2019年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会 (第十届)日程暨邀请函
 
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详细介绍
高藻期超滤膜制水中试研究

许航钆6,陈卫孔6,杨金虎6
(河海大学a.浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重
,潘少林
点实验室;
6,赵磊6
环境学院,南京210098)


摘要:针对太湖水高藻期水质特征,以超滤膜为终端处理技术,前端有混凝沉淀技术、预氧化技
术或吸附技术,形成组合工艺进行中试研究。研究结果表明:混凝一沉淀~超滤膜、高锰酸钾一混凝一沉
淀一超滤膜和高锰酸钾一混凝一沉淀一粉末活性碳~超滤膜3组组合工艺出水水质良好,出水浑浊度均
低于0.1 NTu,藻类数量控制在2.5×104个/L左右,其它检测指标达到生活饮用水卫生标准(GB
5749 2006)。高藻水中有机物以疏水性有机物为主,疏水性有机物是造成膜污染的主要因素,有
效的超滤膜前段处理技术降低进入膜组件的疏水性有机物,缓解高藻期超滤膜污染。

关键词:超滤膜;组合工艺;高藻期;膜污染

中图分类号:TU99.24 文献标志码:A 文章编号:1674—4764(2012)04—0099—06

Pilot Investigation of Water Production by Ultrafiltration Process
during High Algal Period
XU Hang。~,CHEN Wei。~,YANG Jinhu6,PAN Shaolin6,ZHAO Lei6
(a.Key Laboratory of Integrated Regulation and Resource Development on Shallow Lakes,Ministry of Education;
b.Environmental Science College,Hohai University,Nanjing 210098,P.R.China)
Abstract:On account of the characteristics of water in Taihu during high algal period,the pilot investigation
was conducted with the combination of uhrafihration membrane with coagulation,pre—oxidation technology
or adsorption technology.The results show that the quality of influent water from the three combination
processes: coagulation precipitation—ultrafiltration membrane,potassium permanganate—coagulation
precipitation—ultrafiltration membrane,potassium permanganate—coagulation precipitation—power activated
carbon—uhrafiltration membrane are preferred。with turbidity 10wer than 0.1 NTU,algae control in the
number of 2.5×104/I。,and other measured targets meet the drinking water standards(GB 5749--2006).
The organic matter of high algal water mainly includes hydrophobic organic compounds which are maj or
factors leading to membrane fouling.The effective pre—treatment before uhrafihration membrane can
prevent hydrophobic organic compounding into the membrane pore,which will effectively ease the
membrane fouling during the high algal period.
Key words:uhrafihration membrane;combination process;high algal water;membrane fouling

水体富营养化会导致一定时期内藻类疯长,高
藻水给饮用水处理带来了一系列的难题。高藻水影
响混凝一沉淀工艺的处理效能,堵塞和穿透滤池‘1。31;
水中含有大量毒性很强的藻毒素,常规工艺对其处
理能力有限;藻类新陈代谢和腐烂产生的恶臭物质
易导致出厂水感官指标下降。目前,针对高藻水的研
究还是以藻数量去除,保障常规工艺正常运行为主,相
应的研究也集中在增加化学预氧化、投加粉末活性炭
收稿日期:2011-11一07

基金项目:国家博士后基金(20100481083),水体污染控制与治理重大科技专项(2011ZX07410—001)

