PAC-UF工艺处理沉淀池出水试验

瞿芳术，梁 恒，2，王 辉，陈 杰，李圭白，2

(1.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨150090，qufangshu@163.com; 2.城市水资源开发利用(北方)国家工程研究中心，哈尔滨150090;3.苏州立升膜分离科技有限公司，苏州215152)

目前，我国大部分的饮用水处理工艺仍是传统的混凝、沉淀、过滤工艺.随着2006年新饮用水水质国标的推出，在地表水质没有根本性好转的情况，传统饮用水处理工艺很难实现出水水质完全达标.因此，大部分水厂在未来的几年都需要进行工艺改造，而以超滤为代表的膜分离工艺是水厂改造的理想选择［1］.超滤工艺在水处理中大规模应用的主要障碍在于膜污染和不能控制溶解性的有机物质.Sundaramootthy等［2］研究发现，不同形态的NOM对MF/UF膜污染会产生不同影响，胶体状有机物最容易产生不可逆污染.Lin等［3］还对腐殖酸的相对分子质量、亲水性的污染程度进行了分析，发现小分子物质中的亲水性部分所产生的影响更大.这些研究都表明单纯依靠膜截留作用处理沉淀池出水时膜污染风险很高，因为水源水经过混凝沉淀处理之后，水中大部分悬浮颗粒被去除，但是还残留大量胶体状和溶解性的有机物质，有必要采取投加粉末活性炭等措施.许多研究表明［4－9］，将PAC的吸附作用与UF的截留作用相结合可以提高超滤工艺的性能，减缓膜通量的下降速率，并有效控制出水中的溶解性有机物，减少水中消毒副产物的形成.

本试验以沉淀池出水为处理对象，研究了PAC－UF工艺控制水中颗粒状物质、有机污染物的能力和PAC对超滤膜污染控制的能力，并确定PAC－UF工艺处理沉淀池出水最佳的粉末活性炭投加量，为以超滤代替砂滤的传统工艺改造提供技术支持.

1 试验

1.1 原水水质

试验用水采用净水厂平流沉淀池出水，沉淀池出水水质详见表1.

表1 原水水质

1.2 试验装置和材料

试验装置见图1.试验中使用的膜组件是由海南立升公司提供的浸没式中空纤维膜组件，截留分子质量为100 ku，膜的材料为改性PVC.试验中使用的粉末活性炭是山东省莱阳市康德化工有限公司产的分析纯粉末活性炭.

图1 试验装置简图

1.3 试验方法

试验中，粉末活性炭溶液与净水厂的沉后水在混合池中混合，充分吸附后进入膜池，混合液在跨膜压力的作用下，清水经过膜组件进入清水池，膜组件的跨膜压差由产水泵吸水管的真空度来提供.试验中采用恒压方式运行，跨膜压力采用0.04 MPa.粉末活性炭投加采用湿投的方式，先配成一定质量浓度溶液，再由加药泵投加到混合池中.试验中对0，10，20，30，40，50 mg/L的粉末活性炭投量水平进行了研究，每次试验连续运行1 d，对前12个小时通量下降进行逐时监测.

1.4 分析方法

浊度采用哈希2100浊度仪测定;pH值采用HANNA pH211酸度计测定;TOC采用德国Liquid TOC仪测定;UV254采用北京普析通用仪器公司产的TU－1810紫外可见分光光度计测定;三氯甲烷用Angilent 6890气相色谱仪测定，前处理采用美国OI分析仪器公司的吹扫捕集样品浓缩仪E-clipse 4660;三氯甲烷生成势测定采用五日氧化法，余氯量控制在 5 mg/L以上，培养温度在(25±2)℃［10］.

2 结果与分析

2.1 PAC－UF对浊度的控制

由图2可知，浸没式膜组件直接超滤沉淀池出水，可以将出水的浊度控制在0.16 NTU，去除率为88%;投加粉末活性炭10～50 mg/L以后，出水的浊度都在0.1 NTU以下，去除率在95%左右，说明在膜池中投加粉末活性炭以后，活性炭的吸附作用和粉末炭形成的泥饼层的截留作用能够增强PAC－UF对浊度的控制.水厂出水的浊度在0.4 NTU左右，可以看出PAC－UF工艺代替传统砂滤池可以很大程度地提高工艺对水中颗粒及胶体物质的去除.

