浸没式超滤膜替代砂滤处理东江水的中试研究

Posted 2023-01-12 周期

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针对传统饮用水处理工艺的升级改造问题，通过中试实验，系统考察浸没式超滤膜替代砂滤处理东江水的出水水质并研究高通量条件下的膜运行条件。结果表明，浸没式超滤膜出水浊度不受原水水质条件影响，均保持在0.1NTU以下，与砂滤出水相比具有优势，但有机物去除率与砂滤相差不大。膜系统在高通量条件下运行时，过滤周期应作适当的缩短，采用合理的物理清洗来缓解膜污染，并辅助以有效的在线化学清洗可保证膜过滤的长期稳定运行。
由于对饮用水浊度、微生物等的良好去除效果[1，2]，以及具有不受进料浓度影响，操作压力低、经济节能等优点，超滤技术成为当今水处理领域中的研究热点[3-8]。浸没式膜技术由于具有优越的特性和低廉的运行成本而受到广大水处理工作者的重视，国内外许多学者对此进行了一系列的研究[9-13]。近年来，浸没式超滤膜系统对于大、中型给水厂的新建或改造升级，显示了其独特的优势[14-17]，是低压膜过滤技术的发展方向。目前，我国已经具备了批量生产和供应优质廉价超滤膜(海南立升)和微滤膜(天津膜天)的能力，这必将推动膜工艺在我国水处理领域的发展。
浸没式超滤膜在实际应用中的一个重要问题就是如何在保证出水水质的前提下保证超滤膜在长时间内稳定运行的运行条件[19，20]，包括膜通量、冲洗方式及频率等。本实验主要通过中试实验，研究在水源水质较好的条件下，在保证较高膜通量的同时通过优化运行条件来尽量减少膜污染，使膜系统在较长的时间内保持稳定运行，主要包括高通量条件下的膜出水水质、过滤周期、物理清洗和高效在线化学清洗方法等。
1.材料与方法
1.1原水水质
实验所用原水取自东江的南支流，东江南支流基本保持《地表水环境质量标准》GB3838-2002中的Ⅱ类水质标准，主要受上游排污影响，每年4月中旬至11月中旬水质保持Ⅲ类。在实验期间，铁含量有超标(Ⅲ类)现象，氨氮不时超标。实验期间的原水浊度为11.3～106NTU，pH值为6.95～7.37，CODMn为2.01～7.54mg/L，UV254为0.035～0.055cm-1，水温为14.7～32.9℃。
1.2实验装置
该实验装置能够在PLC控制下自动运行，运行参数可进行设置。膜系统主要包括浸没式PVC超滤膜组件、膜池箱体、气洗和水洗装置、产水箱、加药系统及控制系统，装置示意图如图1所示。该浸没式超滤膜池的尺寸为79cm×64cm×200cm。