作者简介:许航(1981一),男,博士后,主要从事水处理技术研究,(E-mail)xuhan9810826@sina.corn。

陈卫(通信作者),女,教授,博士生导师,(E—mail)cw5826@hhu.edu.cn。



100 土木建筑与环境工程第34卷
和改善混凝条件等强化藻数量去除的措施[4。8]。
随着膜技术的快速发展、膜性能的提高和价格
的降低,以超滤膜为核心技术的组合工艺将成为第
3代城市饮用水净化工艺的主要特征[9]。该技术能
有效去除颗粒状物质,包括藻类、隐饱子虫、贾第鞭
毛虫、细菌和病毒等微生物,确保饮用水生物安全
性。在去除藻类方面,由于膜孔径小于0.1 gm,而
藻类的大小在1肛m到几百肛m不等,因此超滤膜在
理论上可以将藻类完全截留。但在应用超滤膜去除
藻类的过程中也存在另一个重要问题:藻类属于胶
体类物质,易附着在膜表面造成严重的膜堵塞,即膜
污染,这直接或间接的影响了超滤技术的应用,特别
是在藻类爆发季节,会出现膜通量明显下降或者跨
膜压差迅速升高的现象[1“”]。寻找一种有效的前端
处理技术,改善藻类污染对超滤膜的影响,将会大大
的扩展超滤膜在饮用水处理领域中的应用。
中试针对太湖水的水质特点,研究以超滤膜为
核心的终端处理技术,前端有混凝一沉淀技术、预氧
化技术或吸附技术形成的组合工艺,考察组合工艺
对有机物、藻毒素等污染物的去除效能,结合超滤膜
的运行特性,以跨膜压差的变化为主要考察参数,充
分利用有机物分级测定有机物表征方法,分析超滤
膜污染的主要因素。
1材料与方法
1.1试验流程及方法
试验在无锡市某水厂进行,自建饮用水常规处
理中试装置和内压式超滤膜装置。太湖水进入原水
箱后,由水泵提升至絮凝反应池,通过计量泵投加混
凝剂,沉淀后经过中问水箱调节,此后经保安叠片过
滤器后进入超滤膜组件,超滤膜的反洗水从产水箱
抽水反洗,反洗浓水排入下水道。各处理单元出水
管道设置三通,超滤膜装置可直接取原水、混凝出水
或混凝一沉淀出水进行处理,工艺流程见图1。
进入4月份后,随着气温的升高,太湖水原水中
藻类数量也逐渐增多。根据原水中藻类数量的变化
及水质变化情况,调整工艺流程进行中试研究。4
月一5月,原水中藻类数目低于5×107个/mL时,采
用混凝一沉淀作为超滤膜的预处理工艺,烧杯试验确
定混凝剂(聚合氯化铝)最佳投量为25 mg/L,形成
“混凝一沉淀一超滤膜”组合工艺运行中试装置;5月一
6月,原水中藻类数量上升为6.9~9.5×107个/L,
原水箱中投加高锰酸钾(KM。O。)强化混凝一沉淀效
果,KM。O。投量1.0 mg/L,形成“KM。O。一混凝一沉
淀一超滤膜”组合工艺运行中试装置;6月一8月,针
对高藻水中藻毒素的去除,在中间水箱增投粉末活
性炭(PAC),根据烧杯试验确定PAC投量为
20 mg/L,形成“KM。O。一混凝一沉淀一PAC一超滤膜”
组合工艺运行中试装置。
1.2超滤膜装置
试验超滤膜为海南立升膜公司提供的PVC合
金中空纤维膜,切割有机物相对分子量为10万道尔
顿,膜有效面积为40 m2。试验期间膜运行通量为
75 L/(m2·h叫),流量3 m3/h。超滤膜的过滤和冲
洗由可编程控制器(PLC)自动控制,超滤膜装置采
用死端式恒流方式运行,水力清洗用水均采用膜过
滤水。
1.3原水水质
表1为试验期间原水水质情况。原水浑浊度变
化较大,最大值和最小值相差10多倍,有机物浓度
较高,以疏水性有机物为主,UV:。。值变化范围为
0.054~o。123 cm ,CODM。浓度变化范围为4。51~
8.66 mg/L。原水藻数量波动较大,随季节性变化
非常明显。
1.4检测方法
UV。。。、DOC、浑浊度和颗粒数分别采用岛津
UV一2550型紫外可见光分光计、岛津TOC—
VCPH、Hach一2100N浑浊度仪和IBR颗粒计数
仪,UV批和DOC检测前均过0.45”m滤膜。藻
类:采集1 L水样,添加鲁格试液固定,沉淀24 h,将
沉淀物混匀定容至30 mL,制片计数。有机物分级
采用固相萃取法(见图2)[133:即调节水样pH值后,
图1 中试工艺流程图

