超濾膜組合工藝深度處理飲用水
前言
我國以地表水為水源地，自來水廠多采用常規凈水工藝包括混凝、沉淀、過濾和消毒。對于水質良好的水源，常規水處理工藝可以提供安全合格的飲用水。然而對于有機污染較嚴重的水體，處理效果卻不能滿足人們對水質的要求。近年來，隨著超濾技術的發展和超濾膜價格的降低，超濾技術已經成為飲用水處理領域的研究熱點，應用也越來越廣泛[1-2]。
1 超濾技術的概述
1.1 超濾的基本原理
超濾技術是一種以壓力差為推動力，利用膜的透過性能，達到分離水中離子、分子以及某種微粒為目的的膜分離技術。超濾膜的孔徑范圍大致在0.005~1 微米之間，填補了微濾和納濾之間空隙。國內外學者提出超濾過程實際上同時存在三方面的情形[3]：①溶質在膜表面以及微孔壁內產生吸附；②溶質的粒徑大小與膜孔徑相仿，溶質在孔中停留，引起堵塞；③溶質的粒徑大于膜孔徑，溶質在膜表面被機械截留，實現篩分。
超濾過程一般有兩種方式:終端過濾和錯流過濾。對濁度較低、水質較好的原水，一般采用終端過濾，這樣可以大大降低工藝的能耗;對于濁度較高、污染較為嚴重的水，就采用錯流過濾，這樣可以避免大量的污染物累積在膜的表面，造成膜的污染，降低過濾性能。
1.2 超濾膜的形態結構和種類
超濾膜的橫截面具有不對稱結構。它一般是由一層厚度<1 微米，起到篩分作用的致密層和一層厚度較大(通常為125 微米)、具有海綿狀或指狀多孔結構的支撐層組成。目前，已經在工業生產和生活中常用的膜組件主要有:管式、板框式、卷式和中空纖維式等幾種。中空纖維膜又有內壓膜(致密層在內)、外壓膜(致密層在外)和雙向膜(內外都有致密層) 三種結構？偟膩碚f，還是存在膜品種少、膜孔徑分布較寬和性能不穩定等缺陷。
1.3 超濾膜對有機物的去除效果及影響因素
超濾膜的截留分子量范圍一般為5000~10000ODalton，天然水體中有相當大一部分溶解性有機物的分子量低于該范圍，導致超濾膜對其攔截效果很差。事實上，天然水中這一類的低分子溶解性有機物所占的比例往往較大。
Schnoor [4] 等人報告lowa 河有90%有機物分子量低于3000Dalton， 75%的三氯甲烷的生成與低分子量的有機物有關；董秉直、曹達文[5]等對我國長江、黃浦江、太湖、淮河的原水進行了分子量測定，發現分子量小于4000Dalton 的溶解性有機物所占的比例分別為66%、52%、62%、 56%。
超濾膜對有機物的去除，不同情況下差異很大。有學者[6]用切割分子量為10 萬Dalton 的中空纖維超濾膜對20 種不同的原水進行過濾， TOC 平均去除率為18%，UV25 的平均去除率為28%。同樣為去除水中的TOC，Laine 等人用終端過濾的方式處理地表水，超濾膜對TOC 的去除率在42%左右。
所以，尋找合適的方式盡可能地減少這種差異，提高超濾膜的處理效率是關鍵。從膜方面著手，就是尋找新的膜材料或者對膜進行改性；從處理工藝方面著手，就是尋找合適的處理工藝與超濾膜相組合，從而達到優化處理的效果。
2 預處理對膜過濾性能的影響
水中的懸浮物、膠體雜質、細菌(病毒)等在過濾過程中會附著在膜表面，使膜受到污染，被截留的雜質也會迅速在膜的表面產生濃差極化現象；同時，水中部分細小的顆粒物會進入膜孔內使水通道堵塞，水體中的微生物及其代謝產物也會粘附在膜表面。所有這些都會影響到膜的過濾性能，再加上前面提及的諸多影響因素，因此，膜供水必須進行適當的預處理，盡可能多的去除水中的溶解性有機物或者改變其在狀態、降低膜污染、提高膜的過濾性能、延長使用壽命并降低水處理費用。預處理方法有很多:生物預處理、臭氧預處理、活性炭(顆粒炭GAC 或者粉末炭PAC)預處理混凝預處理等。其中研究最多的則是臭氧、活性炭 (GAC 或PAC)和混凝三種預處理方法。
2.1 臭氧預處理對膜過濾性能的影響
日本的S Sawada[7]等人研究了臭氧預氧化對孔徑為0.1 微米的PVDF 微濾膜過濾性能的影響。試驗用5.0mg/l 的腐殖酸和10mg/l 的高嶺土配置原水，然后向水中投加4.5mg/l 的，結果發現該狀況下的透水通量是未臭氧預處理時的2 倍。并且，投加時，過濾阻力下降;停止投加，過濾阻力上升。他認為臭氧能將水中本來對膜有污染作用的有機物(腐殖酸)分解成不易污染膜的、更分散的物質，減緩膜污染，并使得反沖洗時膜表面的污染層更容易去除。
可見，臭氧預氧化對膜過濾性能的改善是有利的。但是臭氧氧化副產物(如溴酸鹽)和膜組件的耐臭氧性能是該預處理方法應該考慮的問題。
2.2 活性炭(GAC 或PAC)預處理對膜過濾性能的影響
