超濾膜與常規飲用水凈化工藝適配性研究進展

胡曉勇,王盼盼

(1.黑龍江省城市規劃勘測設計研究院市政二所,黑龍江 哈爾濱　150040;

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超濾膜與常規飲用水凈化工藝適配性研究進展

胡曉勇1,王盼盼2

(1.黑龍江省城市規劃勘測設計研究院市政二所,黑龍江 哈爾濱150040;

2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院,黑龍江 哈爾濱150090)

超濾膜在飲用水廠升級改造過程中的應用日益增多,超濾膜與常規飲用水凈化工藝的適配方式成為設計人員面臨的首要問題。總結國內飲用水廠升級改造過程中的超濾膜組合工藝,分析預氧化、混凝、沉淀、過濾等預處理單元對超濾膜的影響,并基于超濾膜組合工藝的膜污染減緩機制對不同組合工藝進行了適配性評價,旨在為水廠設計提供借鑒。

飲用水;超濾膜;適配性;水廠設計

2012年,GB5749—2006《生活飲用水衛生標準》頒布實施,水質指標增至106項,充分考慮水質的感官、化學與生物安全性。相對于新標準的嚴格性,我國大部分飲用水廠存在工藝陳舊、設施老化、水質不達標的情況,普遍面臨工藝升級改造的問題。低壓超濾膜技術因其分離效率高、自動化程度高、占地面積小、單位能耗低等優點而成為傳統飲用水凈化工藝的有益補充。在飲用水廠升級改造過程中,超濾膜與預氧化、混凝、沉淀、過濾等常規凈水單元的適配方式成為水廠設計人員面臨的首要問題。

1　飲用水廠超濾膜設計中存在的問題

飲用水廠常規工藝采用混凝、沉淀、過濾、深度凈化、消毒等處理單元,保障出廠水質的感官特性、化學與生物安全性滿足GB5749—2006《生活飲用水衛生標準》。由于工藝陳舊、設施老化、操作不當等因素,現行飲用水廠仍存在以下問題:①產水能力不能滿足供水區域日益增長的用水需求;②產水水質受季節性影響較大,冬季低溫低濁水、夏季高藻水均難以處理;③突發性洪水、污染事件頻發,水廠運行受原水濁度、污染物的制約,負荷大,供水安全保障性不高;④臭氧-活性炭深度處理單元難以保障出廠水生物安全性,且存在消毒副產物問題。超濾膜孔徑一般為0.001～0.02 μm,可有效截留水中菌體、膠體、顆粒物、有機大分子等大尺寸物質,提高產水能力并保障出水水質,成為“第三代城市飲用水凈化工藝”的核心組成部分。但超濾膜過濾存在膜污染問題,且對小分子有機物、無機離子的去除率不高,需將其與常規凈水工藝進行有效組合,以提高膜處理效果。

近年來,超濾膜在飲用水廠升級改造過程中的應用日益受到青睞。山東省東營市南郊凈水廠水質改善工程是國內首座日供水10萬t級的浸沒式超濾膜凈水廠,為行業內超濾膜水廠設計提供了借鑒。然而,飲用水廠超濾膜設計、施工、調試及運行缺乏統一規范與標準,經驗不足,存在諸多問題:①飲用水廠原有凈水工藝不完善,部分老水廠設計以GB5749—1985《生活飲用水衛生標準》為基礎,構筑物構型與超濾膜池的匹配性較差;②老水廠的場地預留不足,給新增超濾膜處理設施的布置帶來困難;③老水廠構筑物管道、管閥系統陳舊,影響新增超濾膜系統的自動化程度;④老水廠構筑物構型與尺寸限制了進出水方式,給超濾膜系統的優化帶來不便。

超濾膜在飲用水廠升級改造過程中的應用方式較多,與混凝、沉淀、過濾、臭氧-活性炭等處理單元均可組合,實現出水保質提量的目標。但是超濾膜與常規處理單元的組合設計需綜合考慮原水水質、處理工藝、構筑物構型、廠區面積、出水要求等因素,來建立不同水廠升級改造工程的超濾膜與膜工藝選取原則。