---—}7k

万方数据
第4期许航,等:高藻期超滤膜制水中试研究101
il l
、/ \r—丫
Io,x-,l fx^D—
甲甲
VHA SHA CHA
图2有机物分级流程图
NEU
依次用过DAX一8、XAD一4、IRA一958等3种树
脂,可将水样有机物分成强疏水性(VHA)、弱疏水
性(SHA)、亲水极性(CHA)和亲水中性(NEU)4
部分。其它项目测定按《水和废水监测分析方法》
(第四版)进行。
2结果与分析
2.1 组合工艺对污染物的去除效果
试验期间委托无锡市自来水公司水质检测中心
做了6个水样的全分析,其分别为“混凝一沉淀一超滤
膜组合工艺”、“KM。0。一?昆凝一沉淀一超滤膜组合工
艺”和“KM。04一混凝一沉淀一PAC一超滤膜组合工艺”
中原水和超滤膜出水,原水编号分别为Y,、Y2、和Y。,
超滤膜产水分别为C。、Cz和G。检测结果见表2。
表1试验期间原水水质
测量值浑浊度/NTU 氨氮/(rag·L 1) UV2s4/cm CODM。/(rag·L1)DOC/(mg·L-1) 藻数量/(个·I。_1>
国家标准
Y1
C1
Y,
C2
Yt
≤1000
265.83
164.12
258.73
170.21
280.84
≤60
5.49
5.56
6.03
5.93
5.96
≤100 ≤t00
6.33 12.71
0.54 12.52
6.45 13.11
3.21 12.32
7.01 14.27
5000
2.37
6700
2.43
11200
≤1.0
0.161
0.071
0.182
0.087
5.213
≤5 ≤450
—— 101

93
C3 93.47 1.24 0.93 3.21 2.59 0.412 — 95
钙/ 铁/ 铝/ 砷/ 细菌总数/ 总大肠菌群/ 粪大肠菌群/
(mg·L一1)(mg·I,一1)(rag·L 1)(mg·L一1)(CFU·mL 1) (个·mL一1) (个。mL一1)
国家标准
Y1
C1
Yz
C2
Y3
≤100
28.7
26.4
32.1
25.4
30.1
≤0,3
0.118
<0.002
0.107
<0.002
0.121
≤0.2 ≤0.05
0.22 <0.002
0.067 <0.002
0.24 0.070 0.22 <0.002
≤100
9 300
7
12 300
5
11 900
O
3 500
0
3 400
0
3 560
0
220
0
240
0
242
G 26.1

