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投稿指南关键词:微滤膜，混凝，微污染水源水，给水处理
由于水源水的普遍污染，给水处理的研究重点已经从对悬浮物质、细菌的去除转移到对水中微量有机物，特别是溶解性有机物(DOM)的去除。以混凝、沉淀、过滤、加氯消毒为主体的常规给水处理工艺是以去除水源水中的悬浮物和胶体物质为主要目的，一般条件下对有机物的去除效果差[1][2]，同时工艺流程长，处理效果易受水量水质变化以及操作条件的影响，采用氯消毒还会产生有害的有机氯化物。因此，针对微污染水源水的特点，发展新的饮用水处理工艺十分必要。
将膜分离技术应用于给水处理，由于能够有效地截留杂质、细菌和病原菌，出水水质优质稳定、安全性高、生物稳定性好，同时可以降低消毒加氯量。此外，膜分离效率高、工艺流程短、易控制，而且使用灵活，可以与其它工艺组合使用。因此，膜分离被认为是当今获得优质安全饮用水的重要技术之一[3]。
在上一篇文章里[4]，作者采用微滤膜，进行了微污染水源水的直接过滤试验。结果表明微滤膜直接过滤可以获得良好的浊度去除效果，但对有机物的去除有限。为强化对微污染水源水中有机物的去除效果，本文提出微滤膜与混凝相组合的净化工艺。首先通过改进的烧杯混凝试验确定了混凝剂的投加范围。在此基础上考察了混凝-微滤膜组合工艺对微污染水源水的去除效果，以及混凝对膜过滤性能的影响，并与微滤膜直接过滤工艺进行了比较。
一、试验装置与方法
1.烧杯混凝试验
给水处理中常用的混凝剂是铁盐和铝盐。有研究表明，铁盐和铝盐对腐殖酸和富里酸的去除效果优于有机絮凝剂[5]。为此，试验中采用聚合氯化铝（PAC）作为混凝剂，外观为黄色粉末，Al2O3的含量为29.6%。
采用烧杯混凝试验对PAC的投加量进行了选取，混凝操作分两步：1）快速混合：搅拌桨转速200 rpm，时间1分钟；2）慢速反应：搅拌桨转速30 rpm ，时间5分钟。分别采用两种方法对混凝效果进行了评价。方法一：将混凝后的水样静止沉淀10分钟，测定沉淀后的上清液水质，用以评价常规混凝-沉淀工艺的处理效果。方法二：将混凝后的水样经孔径为0.40?m的微滤膜过滤，测定滤液水质，用以评价混凝-膜组合工艺的去除效果。
2.混凝-微滤膜组合工艺连续试验
试验所用的混凝-微滤膜组合工艺流程如图1。
微滤膜采用日本三菱公司生产的聚乙烯中空纤维膜，孔径为0.1μm，膜丝内径为0.27 mm，外径为0.42 mm，膜面积为1 m2，直接置入在过滤水槽中。
原水由进水泵吸入混合池，与来自储液箱的混凝剂溶液混合（约1分钟），然后通过溢流进入过滤水槽，在抽吸泵的抽吸作用下经膜过滤后形成过滤出水。抽吸泵采用间歇运行方式，即抽吸30分钟，然后停抽5分钟。膜组件下设有曝气管。曝气系统在膜抽吸期间停止运行，而在膜停抽期间开始启动，以清除在抽吸阶段积累在膜表面的沉积物。整个流程由HP75000工控机自动控制。HP75000工控机根据水槽内的液位，控制进水泵，并同时控制加药泵的开停，以保持过滤水槽内的水位恒定。试验装置处理能力约为0.5 m3/d。
3.试验原水水质及检测指标
试验原水取自清华大学内的河水，试验水水质通过稀释保持在一般微污染水源水的范围（高锰酸盐指数OC为4-8 mg/L，浊度在15NTU以下）。试验期间，原水水质如表1所示。
试验过程中，检测的指标包括：进、出水OC、浊度、UV254和pH值。UV254为紫外光在波长254 nm下的吸光度，采用紫外分光光度计测定，比色皿光程长度为1 cm。OC采用标准方法测定。浊度采用Orbeco Analytical Systems Inc. 的数字浊度仪测定。
二、试验结果与讨论
1.混凝剂投加量的选取