2　超濾膜與飲用水凈化工藝的適配模式

2.1超濾膜與深度處理單元的適配模式

楊少偉等[2]采用預氧化、強化常規工藝、臭氧-活性炭、超濾膜的組合工藝處理東北寒冷地區微污染水源水,以達到提高供水水質的目的。該水質提升工程在改造混合池、絮凝池、沉淀池、砂濾池的基礎上,構建臭氧活性炭濾池,后置壓力式超濾膜單元。綜合考察了6家商用超濾膜的低溫水處理性能,工藝運行結果表明,超濾膜出水濁度一般小于0.05 NTU,色度低于5度,賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲均未檢出,粒徑大于3 μm 的顆粒數小于10 個/mL,CODMn質量濃度小于2 mg/L。該超濾膜深度處理工藝可為高寒地區微污染地表水水廠的水質提升改造提供借鑒。洪猛[3]采用高錳酸鹽預氧化-混凝沉淀過濾-粉末活性炭-超濾膜組合工藝對滄州東水廠進行升級改造。對比高錳酸鉀預氧化-氣浮-濾池組合工藝的除藻效果,結果表明,超濾膜組合工藝對原水中藻類的去除效果明顯優于氣浮工藝,去除率接近100%。CODMn預氧化-混凝沉淀過濾-粉末活性炭-超濾膜組合工藝解決了超濾膜對小分子有機物去除作用相對較弱的問題,有效去除嗅味、有機物。

2.2超濾膜與常規處理單元的適配模式

由于納米級孔徑的截留作用,超濾膜可有效去除水中顆粒性物質及其黏附的藻類、細菌、病毒等微生物,降低后續深度處理的污染負荷,保障供水生物安全性。超濾膜對水中溶解性有機物去除率低且運行過程中產生膜污染,導致系統能耗增大、清洗頻繁。目前,飲用水廠升級改造過程中常將超濾與化學氧化、混凝、沉淀、過濾、活性炭吸附等預處理工藝組合使用,其適配模式至關重要。

2.2.1超濾膜與混凝-沉淀-過濾工藝組合

為滿足高品質飲用水的需求,超濾膜被期望代替傳統砂濾以截留顆粒性物質、微生物、部分膠體物質,保障飲用水深度處理安全。現階段,飲用水廠升級改造過程中常將超濾膜置于傳統砂濾后,起到深度處理作用。楊曉峰等[4]以寒冷地區傳統砂濾出水(低水溫)為進水,考察6種商用超濾膜在保障出水濁度、顆粒數、膜通量、膜污染等方面的性能。中試結果表明,混凝-沉淀-砂濾-超濾工藝出水中濁度始終維持在0.1 NTU左右,達到超濾膜在常溫水處理時所能達到的一般水平;出水顆粒物數受商用超濾膜的性能影響很大,其中大于3 μm的顆粒物數的中位數為6 ～ 900個/mL;低溫產水通量穩定性因不同商用超濾膜而異;膜污染與不同商用超濾膜特性關聯較大,不同超濾膜產品之間可以相差1個數量級或以上。

2.2.2超濾膜與混凝-沉淀工藝組合

超濾膜存在易產生膜污染、溶解性污染物難去除等問題。常規混凝-沉淀工藝能有效截留顆粒性物質,但對膠體狀溶解性污染物去除效果差,易致超濾膜不可逆污染。于海寬等[5]利用粉末活性炭/混凝-沉淀-超濾工藝處理微污染水庫水,在4級不同機械攪拌強度的絮凝池前,分別投加粉末活性炭來影響工藝去除濁度、有機物及膜污染。研究結果表明,投加粉末活性炭不能明顯改善沉后水濁度,但可明顯改善膜出水濁度,始終保持在0.1 NTU以下;有機物去除率提高,以第二級機械攪拌絮凝池處投加粉末活性炭為佳。粉末活性炭/混凝-沉淀-超濾工藝能明顯降低超濾膜跨膜壓差,減輕系統膜污染,主要歸因于粉末活性炭與絮凝池絮體的協同去除污染機理。