土木建筑与环境工程第34卷
水质分析结果表明,以超滤膜为核心的组合工
艺处理太湖水时,出水水质良好,完全符合生活饮用
水卫生标准(GB 5749 2006)。3组组合工艺出水
中,出水浑浊度低于0.1 NTU,远优于常规工艺。
超滤膜出水中藻类数量同前端处理技术无关,出水
中藻类数量控制在约2.5×104个/I,。总大肠菌群
和粪大肠菌群被完全去除,超滤膜出水中细菌数量
也很少,按理论该部分细菌会被完全截留,分析可能
是超滤膜产水侧或管道孳生部分细菌,实际生产时
可在反洗水中投加适量NaCl0杀灭细菌。组合工
艺也可以对有机物很好的去除,特别是高锰酸钾一混
凝一沉淀~PAC一超滤组合工艺出水中藻毒素和消毒
副产物等微量物质均大幅下降,六六六均未被检出。
铝和铁的去除效果很好,即便是在投加铝盐混凝剂
时,铝的去除率也很高。
2.2超滤膜运行的跨膜压差分析
在通量恒定的情况下,膜的跨膜压差(TMP)为
驱动水透过膜所需的压力,为进水压力和过滤压力
的差值,表示膜过滤时原料侧与渗透侧的压力差值,
从其变化可以了解超滤膜的污染情况及运行效率。
超滤膜运行的跨膜压差变化见图3。
0 140
0.120
0.100
0.080
0.060
0.040
0.020
0.000
l ll 21 31 41 5l 61 7l 8l 91 101
f/(i
图3超滤膜的跨膜压差变化情况
混凝一沉淀一超滤膜组合工艺启动前23 d跨膜压
差增长稳定,但中试进行24 d后跨膜压差增长迅
速,为控制跨膜压差增长,中试期间将过滤时间由
45 rain缩短到30 min,但跨膜压差上升的趋势未见
好转,持续上升1个星期后,第33、34 d跨膜压差猛
增至0。118 MPa,停止中试试验进行化学清洗超滤
膜。分析认为,混凝一超滤组合工艺运行后期,原水
中藻类数量上升至0.5×108个/L以上,由于藻类带
负电荷,投加混凝剂后可以降低藻的电荷量,使得藻
类易于吸附在絮体表面,但当藻类增多,藻类的电荷
量不再有明显变化。絮体对藻类的吸附效能不再有
明显改善,并且形成的絮体相对较小,特别是最后
2 d'N类数量上升至1.0×108个/L以上,中间水箱
中可明显观察到藻类的絮体,大量藻类黏附在膜表
面或者进入膜孔中,形成了难以恢复的膜污染,表现
为跨膜压差的迅速上升。
KM。O。一混凝沉淀一超滤膜组合工艺中跨膜压
差上升平缓,KM。O。投加可有效地控制膜污染,改
善超滤膜的过滤性能,KM。O。投加强化了混凝一沉
淀工艺对藻类的去除,混凝后形成的矾花要比单纯
使用聚合氯化铝的大而且密实,沉降性能好,大量藻
类和有机物被去除,从而减缓了超滤膜的膜污染。
在中间水箱中投加PAC,形成KM。O。一混凝一
沉淀一PAC一超滤膜组合工艺。其主要目的是控制
超滤膜终端出水中藻毒素浓度。一些研究表
明[14-1 S],投加PAC能有效地降低膜过滤阻力。但有
研究认为,PAC会黏附在膜表面,造成膜过滤总阻
力增加。但从图3分析认为,投加PAC后,超滤膜
的跨膜压差增长要比前2种组合工艺中平缓,但整
体跨膜压差要高于前2种工艺。这说明投加PAC
后控制了超滤膜的不可逆污染,超滤膜每个过滤周
期经过水力反洗后跨膜压差可有效恢复。Scha:fer
等[1 6]采用扫描电子显微镜对沉积在微滤膜表面的
滤饼层进行观察后发现,滤饼层中的悬浮物质粘在
有机物中间。有机物会黏附在悬浮固体的表面,当
悬浮颗粒被膜截留,沉积在膜表面形成滤饼层时,有
机物起着一种“黏合剂”的作用,将固体颗粒黏合成紧
密的滤饼层,增加了滤饼层的阻力。投加PAC后,固
体颗粒增加,但有机物含量和藻类数量并未增加,同
时,PAC还能有效地吸附有机物和阻止藻类黏附在超
滤膜的表面,使得滤饼层中的有机物黏合作用减弱,
实际上增大了孔隙率,使滤饼层阻力下降。
2.3不同工艺段有机物极性对超滤膜运行的影响
分析
试验期间,在3种组合工艺中分别取水样,分析
各工序出水及膜反洗水中有机物特性。
2.3.1 混凝一沉淀一超滤膜中有机物极性对超滤膜
的污染图4为混凝一沉淀一超滤工艺各工序及膜反
洗水中的有机物特性分布情况。原水DOC为
5.76 mg/L,其中,VHA、SHA、CHA和NEU分别
为2。22、0.93、1.14和1.47 mg/L,原水中有机物以
疏水性有机物为主。混凝一沉淀出水DOC降为
4.32 mg/L,混凝一沉淀部分去除的主要是疏水性有
机物,疏水性有机物被去除1.17 mg/L,占去除有机
物的81.3%。超滤膜出水后水中有机物进一步下
降到3.75 mg/I.,VHA、SHA、CHA和NEU分别
为1.03、0.57、1.04和1.11 mg/L,超滤膜截留的
VHA、SHA、CHA和NEU分另4为0.28、0.10、0.01
和0.10 mg/L,4种有机物分别占截留有机物的
49.12%、17.54%、1.76%和21.58%。由此可见,
引起超滤膜的跨膜压差上升主要是VHA和NEU