利用活性炭(GAC 或PAC)和其他多孔的具有較大比表面積的吸附劑來吸附原水中能夠污染膜的溶解性有機物，達到降低過濾阻力、提高透水通量和有機物的去除率的目的。
董秉直等人[8]，用粉末活性炭與超濾聯用技術處理黃浦江原水，試驗表明，粉末活性炭與膜聯用能有效提高有機物的去除效果;粉末活性炭不會造成膜過濾阻力的增加，并且膜過濾阻力隨著粉末活性炭投加量的增大而減小。
JamesA.Nilisont[9]等人用PAC 作為NF 的預處理，試驗結果發現PAC 并不能有效地防止膜污染。他們認為疏水性有機物是引起膜污染，造成膜通量下降的主因。而PAC 只能有效地去除親水性有機物，對疏水性有機物去除效果很差。所以，PAC 對膜過濾沒有起到實質性作用；钚蕴繉δみ^濾性能的影響，有利地一面是吸附大量可以污染膜的有機物，減小過濾阻力，提高膜的透水通量；不利的一面就是在去除有機物方面，它也存在一定的局限性；同時，長期吸附在膜表面的活性炭有可能會在炭粒內部滋生微生物進而污染膜。
2.3 混凝(絮凝)預處理對膜過濾性能的影響
Carroll 等人[10]用“原水—混凝(鐵鹽)—微濾”和“原水—0.2 微米濾膜過濾—微濾”兩種工藝進行膜過濾通量的比較試驗，結果發現混凝后的膜通量與0.2 微米濾膜過濾后，膜通量的下降是相同的。他認為混凝主要去除的是大于0.2 微米的膠體，而不能去除溶解性有機物，膜污染主要是溶解性有機物中的中性親水性有機物，所以說混凝無法降低膜污染。
董秉直等人[11]認為，相對分子質量>1000 的有機物是造成膜污染的主要因素，相對分子量<1000 的有機物對膜污染影響較小；炷苡行コ肿恿枯^大的有機物，因而可以防止膜污染。同時，又指出混凝劑的投加量與膜過濾性能密切相關。
李偉英[12]側用鐵鹽混凝劑作為超濾的預處理，通過大量的中試試驗，認為混凝能去除溶解性有機物，降低膜污染，但是投加的鐵鹽混凝劑卻也加重了膜的不可恢復通量。
混凝(絮凝)對膜過濾性能的影響，到現在還沒有一個定論。原因很多，一方面，人們對引起膜污染的原因及其物質還沒有達成共識;另一方面，混凝對水中有機物和膜表面的荷電性有什么影響也還不清楚。
3 超濾組合工藝的應用實例
隨著超濾技術的不斷成熟，許多國家都投資建造了規模大小不一的超濾水廠，使超濾技術應用于飲用水處理的步伐更快的向前邁進。 3.1 清河再生水廠 2005 年7 月開工建設的北京清河再生水廠日前已經建成投產。它是我國目前規模最大、品質最高的再生水廠，主要服務于奧運中心區、清河上游及周邊地區，占地2.86 萬平方米，總投資1 億元人民幣，供水量8×10 月m3/d。
該水廠采用的就是國際上先進的超濾膜水處理技術，廠內濾池使用6 組超濾膜箱。清河污水處理廠經過二級處理后的出水經過加壓泵從膜箱底部進入過濾孔徑僅為0.02 微米的超濾膜，再經過活性炭處理，臭氧消毒，出水水質達到國家IV 類水體標準。該技術在國內大型再生水廠中首次應用。
3.2 新加坡超濾水廠
新加坡是一個地少人多、工業比較發達的國家。為解決生活飲用水和工業用水問題，該國建造了一座規模為273000m3/d 的大型超濾飲用水廠，2003 年10 月開始運行，設計將來產水量可達480000 時/d，基本的運行方式就是原水用鋁鹽混凝劑混凝預處理后再進入超濾系統。
水廠所用的超濾膜為切割分子量500Dalton 的ZENON 膜，總膜面積為160000m2，占地僅為250m2，相當于每平方米占地面積生產能力為 190m3/d。該系統一個顯著的特點就是不用出水泵，通過位差虹吸出水。長時間的運行表明，這種處理工藝具有穩定的出水通量和極好的出水水質，而且對溶解性有機物有很好的去除效果。
3.3 英格蘭約克夏Keldgate 水廠
2000 年7 月完工的Keldgate 水廠是世界上最大的市政超濾處理廠。它的處理能力為9×104m3/d，相當于1000l/s，最大處理量為1250l/s？偰っ娣e3700m2，膜絲總長度15800km，能耗500kw.h。該超濾處理廠由11 個相同的膜堆組成，正常運行時，9 個膜堆用于處理原水，稱為一級超濾系統;一個超濾膜堆作為二級超濾系統用于處理一級超濾系統產生的大約5%的廢水，其透過液循環到一級超濾系統的進口；另一個膜堆是一級和二級超濾系統的公用備用組件，在一個超濾系統組件或者二級超濾系統組件失去作用后，用來替代它們。
參考文獻(略）
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