采用浸没式超滤膜技术处理东江水的中试研究张艳

中国环境科学2009,29(1)：6~10ChinaEnvironmentalScience采用浸没式超滤膜技术处理东江水的中试研究张艳1,李圭白1*,陈杰2(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090；2.苏州立升膜分离科技有限公司,江苏苏州215152)摘要：以混凝沉淀为预处理,通过中试试验,对浸没式超滤膜处理东江水的昀佳运行方式进行了研究.考察了气洗周期为24h时,膜通量及浓缩液水质的变化规律.结果表明,过滤48h后,膜通量变化趋于平缓,气洗逐渐失去作用;除曝气后4h,浓缩液主要水质指标含量均接近或低于膜装置进水.对3种不同运行方式进行比较,认为水洗周期48h和气洗周期24h相结合的运行方式昀为适宜,连续运行30d,单位水洗周期内的平均膜通量由39.8L/(m2·h)降至30.3L/(m2·h).关键词：浸没式超滤膜；膜通量；浓缩液水质中图分类号：X522文献标识码：A文章编号：1000-6923(2009)01-0006-05PilotstudiesontreatingDongRiverwaterbysubmergedultrafiltrationmembrane.ZHANGYan1,LIGui-bai1*,CHENJie2(1.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China；2.SuzhouLitreeUltrafiltrationMembraneTechnologyCompany,Suzhou215152,China).ChinaEnvironmentalScience,2009,29(1)：6~10Abstract：Withthepretreatmentbycoagulation-sedimentation,thebestrunningconditionforthetreatmentofDongRiverwaterwasinvestigatedbysubmergedultrafiltrationmembraneprocessinpilotequipment.Whentheaircleaningperiodwas24h,themembranefluxandthequalityofenrichedliquidwereinvestigated.After48hfiltration,variationsofmembranefluxwassmooth,andaircleaningwasgraduallylosingeffect.Exceptthe4hoursafteraircleaning,theconcentrationsofmainwaterqualityparametersofenrichedliquidwerealmostthesameorlowerthanthoseoftheinletwaterofmembraneequipment.Onthebasisofthese,thevariationsofmembranefluxwerecomparedunderthreedifferentrunningconditions.Therunningconditionwith48hwatercleaningperiodand24haircleaningperiodwasthebest.Afterrunningfor30days,theaveragemembranefluxreducedfrom39.8L/(m2·h)to30.3L/(m2·h).Keywords：submergedultrafiltrationmembrane；membraneflux；enrichedliquidquality随着流经广东的东江水污染加剧,以其为源水的东莞多数水厂受常规工艺的局限[1],出厂水中氯消毒副产物、贾第虫和隐孢子虫等水质指标难以达到新的水质标准(GB5749-2006)[2].各水厂对净水技术升级改造的需求十分迫切.超滤膜技术,与传统水处理工艺相比,能有效截留杂质、细菌和病原菌,从而降低后续消毒加氯量,减少消毒副产物的生成量[1].其中浸没式超滤膜因具有产水量高、能耗低、便于与其他工艺相结合等优势而受到广泛重视,成为替代水厂传统处理工艺的昀佳技术选择之一[3].由于水厂处理水量大,如何长期维持高膜通量运行是膜技术应用的关键.东莞市某水厂尝试将浸没式超滤膜直接安装于砂滤池中替代滤砂.本研究针对东江水质,以混凝沉淀作为预处理,通过中试试验,研究浸没式超滤膜系统的昀佳运行方式,旨在为水厂的实际工程改造提供理论依据.1材料与方法1.1材料试验原水取自东江东莞段,浊度为18~42NTU,CODMn为1.61~2.63mg/L,UV254为0.116~0.138cm-1,氨氮为0.86~1.45mg/L.膜出水中浊度、CODMn、UV254和氨氮含量则分别为0.09~0.05NTU,0.75~1.09mg/L,0.013~0.039cm-1,0.18~0.73mg/L.膜组建采用海南立升公司生产的浸没式中收稿日期：2008-07-11*责任作者,中国工程院院士,[e-mail]1期张艳等：采用浸没式超滤膜技术处理东江水的中试研究7空纤维超滤膜,膜材质为聚氯乙烯(PVC),膜面积8.3m2,外径1.45cm,内径0.8cm,孔径0.02µm.预处理采用的混凝剂为液态聚合氯化铝(其中Al2O3含量≥12%,盐基度为86%),投加量为4.5mg/L(以Al3+计).1.2装置及流程超滤膜中试装置高310cm,长120cm,宽20cm.有效高度H为300cm,上部设溢流口保持液位恒定.布气管安装于帘式膜底部,布气孔方向朝下,气泡先向下运动后上升至液面,有利于气泡的均匀分布.装置底部呈斗状,便于泥砂的收集及排放,其高度h为10cm.