2.2.3超濾膜與混凝工藝組合

混凝可有效降低有機物在超濾膜表面形成的膜污染。混凝-超濾膜組合工藝適用于原水濁度不太高、超濾膜能承受混凝后形成較多礬花的環境,一般采用外壓式超濾膜方式。混凝預處理具有選擇性,主要使疏水性、帶負電的大分子有機物及膠體顆粒脫穩并形成絮體,而對親水性有機物的去除能力有限。范青如等[9]采用混凝-超濾膜組合工藝對江蘇蘆涇水廠進行水質提升改造,從水源水質、超濾膜工藝運行過程以及污染膜的清洗等多角度進行分析,了解膜污染的組分構成,評價不同清洗劑的清洗效果,獲取較優的清洗順序。該工程采用立升公司浸沒式PVC合金超濾膜,膜設計通量為32 L/(m2·h),過濾周期為1～3 h,利用膜池與清水池之間的4 m水頭,實現超濾膜池虹吸出水。該混凝-超濾膜組合工藝出水濁度、DOC質量濃度、UV254分別為0.08～0.12 NTU、1.353～1.633 mg/L、0.032～0.038 cm-1,出水水質滿足GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》。膜污染是由無機離子和天然有機物共同作用導致,其中Ca 和Si 是膜污染的主要無機元素,而芳香性蛋白質Ⅱ類、SMP和富里酸類有機物均是造成膜污染的重要有機物,采用先酸洗后堿洗的清洗方式可有效清除膜污染。董秉直等[10]采用混凝-超濾膜組合工藝對黃浦江原水進行處理,比較了聚氯化鋁、三氯化鐵、聚硅硫酸鋁3種混凝劑作為預處理去除有機物、改善膜污染的效果。研究表明,不同混凝劑對超濾膜通量改善的效果不同,以聚氯化鋁為最佳。相對分子質量較大的親水性有機物所占比例較小, 但對超濾膜通量的下降有較大的影響。超濾膜直接過濾原水時,通量下降嚴重,其原因在于所截留的有機物主要為大分子的親水性有機物。曲明等[11]采用混凝-超濾膜組合工藝對撫順大伙房水庫原水進行處理,考察組合工藝的除污染性能和膜污染情況,并進行工藝參數優化。研究結果表明,當聚合氯化鋁投加量為7 mg/L、膜清洗周期為30 min 時,混凝-超濾膜組合工藝對濁度、CODMn和UV254的去除率分別為95.61%、40.42%和37.12%,出水水質能夠滿足GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》。混凝預處理可有效去除疏水性組分,但對親水性物質的去除效果不佳,膜污染程度依然未能大幅度緩解。因此,應針對緩解膜污染開展強化混凝研究。

2.2.4超濾膜一體化工藝

Tian等[13]構建了氣浮-浸沒式超濾膜一體化工藝處理河流原水,考察曝氣模式、曝氣量、氣泡尺寸、原水水質等對膜污染的影響。研究結果表明,持續曝氣更有利于減輕膜污染,膜污染程度與曝氣速率、氣泡大小有關,以曝氣量5 m3/(m2·h)、氣泡大小8 mm為最佳。對原水進行預處理,降低膜池水中污染物負荷,可進一步減輕膜污染。Zhang等[14]進一步利用氣浮-浸沒式超濾膜一體化工藝處理含藻水,發現不同膜通量、曝氣速率、pH值對膜污染的影響不同。當膜通量低于10 L/(m2·h)時,膜污染較小,跨膜壓差隨含藻水濃度的增大呈現從線性增長到指數增長的轉變。最佳曝氣強度為2.5 m3/(m2·h),高速氣泡的剪切力在減輕膜污染的同時,也會使藻細胞破裂釋放出胞內有機物,從而加重膜污染。含藻水的pH值可以改變污染物與膜表面之間的物理、化學作用,pH值為5時,膜污染最為嚴重,這歸因于藻細胞間的靜電斥力弱。隨著pH值升高,藻細胞間靜電斥力作用增強,膜污染減輕;pH值降低呈酸性,藻細胞易破裂釋放胞內有機物,從而導致膜污染加重。

2.3超濾膜與飲用水凈化工藝的適配選擇

3　超濾膜與飲用水凈化工藝組合的膜污染減緩機制

目前,超濾膜在飲用水領域的研究主要集中在超濾膜與常規混凝、沉淀、過濾、深度處理等組合工藝,超濾膜組合工藝的選擇基于對污染物去除效果的強化程度以及運行過程中膜污染的減緩力度。研究預處理工藝減緩超濾膜污染的機制對于超濾膜與飲用水凈化工藝組合方式具有極大的指導意義。

