基于在线混凝-超滤组合工艺的微污染地表水处理

崔俊华,王培宁,李凯,张建辉,李圭白

(1.河北工程大学城市建设学院,河北邯郸056038;2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090)

超滤膜技术是21世纪的新兴技术,近年来随着膜的性能不断提高,价格不断降低,国外已将该技术用于城市水厂,并呈加速推广趋势[1]。国外工艺为超滤膜单元作为深度处理的长流程工艺,如位于加拿大Mississauga的Lakeview水厂[2],该水厂流程如下所示。

原水→混凝→沉淀→过滤→臭氧→活性炭→超滤→消毒→出水

这种长流程工艺可以最大程度保证出水的水质安全,且经过砂滤截留和活性炭吸附(多为颗粒活性炭柱)后,超滤单元的污染物负荷很低,可以保持较高的通量。但是该工艺流程存在如所需水头较大、耗能多、运行复杂、构筑物多、占地面积大、基建费用高、制水成本高等缺点,并不符合我国国情。因而在保证出水水质的前提下,尽量缩短流程的研究很有实际意义。

在线混凝作为缩短流程的主要工艺,在水处理中有很大的应用空间。董秉直等[3]认为以在线混凝-超滤中混凝后不去除矾花,直接进行膜过滤,矾花可以在膜表面形成滤饼层,延缓膜污染。还有研究者认为混凝可以改变水中胶体颗粒的表面电荷,从而使小胶体颗粒易于被滤饼层吸附,改善膜孔的堵塞污染并延缓吸附污染[4]。

本试验通过去掉沉淀,砂滤及活性炭吸附等单元,以在线混凝的方式,将超滤单元变为膜混凝反应器,以缩短实验流程(式1),并通过对比出水水质和跨膜压差增长情况来确定混凝剂的最优投量。

1 试验装置和试验方法

1.1 试验装置和流程

试验装置共有四组并联流程,共用一个原水箱,其中单一流程如图3所示。该装置以地表水为原水,用浮球阀稳定膜池中的液面,混凝剂采用有效含量质量分数为4%的聚合氯化铝(Polyaluminium Chloride,PAC)液体,通过计量泵投加在浮球阀出水口处,在原水管中初步混合(约20 s)后进入膜池,混凝时间很短,基本不形成大的矾花,而是形成微絮体。该装置运行过程由可编程程序控制器(PLC)全程控制,超滤方式为终端过滤,过滤通量恒定为30 L/(m2◦h),原水在膜池中的停留时间为20min。超滤以抽吸泵作过滤动力,出水端的压力通过压力采集器反馈回PLC并记录。通过调整抽吸泵反转进行水洗,使用鼓风机曝气进行气洗。

本次试验中四组流程混凝剂投量依次为0、20、30、40 mg/L(以PAC液体重量计,下同),其他运行参数如下：反冲洗采用气水合洗方式,反洗周期为1h,反洗时间为 1min,反冲洗水通量为60L/(m2◦h),曝气量为50 m3/(m2◦h)(以膜池底面积计),排污周期为12h。

1.2 膜组件工艺参数

试验用超滤膜采用国产外压式中空纤维超滤膜,膜组件自行制作,主要工艺参数如表1所示。

表1 PVC超滤膜主要物理参数Tab.1 Main physical parameters of the PVC ultra-filtration membrane

1.3 原水水质

试验所用原水取自某自来水厂一期工程原水监测取样口,该水厂所用原水为珠江某支流河水,该支流水质受气候影响较大,夏季暴雨期浊度较高。试验阶段该河流处于枯水期,原水水质较好,属于微污染地表水,部分指标如表2所示。

表2 主要水质参数Tab.2 Main physical parameters of the raw water

1.4 分析仪器与分析方法

浊度采用HACH-2100N浊度仪测定;温度用酒精温度计测定;pH用玻璃电极pH计测定; CODMn采用酸性高锰酸钾氧化法测定;UV254采用752N型紫外可见分光光度计测定;NH3-N采用纳氏试剂分光光度法测定。