通过烧杯混凝试验，考察了PAC混凝剂投加量对原水浊度和有机物去除效果的影响，选择了适宜的PAC投加量。
1）浊度去除效果
烧杯混凝试验条件下，分别以混凝后的沉淀上清液以及膜滤过液水质来评价浊度去除率，如图2所示。试验原水浊度为1.8-12.2NTU, 水温为16.0℃，pH为6.5。
从图2中可以看出，以沉淀后的上清液水质来评价混凝-沉淀的效果时，当混凝剂投加量在20mg/L以下时，浊度去除率是负值；而当混凝剂投加量大于20mg/L后才对浊度有去除效果；混凝剂投加量增加到30mg/L时，浊度的去除效果达最好，为40%。这表明以形成大颗粒的矾花并通过重力沉淀来进行固液分离的混凝-沉淀工艺对浊度的去除效果受混凝剂投加量影响大，效果不稳定。
另一方面，以膜滤过液水质来评价混凝-膜分离的效果时，混凝剂投加量对浊度的去除效果影响不大，出水浊度均在1NTU 以下，浊度去除率在90%以上。
2）OC和UV254的去除效果
以高锰酸钾指数（OC）和UV254作为表征有机物的指标，考察了混凝剂投加量对有机物去除效果的影响，结果如图3和图4。试验原水OC=5.59mg/L，UV254=0.065cm-1，水温为13.5℃。
从图3中可以看出，混凝－沉淀的情况，OC去除率仅有6-16%。而混凝－膜过滤的情况， OC去除效果基本上在20%以上，当混凝剂投加量在3mg/L时，达30%左右。
混凝剂投加量对UV254去除效果的影响如图4。为排除水中杂质对UV254测定结果的干扰，所有样品（膜滤过液除外）均先采用定性中速滤纸过滤后再测定了其在254nm处的紫外吸光度。从图4中可以看出，在试验的混凝剂投加量范围内，混凝－沉淀工艺对UV254的去除效果均在10%以下。而混凝－膜过滤工艺对UV254的去除效果优于混凝-沉淀工艺。在混凝剂投加量在2和3mg/l时，UV254的去除率均在40%以上。
上述烧杯混凝试验表明，微滤膜与混凝的组合工艺对浊度、OC以及UV254的去除效果均优于混凝－沉淀工艺；PAC投加量对混凝-微滤膜组合工艺的浊度的去除效果影响不大，但对OC和UV254的去除效果有影响。
由以上结果，优选PAC投加量在2-3mg/L(相当于0.31-0.47mg-Al/L)，在此混凝剂投加量下，混凝-微滤膜组合工艺对OC和UV254的去除率分别可以达到25-29%和42-43%。对UV254的去除效果优于对OC的去除效果可能是因为UV254常用来间接地表示水中以腐殖质为主的有机物，特别是分子量大于3000以上的有机物是水中紫外吸收的主体，而小于500的有机物吸收很弱[5]。另一方面，有研究表明混凝对腐殖组分较非腐殖组分更有效[6]，且一般认为混凝能够有效去除的污染物质的分子量范围在3000以上[5]。
2.混凝-微滤膜组合工艺连续试验结果
采用图1所示的混凝-微滤膜组合工艺小试装置，在PAC投加量为2-3mg/L的条件下，连续运行了十几天。该组合工艺对浊度、OC和UV254的去除效果分别如图5，图6和图7。
图5中，膜出水浊度一般在1NTU以下，浊度的去除率在80-95%。图6中，参考下文图8，在膜过滤性能的缓慢降低段（即50-70小时后），混凝-膜组合工艺对OC的去除率均能达到37-52%；图7中，组合工艺对UV254的去除率均能达到58-81%。
将混凝-微滤膜组合工艺与不加混凝剂时的微滤膜直接过滤工艺的去除效果[4]加以比较，如表2所示
从表2中可以看出，混凝-微滤膜组合工艺与直接膜过滤时的出水浊度相差较小，两种工艺对浊度的去除效果相差不大。但混凝-微滤膜组合工艺对OC 和UV254的去除效果较直接膜过滤分别提高了24%和26%。
与前面的烧杯混凝试验相比较，混凝-微滤膜组合工艺连续试验对OC 和UV254的去除效果都增加了15%以上，分析这是因为在连续运行中，膜表面会逐渐形成了一层较为稳定的污染层。虽然污染层的存在使膜的过滤性能产生缓慢下降，但会增加对污染物的截留效果，提高系统的污染物去除效果。