3.1混凝控制超濾膜污染

混凝過程借助混凝劑陽離子壓縮雙電層、吸附電中和以及網捕卷掃作用,使水中潛在膜污染物質聚集形成絮體,有利于超濾膜過濾及膜污染減緩。Kerry等[15]研究了不同水體中特定尺寸污染物組分經氯化亞鐵、硫酸亞鐵、硫酸鋁混凝后對超濾膜的污染機理。結果表明,混凝可以改變潛在膜污染物質的尺寸,湖庫水體中截留分子量(MWCO)大于100 kDa(1kDa=1000摩爾質量單位)的天然有機物(NOM)成分對超濾膜污染貢獻最大;混凝可以明顯減少水體中尺寸介于1μm～100 kDa的NOM組分,從而減緩膜污染。Yu等[16]利用FeSO4與KMnO4原位生成In-situ Fe(III)混凝劑,對比研究了混凝過程中Fe(III)與天然有機物(NOM)形成納米級絮凝顆粒機理與超濾膜污染減緩機制。研究結果表明,原位生成的In-situ Fe(III)比投加的Fe(III)更能與NOM形成厚度薄、顆粒小、孔隙結構疏松的濾餅層結構,膜污染得以減緩;混凝膜池及膜出水中NOM含量明顯降低,歸因于原位生成In-situ Fe(III)混凝劑過程中KMnO4的氧化作用。Wang等[17]研究了低濃度混凝劑(0.5～1 mg/L Al)投加下水解的無定型Al(0H)3與腐殖酸(HS)組分生成Al(0H)3(am)-HS膠體顆粒的機理,并對比了Al(0H)3(am)-HS膠體顆粒、有機膠體(OC)組分對混凝-超濾工藝的膜污染貢獻。研究結果表明,腐殖酸(HS)與有機膠體(OC)共存在水體中有利于生成Al(0H)3(am)-HS膠體顆粒,使腐殖酸(HS)去除率提高7%～15%,但有機膠體(OC)去除率降低3%～20%,膜污染加重;有機膠體(OC)對膜污染的貢獻率更大,腐殖酸(HS)、Al(0H)3(am)-HS膠體顆粒均對膜污染貢獻較小。有機膠體(OC)尺寸(約50 nm)遠大于天然有機物(NOM)其他組分,與超濾膜孔徑相當,易于堵塞膜孔并形成濾餅層,造成膜污染。Ma等[18]研究了低劑量AlCl3、PACl投加混凝去除水中蛋白質類物質(BSA)的效果及膜污染行為,由電中和機理導致的混凝劑水解產物物種比例不同,是膜污染加重的重要誘因。當pH值為5.5時,AlCl3的水解產物以單齒較大的聚合鋁物種(Alml)為主,膜污染嚴重;隨著pH值升高,AlCl3的水解產物以單齒較小的聚合鋁物種(Alms)、固相氫氧化鋁(Alu)為主,膜污染減輕。相較于AlCl3,PACl混凝BSA導致的膜污染更為嚴重,歸因于其水解產物以單齒較大的聚合鋁物種(Alml)為主。當AlCl3、PACl水解產物中單齒較小的聚合鋁物種(Alms)、固相氫氧化鋁(Alu)所占比例分別低于(62.3±5.1)% (pH值為6.0)、(35.4±3.2)% (pH值為6.5)時,容易堵塞膜孔而后形成濾餅層,導致膜污染。Lee等[19]對混凝-膜濾工藝中水通量、出水水質進行研究,結果表明,混凝條件不同可導致卷掃、電中和兩種混凝機理,電中和混凝條件下形成的濾餅層密實度低、孔隙率高,有利于減緩膜污染;膜出水中TOC、UV254、余鋁的去除效果較好。

3.2吸附控制超濾膜污染

膜前預吸附處理能夠彌補超濾膜對溶解性有機物去除效果不佳的不足,同時能夠吸附潛在的膜污染物質,減輕過濾負荷,減緩膜污染。Cai等[20-21]研究了微顆粒預吸附對天然有機物(NOM)的去除及膜污染減緩機制,利用尺寸排斥色譜(SEC)將天然有機物(NOM)分級成不同的分子量組分,分別將熱化氧化鋁(HAOPs)顆粒、離子交換樹脂(IX)、粉末活性炭(PACs)預沉于低壓膜表面,考察不同吸附劑對NOM不同級分的去除情況。結果表明,HAOPs和IX能夠很好地去除不同級分的NOM,而PACs則不能完全去除NOM。相對于IX而言,HAOPs和PACs能夠極大地減輕膜污染。多聚糖類物質是膜污染的主要貢獻者,吸附劑對其去除強弱順序為HAOPs、PACs、IX。活性炭去除水中污染物的效率依賴于活性炭種類、投加量、有機質特性、競爭吸附性等[22],它常被用來作為減緩膜污染的預吸附處理材料。Pramanik等[23]研究發現生物活性炭預處理通過生物降解、吸附作用可以極大去除水中生物大分子、腐殖質類污染物,減少銅綠微囊藻代謝有機質,減輕后續膜污染。Li等[24]對比研究了介孔吸附樹脂、粉末活性炭作為預吸附劑對超濾膜污染的影響。結果表明,介孔吸附樹脂能夠大幅度減緩腐殖酸、蛋白質類膜污染,而粉末活性炭存在于超濾進水時,會加重腐殖酸膜污染,反之減輕。膜污染的減輕程度與吸附劑的種類、吸附性能有關。