2 试验结果与分析

2.1 组合工艺去除污染物效果分析

(1)组合工艺对浊度的去除

浊度是感官性指标,也是微生物学指标。表现为浊度的胶体物质不仅是污染物,而且是水中细菌病毒生长的重要载体。从表3中可以看出超滤工艺出水的浊度一直稳定在0.1以下,基本不随进水浊度的变化而变化。出水浊度降低的意义在于,大大减少后续单元如供水,管道等中细菌的附着和生长的可能性,从而使得消毒单元中氯的投加量也可大大降低,不仅可以节约药剂成本,而且可以减少消毒副产物,进一步提高水质。

本试验中三种混凝剂投加量对于出水的浊度有略微影响,不过相对于膜自身的去除效果,可忽略不计。

表3 不同混凝剂投加量下对浊度的去除效果Tab.3 Removal efficiency of turbidity on different amount of coagulant

(2)组合工艺对有机物的去除效果分析

由于试验所用原水水质较好,CODMn的含量远低于最新颁布的饮用水标准中所要求的水源水6 mg/L[5],一般在2 mg/L以下,所以试验中对CODMn的去除率并不高,一般低于50%。从图4可以看出,直接过滤的去除率较低,基本低于20%,可以认为原水中的不溶性有机物含量很低。这部分有机物包括大颗粒有机物,以及易吸附在泥沙等颗粒上的小颗粒有机物。超滤对于可溶性的有机物和粒径小于膜孔的有机物基本无去除作用,这部分有机物主要在混凝和滤饼层吸附中去除。

组合工艺对CODMn的去除率随着混凝剂投药量的提高而提高,不过投药量40 mg/L混凝剂的去除率有时还要低于30 mg/L,所以,从稳定性和经济成本来看,30 mg/L的投药量最优。

UV254主要表征水中具有苯环结构或者不饱和烃键的小分子有机物,这类有机物在254nm紫外波段处具有吸收峰,UV254也可以作为三氯甲烷生成势(THMFP)的替代参数[5]。从图3可以看出,由于UV254表征的有机物远小于膜孔孔径,超滤膜自身对于UV254几乎没有去除效果,而投加混凝剂可以明显去除UV254。随着混凝剂投加量的变大,对UV254的去除效果也逐步提升。

(3)组合工艺对氨氮(NH3-N)的去除

试验所用原水NH3-N含量很低,最大0.15 mg/L,远低于饮用水标准中[5]的0.5 mg/L限值。由于NH3-N物质分子量很小,理论上超滤对其没有截留作用。而试验中直接超滤工艺的膜出水氨氮测定值平均为0.05 mg/L,且越到试验后期越低,说明超滤对氨氮的去除基本是靠滤饼层的吸附,随着过滤时间的延长,滤饼层也逐步变厚,吸附能力也越来越强。组合工艺出水的测定值基本在检出限值0.02 mg/L以下,可以认为混凝剂的投加可以提高滤饼层的吸附能力,从而更好的保证氨氮等无机小分子污染物的去除[6]。

2.2 膜污染状况及化学清洗效果分析

(1)跨膜压差增长情况

试验中超滤膜采取恒定通量运行,膜污染状况可通过跨膜压差(the transmembrane pressure,TMP)的变化来间接表示[7]。如图4所示,直接超滤TMP增长迅速,而20mg/L投量下有所减缓,30mg/L及40 mg/L则是大大减缓。这是由于直接过滤时,滤饼层随过滤时间增加而持续增厚,并随着过滤压力的上升而逐步压缩、并逐渐形成难以水力清洗的凝胶层。而投加的混凝剂可以改善滤饼层的机构,由于混凝时间很短,难以形成矾花,而形成微絮体,这些微絮体不但粘附在超滤膜表面形成吸附污染物能力强的滤饼层,而且易于被水力清洗清除掉。在试验中,通过肉眼观察可以发现直接超滤的膜表面有大量黄褐色的滤饼层,而投加混凝剂的膜表面只有少量的滤饼层。随着混凝剂投量的增加,平均每小时跨膜压差增长量依次为0.16、0.14、0.11、0.10 kPa。图中压力下降的部分为每12小时排污消除部分浓差极化造成的。