1.3运行条件
实验膜系统装置设在东莞某水厂的平流沉淀池出水端附近，以沉淀池出水作为膜系统进水。该水厂采用管式静态混合器、折板絮凝池、平流沉淀池、V型滤池和氯气消毒的传统工艺，并有时在一级泵房处投加高锰酸盐复合药剂(PPC)、石灰乳液(改变原水pH)或活性炭(有冲击负荷时投加)。水厂沉淀池可供给过滤系统的有效水深为2.2m，实验进水采用虹吸管底部进水，膜系统出水也采用虹吸方式，无需抽吸泵，出水除满足反洗水箱进水之外，全部流进清水池。
浸没式超滤膜的运行过程包括进水/过滤、气洗、水力反洗及气水合洗、排污、在线化学清洗(EFM)和化学清洗等过程，具体内容如下：
(1)进水/过滤：膜系统可利用的有效水头为2.2m，从膜池底部进水。水体注满膜池后，开启出水阀，膜组件为虹吸出水，膜出水进入产水箱；
(2)物理反洗：包括气洗、水力反洗或气水合洗。反洗开始前先进行出水降液(进水阀关闭、出水阀开启)，以提高产水率。气水合洗的过程中，水力反洗对膜进行由孔内至孔外的冲洗，气泡对膜表面产生擦洗作用；
(3)排污：反洗结束后，开启排污阀，彻底放空膜池内的浓缩水，然后进行下一周期的膜过滤；
(4)在线化学清洗：即采用较低浓度的药剂对受到污染的膜进行短时间的化学清洗，以达到降低跨膜压差的目的。该法使膜系统能在可接受的跨膜压差下保证产水量。实验中EFM清洗液采用一定浓度(250mg/L)的NaClO溶液，清洗周期依据实验要求变化，操作过程为先浸泡30min，再循环鼓气40s，间歇停曝80s，共经历5次曝气，整个清洗过程一共消耗用时40min。
1.4超滤膜
实验采用海南立升生产的聚氯乙烯(PVC)材质中空纤维超滤膜进行研究，其截留分子量为100kDa，接触角为67.5°，内径0.85mm，外径1.45mm。浸没式PVC中空纤维超滤膜膜组件垂直装于膜池内，膜面积约为250m2。
2.结果与讨论
2.1浸没式超滤膜与砂滤的出水水质对比
2.1.1超滤和砂滤对浊度的去除效能对比
实验期间将浸没式超滤膜的出水浊度与同期水厂的砂滤池出水浊度进行了对比，结果如图2所示。中试期间，膜池的进水浊度(即沉淀池出水浊度)在0.65～3.52NTU之间波动，平均2.33NTU，膜出水浊度范围在0.046～0.098NTU，平均0.072NTU，同期砂滤出水浊度范围在0.14～0.27NTU，平均0.201NTU，该水厂的砂滤出水浊度控制的比较好，然而超滤出水浊度非常稳定，均在0.1NTU以下，而且比同期砂滤池出水浊度低。

2.1.2超滤和砂滤对有机物的去除效能对比
超滤出水与同期砂滤出水中CODMn和UV254的对比结果分别如图3和图4所示。中试期间原水CODMn变化范围为2.01～6.54mg/L；沉淀出水CODMn变化范围为1.40～3.64mg/L，混凝沉淀去除率达到34.9%；膜出水的CODMn在1.19～3.08mg/L之间，平均去除率约为11.5%；同期水厂砂滤池出水CODMn为1.16～3.03mg/L，平均去除率为12.8%。可见，超滤对CODMn的去除效果与砂滤相当。

UV254是衡量水中有机物指标的一项重要控制参数。在水处理中，UV254可以作为TOC、DOC以及THMs前驱物的替代参数。UV254间接反映了含共轭双键或苯环等一类有机物的含量。实验期间原水UV254的变化范围为0.027～0.059cm-1，混凝沉淀出水中UV254的范围为0.020～0.049cm-1，平均去除率为23.0%。超滤和砂滤对UV254去除率均不高，超滤出水UV254的范围为0.020～0.049cm-1，平均去除率仅为1.2%，砂滤池UV254的范围为0.018～0.048cm-1，平均去除率为4.9%。可见，超滤对有机物的去除率并不高，特别是对溶解性有机物的去除效果不好，这主要是因为本研究中所用的超滤膜标称孔径为0.01μm，其截留分子量为100kDa，其对小于该孔径的有机物截留作用较小。
2.2浸没式超滤膜运行条件的优化研究
2.2.1过滤周期的优化
通过前期现场的小型实验确定了气水联合清洗的效果较好(数据未列出)，因此，该实验过程中的清洗方式也采用气水合洗，水力反洗强度为80m3/(m2.h)，气洗强度为45m3/(m2.h)(以膜池底面积计算)，联合清洗时间为3min。另外由于选取的通量较高，采用EFM清洗来辅助清洗，周期为72h。实验在上述条件下考察了过滤周期分别为8、6和4h条件下膜运行TMP的发展，结果分别如图5～图7所示。过滤周期为8h的条件下，膜过滤的TMP增长较快，在第1个EFM清洗周期内TMP由16.95kPa增长到20.55kPa，第2个EFM清洗周期TMP增加到21.79kPa，几乎增长到了实验可以达到的最大压差，表明过滤周期为8h不能保证膜的稳定运行。

