膜前预处理技术在饮用水处理中的研究进展

第圆8卷第6期圆园园9年12月天津工业大学学报允韵哉砸晕粤蕴韵云栽陨粤晕允陨晕孕韵蕴再栽耘悦匀晕陨悦哉晕陨灾耘砸杂陨栽再Vol.28No.6December2009膜前预处理技术在饮用水处理中的研究进展董廷尉1，戴海平2，范云双2（1.天津工业大学环境与化学工程学院，天津300160；2.天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程教育部重点实验室，天津300160）摘要：介绍国内外关于膜污染形成的理论，总结了微滤、超滤等低压膜的膜前预处理技术如混凝土、粉末活性炭、预臭氧等预处理工艺在饮用水和微污染原水处理中的最新进展，对近年来膜+预处理的组合工艺在延缓膜污染、提高污染物去除率及过滤通量等方面的研究进行了分析.研究认为，混凝、粉末活性炭、预臭氧等膜前预处理工艺能够有效地弥补低压膜在处理能力、易污染等方面的不足援随着膜分离技术在饮用水处理领域中的逐渐深入，如何减少运行成本和加强各种预处理技术的优化组合有待进一步探讨援关键词：膜技术；预处理；饮用水；组合工艺中图分类号：TS102.528.1文献标识码：A文章编号：员远苑员原园圆源载（圆园园9）园6原园园26原园6ResearchadvanceofpretreatmentofmembraneprogressfordrinkingwatertreatmentDONGTing-wei1，DAIHai-ping2，FANYun-shuang2（1.SchoolofEnvironmentalandChemicalEngineering，TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300160，China；2.KeyLaboratoryofHollowFiberofMembraneMaterialandMembraneProcessofMinistryofEducation，TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300160，China）Abstract：Thetheoryabouttheformationofmembranepollutionathomeandabroadisintroduced.Newprogressesonpretreatmentbeforethelowpressuremembranes（UForMF）treatment，suchascoagulation，powderactivatedcarbonadsorptionandpre-ozoneforpotablewaterandmicropollutedrawwatertreatmentaresummarized.Inaddition，theresearchofmembranetechnologycombinedwiththesepretreatmentstechnologiesinmitigatingthemembranefouling，improvingtheremovalofpollutantsandmembranefluxareanalyzed.Itconsiderthatcoagulation，thepowderactivatedcarbonadsorptionandpre-ozoneareabletoremedyflawedaspectsoflowpressuremembranesinweekhandlingcapacity，vulnerabletobecontaminatedeffectively.Withmembraneseparationtechnologytobeprofoundinpotablewaterfieldgradually，costreductionandoptimalcombinationamongsomepretreatmentsneedfurtherresearch.Keywords：membranetechnology；pretreatmemt；drinkingwater；combinationofdifferenttechnologies收稿日期：2009-09-01作者简介：董廷尉（1983—），男，硕士研究生；戴海平（1964—），女，研究员，导师援E-mail：[e-mail]近年来，低压膜技术在饮用水净化领域中的应用越来越广泛，其中超滤（UF）和微滤（MF）被认为是替代传统的澄清和过滤技术的有效方法援但是由于饮用水水源污染日益严重、水质不断恶化，采用单一的膜过滤技术难以满足日益严格的水质要求援2007年7月1日新的《生活饮用水卫生标准》正式实施，水质指标由现行水质标准的35项大幅增加到106项，这对饮用水处理技术提出了新要求援MF和UF可截留的相对分子量较大，对促进形成消毒副产物（DBPs）前体物的天然有机物，尤其是低分子量的腐殖酸或溶解性有机物，无法截留去除[1]援而且，在应用膜技术处理水过程中，膜污染现象相对突出，清洗效果较差.为此往往采用一些物化手段和膜技术相结合，作为膜分离的预处理，以保证主体膜处理效果的稳定性，并可降低膜维护次数，延长使用寿命援目前用于膜前预处理的方法有很多，国内外很多学者对其进行了相应的研究援本PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建期文就混凝、粉末活性炭、预臭氧等预处理工艺对低压膜污染和膜通量的影响作用机理进行综述，以期促进这一技术在饮用水处理领域的长远发展援1膜污染机理膜污染是膜技术广泛应用的限制因素，国内外许多学者对膜污染的形成机理进行了研究并持有不同的观点援1994年，英国威尔士大学的Bowen等[2]描述了MF膜处理微污染原水的膜污染步骤：淤污染物质首先堵塞最小孔径的膜孔；于污染物覆盖内膜中稍大孔径膜孔；盂一些污染物直接堵塞孔径的同时，另一些污染物粘附在已堵塞膜孔的颗粒粒子上；榆泥饼层形成援1995