从图4还可看出相对于絮凝剂投加量从20 mg/L提升到30 mg/L,投量从30 mg/L提升至40 mg/L对TMP增长延缓的提升效果要大大减弱,可以认为40 mg/L混凝剂已接近饱和甚至过量。在试验中,30 mg/L混凝剂投量是最佳投量。

(2)化学清洗情况

通常认为膜污染主要由4种原因引起：吸附、孔堵、浓差极化、滤饼层的形成和压缩[8]。由此可将膜污染阻力分为这4种不同的阻力,它们与膜自身阻力共同构成了过滤过程的总阻力。用达西定律式描述如下：

其中,Rt=Rm+Rf=Rm+Ra+Rb+Rc+Rcake

式中,A—膜面积,m2;V—透过液体积,m3;t—过滤时间,s;Δ P—跨膜压差,Pa;μ—料液粘度,Pa◦s; Rt—过滤过程某t时刻的总阻力,m-1;Rm—膜自身阻力;Rf—污染阻力;Ra—吸附阻力;Rb—孔堵阻力;Rc—浓差极化阻力;Rcake—滤饼层阻力。在试验中,药洗采用分步骤化学清洗,每个清洗步骤都单独记录跨膜压差。过程如下：

1)换掉膜池中的浓缩液为膜出水,消除浓差极化的影响;

2)人工洗除可见滤饼层与凝胶层,去掉滤饼层阻力;

3)pH≈2.5的盐酸溶液浸泡2h,此为酸洗阶段,主要去除无机离子如铁锰钙等金属的污染;

4)浓度为200 mg/L(以有效氯计)的次氯酸钠溶液浸泡4h,此为碱洗阶段,主要去除有机物造成的吸附污染。

试验化学清洗情况如图5所示。从图5中可以看出,四种工况中浓差极化的影响大体相同,都在10 kPa左右,而滤饼层阻力依次为16、11、8、6 kPa,说明随着混凝剂投量增大,滤饼层阻力中可逆部分的比重在增大,易于水力清洗去除。

各工况中酸洗阶段降低的阻力很小,说明直接投加混凝剂中的铝离子并没有对膜造成不可逆的污染,聚合氯化铝作为混凝剂适用于超滤膜工艺。碱洗阶段去除的阻力普遍大于酸洗阶段,说明造成膜污染的主要因素是有机物。

经过阶段化学清洗后,各膜基本恢复了最初的阻力,其中30mg/L与40mg/L工况完全恢复,说明该工况可以长期稳定的运行。

3 结论

1)在线混凝-超滤的组合工艺用于微污染水源水处理,可以大大缩短流程,从而增大组合工艺的实用性。

2)相对于直接超滤,在线混凝-超滤组合工艺可以较大程度地提高出水水质。

3)在线混凝-超滤组合工艺能够有效地控制TMP增长,延缓膜污染。该工艺运行稳定,经化学清洗后,TMP可以接近完全恢复。

4)在本试验的水质条件下,综合考虑出水水质,TMP增长和经济成本,最佳混凝剂投量为30 mg/L。

[1]李圭白,杨艳玲.第三代城市饮用水净化工艺-超滤为核心技术的组合工艺[J].给水排水,2007,33(4)：1-3.

[2]韩宏大,吕晓龙,陈杰.超滤膜技术在水厂中的应用[J].供水技术,2007,11(5)：14-16.

[3]董秉直,孙飞,闫昭晖,等.在线混凝-超滤联用工艺用于小城镇给水的应用研究[J].给水排水,2007, 33(12)：27-31.

[4]OH J I,LEE S H.Influence of streaming potential on flux decline of microfilt ration with in-line rapid pre-coagulation process for drinking water production[J].Journal of Membrane Science,2009,254(1/2)：39-47.

[5]GB 5749—2006,生活饮用水卫生标准[S].

[6]张景森,张静,张景广.邯郸东武仕水库表层水体多环芳烃的环境意义[J].河北工程大学学报(自然科学版),2010,27(2)：84-88.

[7]EATON A D.Measuring UV-absorbing organics：A standard method[J].AWWA,1995,87(2)：86-90.

[8]王湛.膜分离技术基础[M].北京：化学工业出版社, 2000.