.PAC通過蠕動泵連續(xù)性投加到膜池，投加量為20 mg/L.

中試膜系統(tǒng)運行工況:通量30 L/(m2·h)，過濾1 h，氣水反洗30 s，反洗強度70 L/(m2·h)，反洗曝氣量為50 m3/(m2·h)(以膜組件底面積計算).回收率為95%，即每次反洗后排液0.15 m3.

1.2實驗材料

實驗在南方某水廠進行，實驗期間小試和中試的進水水質(zhì)如表1所示.

實驗所用PAC為水廠自用活性炭，福建省龍福炭業(yè)有限公司生產(chǎn)，木質(zhì)炭，碘吸附值為522mg/g，亞甲基藍吸附值為108mg/g，水分8.51%，灰度2.34%.小試PAC投加前預過200目篩子，中試PAC投加前預過100目篩子.

表1 實驗期間小試和中試進水水質(zhì)

1.3 檢測項目及分析方法

試驗期間，每天檢測1次膜進出水水質(zhì)，檢測項目包括水溫、濁度、顆粒數(shù)、CODMn、UV254.

水溫、CODMn等均按國家標準(GBT5750.1—2006)測定，濁度采用HACH－2100N濁度儀測定，UV254采用上海精科752N紫外可見分光光度計測定(除膜出水外測定前均先經(jīng)0.45μm濾膜過濾)，顆粒數(shù)采用IBR便攜式顆粒技術(shù)儀(型號:ZH－IBR－Z1).

試驗過程中，中試系統(tǒng)自動檢測并記錄跨膜壓(PTM).

2 結(jié)果與討論

2.1 PAC的沉降性能

2.1.1 PAC質(zhì)量濃度和濁度的關(guān)系

將PAC配置成50、100、150、200、250、300、350、400 mg/L的渾濁液，然后測其濁度.圖2顯示了PAC的質(zhì)量濃度和渾濁液濁度之間的關(guān)系，可以看出PAC質(zhì)量濃度和渾濁液濁度之間符合很好的線性關(guān)系(R2=0.995 6)，可以用濁度表征PAC的質(zhì)量濃度.

2.1.2 PAC的靜態(tài)沉降實驗

將中試膜池排空，進水至水位2.4m.投加PAC使膜池內(nèi)混合液PAC質(zhì)量濃度為400mg/L.曝氣，使PAC混合均勻，停止曝氣.測量膜組件頂部(水位2.0m)不同時間點PAC混合液的濁度.圖3為停止曝氣后，膜組件頂部PAC質(zhì)量濃度隨時間變化.可以看出，在靜置的前10min，PAC質(zhì)量濃度迅速降低至初始質(zhì)量濃度的1/3，之后PAC質(zhì)量濃度緩慢下降，按初始質(zhì)量濃度為400mg/L計算，此時膜組件頂部的PAC仍有100mg/L左右.

圖2 PAC質(zhì)量濃度與濁度的關(guān)系

從PAC的沉降曲線可以看出，只要保持一定的時間曝氣一次就可以維持膜池PAC于一定的濃度，保證其吸附作用的發(fā)揮，即在PAC/UF工藝中可以采取間歇曝氣防止PAC沉淀.試驗中，間歇曝氣取曝氣1min，停止4min.

圖3 膜組件頂部PAC質(zhì)量濃度隨時間變化

2.2 曝氣方式對PAC/UF工藝的影響

2.2.1 曝氣方式對有機物去除效果的影響

CODMn和UV254是衡量水中有機物的重要指標.圖4、5為PAC投加量為40mg/L、曝氣量為0.7L/min情況下，不同曝氣方式對CODMn和UV254去除效果的比較.

在試驗運行期間，進水CODMn和UV254平均為(0.94±0.07)mg/L和(0.020±0.020)cm-1.對于連續(xù)曝氣，出水CODMn和UV254平均為(0.47±0.08)mg/L和(0.008±0.030)cm-1，對應平均去除率為(50±11)%和(60±15)%.對于間歇曝氣，出水CODMn和UV254平均為(0.51±0.11)mg/L和(0.009±0.030)cm-1，對應平均去除率為(46±11)%和(55±15)%.

圖4 不同曝氣方式下CODMn去除效果比較

圖5 不同嚗氣方式下UV254去除效果比較

顯然，連續(xù)曝氣情況下工藝對有機物的去除效果要略好于間歇曝氣，但是差別并不是特別明顯.這是因為和連續(xù)曝氣相比，間歇曝氣會導致部分PAC沉淀，無法發(fā)揮吸附作用;同時，由于連續(xù)曝氣充分攪動混合液使膜池中水與PAC更加充分地接觸.因此，連續(xù)曝氣工況下工藝對有機物的去除效果略好.