3.3預氧化控制超濾膜污染

常規飲用水凈化工藝將預氧化技術用于降解污染物、助凝、混凝、提高污染物可生化性,常用的預氧化劑有臭氧、高錳酸鉀(KMnO4)、氯等。這些預氧化劑具有抑制生物生長、破壞有機物親水性等作用,可將其用于控制超濾膜污染的預處理技術中。Michelle等[25]研究了預臭氧化減輕二沉池出水的膜污染減緩機制。二沉池出水中含有大量生物源膠體,以生物脂質體(liposome)為代表。生物囊泡(vesicle)組成的脂質體是具有磷酸酯質雙層結構的柔性生物膠體,對超濾膜的污染速率要遠大于多聚糖、脂肪酸、天然腐殖質等,污染貢獻率高達20%～60%。臭氧預氧化能夠通過裂解脂肪酸碳碳雙鍵來破壞脂質體結構,釋放囊內脂肪酸,減輕膜污染。Yu等[26]研究了預氯化對混凝-超濾膜工藝過程中膜污染的減緩作用,對比了單獨Al2(SO4)3、NaClO與Al2(SO4)3混凝處理模擬廢水過程中跨膜壓差的增長與膜表面濾餅層的生成情況。研究表明,添加NaClO后混凝水解的初生絮體尺寸變化較小,但膜表面的濾餅層變薄且結構疏松,跨膜壓差增長緩慢。NaClO可將膜池進水中細菌滅活,抑制其進一步繁殖,并減少濾餅層中多聚糖、蛋白質類膜污染物質的產生量。低投量的NaClO(1 mg/L)不會引起消毒副產物問題,超濾膜出水的綜合水質較好。此外,Laera等[27]嘗試在膜生物反應器回流液中加入O3或UV/H2O2化學預氧化工藝,結果能夠有效去除膜池制藥廢水中的難生物降級藥物及微生物代謝產物。該預氧化-MBR體系有望實現污染物降解、膜污染緩解的一體化。Qu等[28]利用KMnO4預氧化處理水中銅綠微囊藻,發現原位生成的MnO2可加劇藻細胞的凝聚、沉積,且能有效吸附藻細胞代謝物,有利于減輕膜污染。另外,MnO2在膜表面的沉積減少了藻細胞與膜表面的接觸幾率,并截留藻細胞代謝物,進一步減輕膜污染。

4　結　語

超濾膜與常規飲用水凈化工藝組合可強化常規工藝處理能力,同時彌補超濾膜污染方面的不足。常規工藝升級改造過程中,應用超濾膜處理技術改造老水廠,可以有效去除濁度、微生物、細菌、藻類、臭味和有機物,同時也很好地解決了老水廠改造面積小和改造過程中需保障正常供水的難題。實際工程中選取何種超濾膜適配方式由原水水質、出水水質水廠條件和經濟可行性最終確定,設計人員應盡量考慮常規工藝、超濾膜工藝各自特點。為達到各單元工藝互補促進的效果,需基于出水水質、超濾膜污染減緩的考量,設計優化超濾膜技術與各種常規處理、深度處理工藝之間的優化組合。

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Advances in research on suitability of combination of ultrafiltration membrane and conventional drinking water treatment process

HU Xiaoyong1, WANG Panpan2

(1.SecondMunicipalInstitute,HeilongjiangInstituteofUrbanPlanning,Survey,andDesign,Harbin150040,China;2.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China)

Use of ultrafiltration membranes in the upgrading process for drinking water plants has become increasingly popular. A primary issue is the suitable combination of ultrafiltration membranes and the conventional drinking water treatment process. This paper provides a summary of combined techniques using ultrafiltration membranes in the upgrading processes for drinking water plants in China. The effects of pretreatments involving pre-oxidation, coagulation, sedimentation, and filtration on the ultrafiltration membrane are analyzed. Based on the mechanisms of ultrafiltration membrane fouling control, the suitability of different combined processes is evaluated, providing

for water plant design.

drinking water; ultrafiltration membrane; suitability; water plant design

10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.014

胡曉勇(1983—),女,工程師,碩士,主要從事市政給水排水設計研究。E-mail:hxy_water@126.com

TU991.2

A

1004-6933(2016)05-0067-07

2016-01-30編輯：彭桃英)