年，美国CarolloEngineers公司的Crozes等[3]研究发现UF膜污染的主要因素是疏水性有机物的吸附污染援2001年，台湾大学的LinCheng-Fang等[4]研究发现天然有机物（NOM）中腐殖酸是UF膜的主要污染源，并且发现腐殖酸的羧基基团的含量越高越容易导致膜污染援2003年，清华大学的MoLi等[5]采用聚乙烯中空纤维膜研究了混凝-微滤膜工艺处理地表水的膜污染特征，认为膜外表面污染由微生物、有机和无机物质共同作用形成，膜内表面污染主要是微生物污染援2004年，美国科罗拉多大学的LeeNoHwa等[6]采用MF和UF处理不同水质的河水以研究膜污染情况，观测到MF比UF膜通量下降更快，大分子可溶有机物或成胶体状态的有机物造成膜孔堵塞是MF膜污染的主要原因，原水中可溶有机物浓度越高污染越严重，而UF膜污染主要是由过滤过程中形成的泥饼层造成的援除了NOM对膜造成污染之外，粘土和Ca2+、Fe3+、Si2+等无机离子也会造成膜的无机污染，主要的污染物质由原水中所含成分决定援研究者针对不同原水得到了不同的膜污染形成结论，因此对于不同原水水质需要具体分析膜污染的形成原因和污染物质的组成成分援2预处理技术在膜处理饮用水中的研究2.1混凝预处理混凝作为膜分离的预处理方法常与膜法联合应用于饮用水处理领域.混凝通过电性中和、卷扫、吸附架桥等作用改变了进料液中悬浮颗粒胶体的尺寸分布，增强了MF和UF不能截留的小颗粒和溶解性污染物的去除作用；混凝还能改变颗粒物表面的电性，降低悬浮颗粒在膜表面的电性吸附，因此滤饼层不会紧密附着在膜表面，从而减小了膜滤饼层阻力和浓差极化阻力援根据现有研究成果，原水直接超滤工艺对水中有机物的去除率不高援原水直接超滤对TOC（总有机碳）、CODMn（高锰酸盐指数）、UV254（水中吸收紫外线的不饱和有机物）的去除率仅为20%、30%、40%左右[7-8]援2002年，西安建筑科技大学的王晓昌等[9]以腐植酸为研究对象，利用国产超滤膜进行了混凝-超滤组合工艺的试验援结果证明与原水直接超滤相比，混凝-超滤工艺对溶解性天然有机物的去除效率较高，尤其是对相对分子质量小于6000的有机物的去除率有很大提高援2000年，澳大利亚CSIRO分子科学研究所的Carroll等[10]认为，膜通量的下降与处理水中有机物的亲、疏水性有密切关系，混凝去除较多的疏水性有机物，混凝水中的剩余组分多为中性亲水性物质，而中性亲水性有机物是造成通量下降的主要因素援许多研究者的试验结果支持了Carroll等的观点[11-12]，但也有学者得出了与Carroll相反的结果援如早在1996年，美国学者Nilson等[13]对纳滤膜的试验表明，疏水性的有机物是引起通量下降的主要因素，而亲水性的有机物对通量的影响较小援总之，对于哪种组分是造成膜通量下降的主要因素，不同研究者之间的结论存在矛盾之处，这种分歧可能是采用不同材质的膜或水质不同的原水造成的，这一问题引起了很多学者的关注和研究[11，14]援2008年，同济大学环境科学与工程学院的董秉直等[15]通过相关试验，对上述问题进行了论证援该试验采用4种具有不同亲疏水性的水样，混凝剂采用精制硫酸铝[Al（SO4）3·18H2O]，试验结果表明，疏水性组分造成通量的急剧下降，而中性亲水性有机物导致通量的缓慢下降援超滤膜直接过滤原水时，会截留较多的疏水性有机物，从而造成严重的通量下降；通过混凝可有效去除疏水性组分，使得膜主要截留剩余的亲水性组分，对通量的影响较小援因此，混凝-膜处理工艺更适合于疏水性组分较多的原水援混凝剂的选择和投加量是影响膜过滤的重要因素，最佳试剂和投药量必须通过试验确定援2001年，英国克兰菲尔德大学水科学学院的Judd等[16]应用混凝-微滤联合工艺处理地表水，发现混凝剂采用铁盐和铝盐均可以提高天然有机物（NOM）的去除效果，同时减少三氯甲烷前体的形成，而且随着混凝剂投加量的增加，泥饼层比阻力减少援2002年，法国图卢兹三大的Guigui等[17]研究发现，在混凝-超滤组合工艺中FeCl3对天然有机物（NOM）的去除效果好于其它絮凝剂援2004年，英国克兰菲尔德大学的Pikkarainen等[18]比较董廷尉袁等院膜前预处理技术在饮用水处理中的研究进展27——PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建种混凝剂的混凝效果，试验结果发现4种药剂对NOM的去除效果分别为：Fe2（SO4）3FeCl3PACAlCl3，铁盐混凝剂比铝盐混凝剂去除中间相对分子质量有机物更有效援2005年，深圳水务有限公司水技术研究所的陈益清等[8]认为，微絮凝-超滤工艺的最佳混凝时间为120s左右，聚合氯化铝的最佳投量为2mg/L左右（以Al2O3计），在相同的投量下铁盐比铝盐的混凝效果好援2008年，景德镇市建筑设计院与同济大学联合采用混凝-超滤组合工艺处理微污染水源，试验[19]表明，投加硫酸铝25mg/L时，TOC去除率仅为18.4%，当投加量增加到100mg/L时，TOC去除率上升为48.2%，明显提高了膜通量援2.2粉末活性炭预处理目前给水处理中应用粉末活性炭（PAC）已成为深度处理和微污染水处理的有效手段援2008年，同济大学环境科学与工程学院金伟等[20]采用模拟试验的方法，考察了混凝剂与粉末活性炭投加去除姚江原水溶解性有机物的效果援试验结果表明，混凝处理主要去除的是相对分子质量为10000~30000区段的有机物，而粉末活性炭处理其他区段的有机物效果较好，尤其是相对分子质量小于10000区段，去除率均在40%以上；混凝处理相对分子质量小于3000区段的有机物效果较差，几乎全部依赖粉末活性炭去除援很多学者[7]对于PAC-UF工艺进行了广泛的研究，认为它是替代常规水处理工艺达到高效去除有机污染物的膜工艺之一援该工艺将PAC对低分子有机物的吸附作用和UF对大分子有机物及细菌等病原微生物的筛分作用很好地结合在一起，大大提高了有机物的去除率援目前，欧洲有12个大规模饮用水处理厂采用PAC-UF组合