第4期许航,等:高藻期超滤膜制水中试研究103
有机物,CHA有机物基本不被截留,即不会对跨膜
压差的上升有贡献。
;b.L.L h
原水沉淀出水超滤膜出水膜反洗水
注■总DOC霸VHA O SHA D(:HA 廿NEU
图4 混凝一沉淀一超滤工艺中有机物极性分布
超滤膜过滤是机械压力的作用,迫使溶液中部
分有机物和溶剂都趋向透过膜。其中溶剂基本上是
畅通无阻,可以全部穿过。但是对有机物来说,由于
膜的障壁作用,部分有机物无法通过而被截留在膜
的高压侧表面上。截留的有机物随过滤的进行在膜
腔内累积,造成膜运行时的跨膜压差上升,部分有机
物可通过周期反洗排出膜内腔,使得一部分跨膜压
差恢复,另一部分有机物不能被水力反洗清除,会与
水中金属离子物形成络合物沉积在膜表面,形成不
可逆污染,须通过酸洗和碱洗清除。
混凝一沉淀一超滤工艺中反洗水的DOC浓度为
12.87 mg/L,其中VHA、SHA、CHA和NEU分别
占48.28%、17.24%、5.17%和29.31%,与超滤膜
截留有机物的去除率比较发现,超滤膜截留或吸附
的亲水性有机物可通过超滤膜的水力反洗排出膜组
件,造成超滤膜的不可逆污染的主要是VHA和少
量的SHA物质。
2.3.2 KM。O。一混凝一沉淀一超滤膜中有机物极性
对超滤膜的污染图5为原水中投加KM。O。预氧
化时各工序及反洗水有机物特性的分布情况。由图
5可知,原水DOC浓度为5。89 rag/L,VHA、SHA、
CHA和NEU分别为2.40、1.02、1.20和
1.27 mg/L,KM。O。预处理后水中有机物浓度下降
到5.11 mg/I。,4种有机物分别被去除0.43、0.13、
0.07和0.15 mg/I。,疏水性和中性有机物浓度的降
低,一定程度上可减缓超滤膜的膜污染。沉淀出水
中DOC的浓度降为3.81 mg/L,KM。O。一混凝一沉
淀工艺对DOC的去除率为35.31%,比单纯的混凝一
沉淀工艺上升了10.31%,主要是提高了疏水性有
机物的去除效果。超滤膜出水中DOC浓度进一步降
为3.33 mg/L,超滤膜截留的VHA、SHA、CHA和
NEU分别为0.25、0.09、0.03和0.11 mg/L,分别占
截留有机物的52.08%、18.75%、6.25%和22.92%。
茎薰◆ 原水PPtP,水沉淀出水超滤膜出水膜反洗水
沌:■.曲,DOC蠢VHA口SIfA口CI-IA aNEU
图5 KM。O。一混凝一沉淀一超滤工艺中有机物极性分布
KM。0。一混凝~沉淀一超滤组合工艺中超滤膜反
洗水DOC浓度为10.21 mg/L,VHA、SHA、CHA
和NEU分别占截留有机物的51.95%、18.70%、
6.07%和23.31%。与混凝一沉淀一超滤工艺相比,该
工艺反洗水中有机物的总浓度下降了20.67%,而
且沉淀或吸附在超滤膜表面的疏水性有机物比例也
有所下降,这进一步解释了图3中,KM。O。一混凝一
沉淀一超滤组合工艺整体跨膜压差为何上升的比后
者平稳,同时也验证了疏水性有机物是造成超滤膜
不可逆污染的主要因素。
2.3.3 KM。O。一混凝一沉淀一PAC一超滤膜工艺中有
机物极性对超滤膜的污染图6为KM。()。一混凝~
沉淀一PAC一超滤工艺中各工序及反洗水中有机物
特性变化情况。原水DOC的浓度为5.98 mg/L,
VHA、SHA、CHA和NEU分别为1.53、1.91、0.94
和1.59 rng/L,经KM。O。~混凝沉淀处理后,DOC
浓度降为3.92 mg/L,VHA、SHA、CHA和NEU
分别下降到为0.75、1.27、0.79和1,11 mg/L,亲水
性有机物所占比例上升。沉后水中问水箱投加
20 mg/L的PAC后,DOC浓度下降为2.87 mg/L,
VHA、SHA、CHA和NEU分别降为0.70、1.15、
0.39和0.58 mg/L,不难发现PAC去除的有机物
主要是亲水性有机物,经过PAC吸附后,亲水性有
机物被去除46.32%。组合工艺中超滤膜进一步处
理后DOC浓度下降了0.21 mg/L,超滤膜去除的有
机物中VHA、SHA、CHA和NEU分别占
33,33%、23.81%、19。05%和23.8l%。PAC处理
后,进入膜组件的有机物浓度大幅下降,随着超滤膜
过滤的进行,PAC在膜内腔的浓度逐渐上升,进一步
提高了亲水性有机物的去除。PAC在机械压力的作
用下会在超滤膜内壁上逐渐形成松散的滤饼层,也会
阻止疏水性有机物沉积或吸附在超滤膜的表面,降低
超滤膜不可逆污染速度,虽然PAC在超滤膜的表面
形成的滤饼层也会增加超滤膜的过滤压力,但是经过
水力冲洗后这部分跨膜压差可很好的恢复。
4
2
0
8
6
4
2
O
—T.1.酞暑一\u^vo