装置的结构示意见图1.Hh立体剖面I立体剖面II图1膜装置结构示意Fig.1Schematicdiagramofthemembranestructure试验流程示意见图2.原水取自水厂混凝沉淀池出水口,通过潜水泵从上端进入膜装置,滤后水进入反冲洗水箱,进水中的高分子物质、胶体颗粒及微生物等污染物则被截留在膜装置内形成浓缩液.试验过程中,膜装置液位高度差恒定为2.5m,以虹吸方式出水.气洗是利用鼓风机通过布气管均匀向膜装置内注入空气,利用上升气泡所产生的二次流促进膜表面附近水体的混合,从而减轻浓差极化和膜污染,提高渗透通量[4];水洗则是将滤后水箱水通过反冲洗泵从膜内向膜外进行逆向冲洗.水洗结束后,在空气压力的作用下,膜装置内的水由反洗出水口排出.膜过滤采用混凝沉淀作为预处理,是因为混凝剂能够改变悬浮颗粒尺寸大小和表面电性,去除水中部分大分子有机物和胶体,从而降低膜过滤阻力,提高透水通量[5-7].混凝沉淀池反冲洗箱空压机反洗出水出水溢流反洗进气进水图2试验流程示意Fig.2Schematicdiagramofthelaboratoryscalepilot试验采用清洗周期为24h,清洗方式为气洗5min,气量2~3m3/h的运行方式,考察膜通量及膜装置内浓缩液水质的变化.通过不同清洗方式的对比试验(表1),确定混凝沉淀-浸没式超滤膜处理东江水适宜的运行参数.表1试验方案Table1Testprojects方案水洗周期(h)气洗周期(h)清洗时间(min)水量(m3/h)气量(m3/h)124245248241037224101.22~3注:当气、水清洗时间重叠时,则气水清洗同时进行1.3水质测定方法以浊度、UV254、CODMn和氨氮为水质评价指标.浊度采用HACH-2100A浊度分析仪进行测定;氨氮采用纳氏试剂光度法;CODMn采用酸性高锰酸钾氧化法;UV254采用752N紫外可见分光光度计进行测定,水样测定前用0.45µm滤膜过滤.2结果与讨论2.1单独气洗对膜通量的影响由图3可见,随过滤时间的增加,膜通量呈波动式下降,当过滤时间超过36h后,膜通量下降幅度趋于平缓,气洗对膜污染逐渐失去作用.在连续运行的120h中,膜通量由昀初的46.5L/(m2·h)逐渐趋于稳定值约30L/(m2·h),下降幅度约为35.5%.过滤初期,由于截留的污染物较少且未被压实,膜表面的滤饼层处于疏松多孔状态,因此气洗对膜通量有很好的效果,膜通量恢复率昀高达到8中国环境科学29卷91.4%.随过滤时间的增长,滤饼层厚度不断增加,孔隙率逐渐减少[8],此时气洗仅能缓解浓差极化现象,对滤饼层的去除效果不明显.过滤48h后,气洗对膜通量的提高率仅为10.7%.当过滤时间超过72h,气洗后膜通量提高平均不足5%,且曝气后1h内,膜通量即降至气洗前水平,而在清洗周期内的剩余时间里,则基本维持在稳定水平.25303540455001224364860728496108120膜通量[L/(m2•h)]过滤时间(h)图3膜通量随时间的变化Fig.3Variationsofmembranefluxwithtime2.2浓缩液水质变化2.2.1浊度由图4可见,除曝气后出现短时间(约4h)的明显升高,浓缩液浊度与膜装置进水含量基本一致.0246810121416182001224364860728496108120浊度(NTU)浓缩液膜装置进水过滤时间(h)图4浊度随时间的变化Fig.4Variationsofturbiditywithtime说明曝气使得膜装置底部沉积的物质以及滤饼层上部分被截留的污染物重新悬浮于水中,造成浊度升高;而在随后的过滤过程中,部分悬浮物又被迅速截留在膜表面,导致单个气洗周期内,膜通量在曝气后的1h内下降昀为明显.2.2.2有机物以CODMn和UV254为指标衡量浓缩液中有机物含量.由图5可见,浓缩液中CODMn呈波动式变化.曝气使得CODMn在短时间内出现了不同程度的上升,而整体含量的下降,一方面是因为部分有机物随胶体颗粒在膜表面富集,或沉于膜装置底部;另一方面,被膜截留的微生物利用膜装置内富集的有机物质进行自身繁殖[9],在一定程度上也影响了浓缩液中CODMn的含量.00.511.522.533.5401224364860728496108120CODMn(mg/L)浓缩液膜装置进水过滤时间(h)图5CODMn随时间的变化Fig.5VariationsofCODMnwithtimeUV254虽也因曝气而有所起伏,但变化并不明显,基本维持在0.05~0.06cm-1之间(图6),与膜装置进水中含量接近.通过对滤后水质的测定,分析认为是由于超滤膜对有机物去除效果一般,不足28%,因此,曝气后UV254的提高并不明显.0.030.040.050.060.0701224364860728496108120过滤时间(h)UV254(cm-1)浓缩液膜装置进水UV254(cm-1)图6UV254随时间的变化Fig.6VariationsofUV254withtime2.2.3氨氮由图7可见,浓缩液中氨氮含量呈1期张艳等：采用浸没式超滤膜技术处理东江水的中试研究9波动式下降,除曝气后数小时,其值基本低于膜滤池进水中氨氮含量.相比膜装置进水,浓缩液中的硝酸盐氮和亚硝酸盐氮含量均无明显变化,说明此过程中微生物作用并不明显,这可能与曝气量不足有关.由于浓缩液中部分氨氮吸附在颗粒表面,随着过滤时间的增长,此部分氨氮会随着颗粒沉降到装置底部或附着在膜表面,这是浓缩液中氨氮有所下降的主要原因.00.20.40.60.811.21.41.601224364860728496108120氨氮(mg/L)浓缩液膜装置进水过滤时间(h)1.0图7氨氮随时间的变化Fig.7VariationsofNH4+-Nwithtime连续运行中,在膜过滤、颗粒物自身沉降,以及微生物氧化分解等因素的作用下,除曝气后数小时,浓缩液中主要水质指标含量均接近或低于膜装置进水.由于浓缩液水质在曝气