当过滤周期为6h的条件下，在第1个EFM清洗周期内，TMP由最初的17.53kPa最高上升至20.15kPa，经EFM清洗后TMP几乎可恢复至初始值，在第3个EFM清洗周期结束时TMP为20.47kPa。在240h的运行过程中，过滤周期为6h基本可以保证膜系统的稳定运行。
当过滤周期为4h的条件下，在第1个EFM清洗周期内，TMP由最初的15.65kPa上升至18.21kPa，膜运行近300h之间经历了4个EFM清洗，最终TMP为18.44kPa，这表明在该条件下浸没式超滤膜在较长时间内可以保证稳定运行。以上研究结果表明，所选取的膜通量较高时，膜过滤周期应根据水质等实际情况做适当的缩短，过滤周期之间应采用有效的物理清洗来缓解膜污染，并辅助以短时间的化学清洗以保证膜过滤的长期稳定运行。
2.2.2气水合洗时间的优化
在优化过滤周期的基础上实验进一步研究了气水合洗清洗方式的时间对膜比通量的恢复情况，如图8所示，其中水力反洗强度为80m3/(m2.h)，气洗强度为45m3/(m2.h)(以膜池底面积计算)。气水冲洗时间分别为50、100、180、300和420s时，膜比通量恢复率分别为0.802%、0.821%、0.836%、0.849%和0.850%，可见，在该实验条件下气水冲洗时间在180～300s范围时膜比通量恢复率较高，且清洗时间再增加对膜的清洗作用增加不大。这表明浸没式超滤膜在应用时应根据水质等实际情况选择合理的物理清洗方式和时间，并不是清洗时间越长越好，时间过长则耗水耗能，时间较短则对膜污染起不到很好的控制作用。

2.2.3EFM清洗频率的优化
本实验中的EFM在线化学清洗是指采用250mg/L的NaClO溶液对已受污染的膜进行短时间的化学清洗，以达到降低跨膜压差的目的。操作过程为先用NaClO溶液浸泡30min，再循环鼓气40s，间歇停曝80s，共5次，一共消耗用时40min，实验考察了EFM清洗周期对膜运行TMP的影响，如图9和图10所示，其中膜运行采用气水合洗，过滤周期6h，水力反洗强度为80m3/(m2.h)，气洗强度为45m3/(m2.h)，气水合洗每次5min。6d进行1次EFM清洗的条件下，在膜运行500h过程中的TMP出现了快速上升、缓慢上升和急剧上升3个阶段，过滤50h内时TMP为快速上升阶段，TMP由初始的16.12kPa上升到18.29kPa，50～430h为缓慢上升阶段，TMP上升到了20.32kPa，此时对膜进行EFM清洗的膜比通量恢复率较低，膜过滤的TMP仍比较高，说明此时EFM清洗对膜污染的作用已很小。膜过滤430～500h过程中，TMP急剧上升至21.65kPa，接近于实验所能提供的最大压差。这表明EFM清洗周期为6d无法保证膜系统长时间稳定运行，在该通量条件下应缩短EFM清洗周期。

3d进行1次EFM清洗的条件下，在第1个EEM清洗过滤周期内TMP由初始的16.23kPa上升到18.70kPa，经过EFM清洗之后TMP恢复至16.43kPa，之后的EFM清洗过滤周期TMP的发展情况与第1个周期相似，在膜运行500h后TMP为19.11kPa，整个运行过程中膜的TMP发展比较稳定，表明该EFM清洗的频率选择比较合理，可见，合理采用短期的化学清洗和物理清洗相结合的方法可以保证膜系统的长期稳定运行。
3.结论
(1)在浸没式超滤膜替代砂滤处理东江水的实验中，通过与水厂同期砂滤的出水水质对比发现，膜出水浊度不受沉淀出水浊度影响，均保持在0.1NTU以下，但膜对有机物的去除率与砂滤相差不大。
(2)对膜的运行条件优化研究发现，在东江水水质条件较好的情况下可选取较高的膜通量，运行时膜过滤周期应作适当的缩短，过滤周期之间可采用有效的物理清洗来缓解膜污染，并辅助以短时间的EFM清洗以保证膜过滤的长期稳定运行，所得的实验结果对浸没式超滤膜的实际应用具有较好的指导作用。