2.2.2 曝氣方式對膜污染的影響

圖6為不同PAC投加量(20和40mg/L)下連續(xù)曝氣和間歇曝氣PTM的變化情況.可以看出，在PAC投加量為20mg/L的情況下，曝氣方式對PTM影響很大，間歇曝氣時PTM增長明顯快于連續(xù)曝氣時.而在PAC投加量為40mg/L的情況下，曝氣方式對PTM變化幾乎沒有影響，兩條PTM變化曲線基本重合.這可能是由于PAC投加量為20mg/L時，膜池中PAC質(zhì)量濃度不高，PAC的沉淀使膜池中PAC質(zhì)量濃度進一步低，從而影響其減緩膜污染的作用;而PAC投加量為40mg/L時，由于膜池中PAC質(zhì)量濃度很大，盡管有部分沉淀，膜池中未沉淀的PAC足以發(fā)揮其減緩膜污染的作用.

2.3 曝氣量對膜污染的影響

圖7為PAC投加量為20mg/L、連續(xù)曝氣情況下，不同曝氣量(0.40和0.8L/min)PTM的變化情況.可以看出，0.8L/min曝氣量情況下PTM增長明顯比0.4L/min曝氣量情況下緩慢.在高曝氣量情況下氣泡的擦洗作用更加強烈，同時膜絲的抖動也更加劇烈，可以使濾餅層一定程度上脫落.同時，高曝氣量情況下濃差極化也可以得到一定程度的抑制.所以，增大曝氣量可以減緩膜污染.

圖6 曝氣方式對PTM的影響

2.4 中試驗證性試驗

從小試結(jié)果可以看出，連續(xù)曝氣的出水水質(zhì)略好，同時在低PAC投加量下，可以更好發(fā)揮PAC減緩膜污染的作用;增加曝氣量也可以減緩膜污染.在小試研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過中試對小試的結(jié)果進行驗證.連續(xù)曝氣和間歇曝氣均采用膜試驗系統(tǒng)的設計曝氣量:50m3/(m2·h)(以膜組件底面積計算).間歇曝氣開/停時間為1min/4min.

圖7 不同曝氣量情況下PTM的變化

表2為連續(xù)曝氣和間歇曝氣情況下中試去除污染物效果比較.可以看出，PAC/UF對顆粒物有良好的去除效果，出水濁度小于0.05NTU，＞2μm顆粒數(shù)小于27個.不同的曝氣方式對濁度的影響不大，連續(xù)曝氣使出水顆粒數(shù)略有增加.

表2 不同曝氣方式下中試去除污染物效果

對比表2中CODMn和UV254可以看出，連續(xù)曝氣比間歇曝氣對有機物處理效果好，但是差別不是太大，該結(jié)果和小試結(jié)果完全一致.

圖8為連續(xù)曝氣和間歇曝氣情況下PTM的變化.可以看出，連續(xù)曝氣情況下PTM增長明顯慢于間歇曝氣.這個結(jié)論與小試結(jié)果相符.

圖8 中試連續(xù)曝氣和間歇曝氣下PTM的變化

2.5 經(jīng)濟評價

不同曝氣方式下，運行成本主要區(qū)別于曝氣能耗上.連續(xù)曝氣和間歇曝氣的抽吸和反洗能耗基本相同，都為0.146 kW·h/m3，但間歇曝氣的曝氣能耗只為0.044 kW·h/m3，占總能耗的23%;而連續(xù)曝氣的曝氣能耗為0.265 kW·h/m3，占總能耗的62%.間歇曝氣比連續(xù)曝氣可以節(jié)約能耗0.221 kW·h/m3.如按電價0.5元/(kW·h)計，間歇曝氣可節(jié)約成本0.11元/m3.

相對于間歇曝氣，連續(xù)曝氣可以一定程度上減輕膜污染，同時連續(xù)曝氣情況下PAC/UF工藝去除有機物效果略好.但間歇曝氣可以節(jié)約成本0.11元/m3.綜合考慮PAC/UF工藝膜污染、除污染效能和運行成本可以看出，對于PAC/UF工藝，間歇曝氣更經(jīng)濟合理.

3 結(jié)論

1)采用濁度可以間接表征PAC質(zhì)量濃度，只要保證一定的時間曝氣1次，就可以維持膜池濃縮液中一定的PAC質(zhì)量濃度.

2)相對于間歇曝氣，連續(xù)曝氣情況下PAC/UF去除CODMn和UV254的效率分別平均提高4%和5%;連續(xù)曝氣會使出水顆粒數(shù)略微增加;在PAC投加量為20 mg/L的情況下，曝氣方式對PTM影響很大，間歇曝氣時PTM增長明顯快于連續(xù)曝氣時.而在PAC投加量為40 mg/L的情況下，曝氣方式對PTM變化幾乎沒有影響.0.8 L/min曝氣量情況下PTM增長明顯比0.40 L/min曝氣量情況下緩慢，增加曝氣量也可以減緩膜污染.

3)與連續(xù)曝氣相比，間歇曝氣可以節(jié)約能耗0.221 kW·h/m3，節(jié)約成本約0.11元/m3.綜合考慮PAC/UF工藝膜污染、除污染效能和運行成本，對于PAC/UF工藝，間歇曝氣更合適.

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