104 土木建筑与环境工程第34卷
7
6
S5
品4
号s
星2
l
0
原水PPtll水沉淀出水PAc出水膜出水膜反洗承
注:一总DOC曩VHA口SHA口CHA口NEU
图6 高锰酸钾一混凝-沉淀一PAC_超滤
工艺中有机物极性分布
反洗水的DOC浓度为3。67 mg/L,相对于前2
种工艺,有机物浓度下降明显。在超滤膜过滤过程
中,由于PAC在膜腔内逐渐累积,会吸附一些截留
在超滤膜内腔的有机物,所以部分有机物在反洗水
中未被检测出,使得反洗水有机物的浓度较低。反
洗水中VHA、sHA、CHA和NEU分别为1.67、
1.09、0.23和0.68 mg/L,反洗水中有机物主要以
疏水性有机物为主。
3 结论
针对太湖水的水质特点,将混凝一沉淀技术、预
氧化技术或吸附技术作为超滤膜的前端处理技术,
形成超滤膜为核心技术的处理高藻水的工艺。研究
表明:组合工艺中,超滤膜出水浑浊度始终低于0.1
NTU,藻类数量控制在2.5×104个/L左右,其它检
测指标达到生活饮用水卫生标准(GB 5749
2006)。混凝一沉淀技术、预氧化技术或吸附技术降
低高藻水中疏水性有机物粘附在超滤膜表面或进入
膜孔,有效减缓高藻期膜污染。
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(编辑胡英奎)

第34卷第4期土木建筑与环境工程V01.34 No.4
2012年8月Journal of Civil,Architectural 8L Environmental Engineering Aug.2012
 
 
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