图2 粉末炭投量对PAC－UF工艺控制浊度的影响

2.2 PAC－UF对有机物的控制

由图3可知，超滤膜直接处理沉淀池出水，CODMn、UV254和 TOC的去除率分别为16.7%，11.0%和18.5%，这说明沉淀池出水还具有部分颗粒状胶体状的有机物，能够通过超滤膜实现分离，但去除的量有限.从粉末活性炭投加量对CODMn和TOC的去除率影响曲线可以看出，粉末活性炭投量从10 mg/L增加到50 mg/L，CODMn和TOC的去除率仅增加20个百分点，这说明粉末活性炭投加量增加对水中有机污染物去除的影响不大，其原因可能在于连续投加方式不能充分利用粉末活性炭的吸附性能，需要进一步考虑粉末活性炭回流或者增加接触时间等措施来解决.从UV254去除率曲线可知，粉末活性炭的投加对UV254指代的不饱和有机物的去除效果非常明显.粉末活性炭投加量增加对水中有机物3个替代指标的去除率影响差异很大，仅对UV254去除水平影响明显，可能有两点原因:第一，UV254指代的有机物相对分子质量范围在粉末活性炭能高效吸附的相对分子质量范围内;第二，UV254指代的有机物在试验用水的有机物中占的比重小.从总体上看，PAC－UF工艺处理沉淀池出水时，粉末活性炭的最佳投加量为20～30 mg/L，投量为20 mg/L时，CODMn、UV254和 TOC的去除率分别为27.2%，38.5%和30.7%.

图3 粉末活性炭投量对PAC－UF控制水中有机污染物的影响

2.3 PAC－UF对三氯甲烷生成势的控制

饮用水消毒后产生三氯甲烷等消毒副产物一直是饮用水预氯化处理和液氯消毒中存在的一个问题，也是传统水处理工艺不可避免的问题之一.由图4可知，沉淀池水经过超滤后，三氯甲烷的生成势仅降低5.5%，说明超滤膜对三氯甲烷前驱物质的去除能力非常有限.在投加粉末活性炭以后，三氯甲烷生成势大幅度降低，投量为10 mg/L时，去除率为16.5%，当粉末活性炭投加量增至50 mg/L时，三氯甲烷生成势的去除率达到38.1%，从整体上看，粉末活性炭最佳投量在20～30 mg/L，三氯甲烷生成势的去除率在23.9%～31.4%.

图4 粉末活性炭投加量对三氯甲烷生成势去除的影响

2.4 PAC对超滤膜污染的控制

膜污染是超滤工艺应用的障碍之一.超滤膜污染的方式主要有3种［11－12］:小分子在膜空内吸附引起的膜孔窄化;膜表面的膜孔堵塞;被膜截留的物质在膜表面形成滤饼层.将粉末活性炭和超滤膜联合使用，目的就在于利用粉末活性炭吸附溶解性有机物质减少膜孔窄化和膜表面的膜孔堵塞，减少不可逆污染的形成，同时在膜表面形成以粉末活性炭颗粒为主的滤饼层，阻止有机污染与膜表面的接触.

由图5可知，超滤膜起始通量随着粉末活性炭投量的增加而降低，但增幅逐渐减小，这是因为在膜池中投加粉末活性炭之后，粉末活性炭迅速在膜表面形成滤饼层，从而增加膜阻力降低膜通量.试验期间，监测了PAC－UF工艺运行前12个小时通量的下降，发现通量下降基本上可以分为3个阶段:快速下降阶段，在装置运行的前1 h，膜污染以膜孔窄化和膜表面的膜孔堵塞为特征;缓慢下降阶段，在运行的1～4 h，膜污染以滤饼层变厚和变得密实为特征;稳定阶段，在4 h之后，以膜污染增加非常缓慢、通量稳定为特征.