因此，分析混凝-膜组合工艺对OC和UV254的去除效果优于膜直接过滤，且连续运行时的去除效果优于混凝烧杯试验的结果，可能存在两方面原因：一是由于混凝的作用；另一方面是由于膜以及膜面污染层的截留作用。
3.膜过滤性能的变化
在混凝-微滤膜组合工艺的连续运行中，考察了膜过滤性能的变化。
由过滤理论可知[7]：
式中J 为膜通量（L/m2 h-1）, P为膜抽吸压力 (kPa)，μ为粘度 (Pa.s)，R为过滤阻力(l/m)。J/P表示单位压力下的膜通量，与膜过滤阻力R成反比，可以用于表征膜过滤性能。该值越大，表明膜过滤阻力越小，膜的过滤性能越好；反之亦然。
在混凝-微滤膜组合工艺中膜的过滤性能随运行时间的变化如图8。为便于比较，将在相同操作条件下直接膜过滤时的结果[4]也列在了图中。
由图8的结果可知，直接膜过滤和混凝-微滤膜组合工艺在开始投入运行后，首先都有一段膜过滤性能快速下降期，经过大致50-70小时后膜过滤性能开始缓慢降低。两种工艺相比，达到稳定运行时直接膜过滤工艺的膜过滤性能优于混凝-微滤膜组合工艺的情况，后者的J/P值约为前者的50%。分析可能是因为混凝-微滤膜组合工艺中，加入的混凝剂改变了原水中污染物质的成分和粒径分布，使膜表面形成更为严重的污染，从而使膜过滤性能降低。这种混凝剂对膜过滤性能的影响可能与操作条件和混凝剂加药量有关，有关膜污染的详细机理以及如何提高膜过滤性能有待于今后进一步做深入研究。
结论
1)通过烧杯混凝试验，确定混凝-微滤膜组合工艺的混凝剂（PAC）适宜投加量为2-3mg/L，对OC和UV254的去除率分别可以达到25-29%和40%，出水浊度在1NTU以下。
2)混凝-微滤膜组合工艺小试连续试验表明，该工艺对浊度、OC以及UV254的去除效率分别为85-95%，37-52%和58-81%，优于膜直接过滤时的去除效果，尤其是对OC 和UV254的去除效果较膜直接过滤分别增加了约24%和26%。
3)混凝-微滤膜组合工艺稳定运行时的膜过滤性能较膜直接过滤时有降低，分析其原因与投加的混凝剂有关，详细机理有待于今后进一步做深入研究。
参考文献
1.Dennett Keith E.， Amirtharajah A, et al. Coagulation: its effect on organic matter. Journal AWWA, 1996, April: 129-142
2.Edzwald J.K.. Coagulation in drinking water treatment: particles, organics and coagulants. Wat. Sci. Tech., 1993，27(11): 21-35
3.董秉直等. 膜技术应用于净水处理的研究和现状. 给水排水，1999，25（1）: 28-31
4.莫罹，黄霞. 微滤膜净化微污染水源水的研究. 中国给水排水，已接收。
5.王占生，刘文君, 微污染水源饮用水处理. 第一版. 北京：中国建筑出版社, 1999, 49-75
6.Jia-Qian Jiang, Nigel J.D.. Preliminary evaluation of the performance of new pre-polymerised inorganic coagulants for lowland surface water treatment. Wat. Sci. Tech., 1998, 37(2) : 121-128
7.桂萍. 一体式膜生物反应器污水处理特性及膜污染机理的研究. 1999，清华大学工学博士学位论.