当超滤膜直接处理沉淀池出水时，通量下降非常快，在第一阶段，小分子有机物在膜空内吸附造成膜孔窄化，同时胶体物质可能在膜表面堵塞膜孔，因此膜通量迅速下降;在第二阶段，胶体和颗粒物质在膜表面逐渐形成密实的泥饼层，使得膜通量继续下降;在第三阶段，由于泥饼层截留了大量的杂质，降低了膜表面的污染负荷，使得膜通量下降非常缓慢，进入稳定阶段.在膜池中投加粉末活性炭之后，膜通量下降的规律同沉后水直接超滤类似，但是通量下降的程度比直接超滤小，在第一阶段，由于粉末活性炭吸附了水中许多有机物分子，使得膜孔窄化现象缓和，另外粉末活性炭颗粒迅速在膜表面形成以粉末活性炭颗粒为主的滤饼层，阻止胶体和微小颗粒物质与膜表面接触，减少了膜孔堵塞的现象;在第二阶段，膜表面的粉末活性炭滤饼层随着处理水量的增加而加厚，同时大量水中的杂质在粉末活性炭滤饼层上截留，使得滤饼层变厚、膜阻力增加，因而通量还会缓慢下降;第三阶段，超滤膜纤维丝表面的泥饼层将不再增厚，原因在于泥饼层表面的粉末活性炭颗粒会在重力的作用下，脱落并沉至膜池的底部，只有部分微小颗粒物质和小分子物质会进入泥饼层，使泥饼层更为密实，因此，在稳定阶段，通量仅有微小的下降.

图5 粉末活性炭投量对通量下降的影响

综上可知，PAC投加确实能降低膜污染，减少膜通量降低的程度，投量越大，效果越明显;而且投加粉末活性炭后引起的膜污染可能是以粉末活性炭滤饼层为主的可逆污染，可通过水力反冲洗解决.有关长期运行中粉末活性炭对膜污染的具体影响后期将进一步论证.

3 结论

1)PAC－UF工艺处理沉淀出水，能够将出水浊度控制在0.10 NTU以下，对水中颗粒物质的去除率达到95%以上;PAC的吸附作用和超滤膜截留作用的联合能够有效去除沉淀池出水中的有机物质，粉末活性炭的最佳投量在20～30 mg/L，投量为 20 mg/L时，CODMn、UV254和TOC的去除率分别为27.2%，38.5%和30.7%.

2)PAC－UF工艺能够有效降低三氯甲烷的生成势，当粉末炭投加量为20～30 mg/L时，三氯甲烷生成势降低23.9%～31.4%.

3)PAC的投加能够有效降低超滤膜污染，而且形成以粉末活性炭颗粒泥饼层为主的可逆污染，可以通过简单的水力反冲洗实现通量恢复.

［1］李圭白，杨艳玲.超滤:第三代城市饮用水净化工艺的核心［J］.供水技术，2007，1(1):1－3.

［2］SUNDARAMOORTHY K，BRUGGER A，PANGLISCH S，et al.Studies on the minimisation of NOM fouling of MF/UF membranee with the help of a submerged“single”capillary membrane apparatus［J］.Desalination，2005，179:1－3.

［3］LIN C F，LIN T Y，HAO O J.Effects of humic substance characteristics on UF performance［J］.Wat Res，2000，34(4):1097－1106.

［4］董秉直，曹达文，范瑾初.粉末活性炭－超滤膜处理黄浦江原水的研究［J］.上海环境科学，2003，22 (11):731－733.

［5］郝爱玲，陈永玲，顾平.微污染水处理中投加粉末活性炭缓解膜污染的机理研究［J］.膜科学与技术，2007，27(1):35－40.

［6］SAGBO O，SUN Yaxi，HAO Ailing，et al.Effect of PAC addition on MBR process for drinking water treatment［J］.Separation and Purification Technology，2008 (58):320－327.

［7］CHANG S，WAITE T D，FANE A G.A simplified model for trace organics removal by continuous flow PAC adsorption/submerged membrane process［J］.Journal of Membrane Science，2005(253):81－87.

［8］MOZIA S，TOMASZEWSKA M.Treatment of suiface water using hybrid processes adsorption on PAC and ultrafiltration［J］.Desalination，2004(162):23－31.

［9］GAI Xiangjuan，KIM Hanseung.The role of powdered activated carbon in enhancing the performance of membrane systems for water treatment［J］.Desalination，2008，225:288－300.

［10］林细萍，卢益新，张德明，等.THMFP及HAAFP的测定方法［J］.中国给排水，2003，19(10):98－100.

［11］王北福，于水利，镇祥华，等.超滤处理含聚污水过程中通量衰减机理的研究［J］.环境科学学报，2007，27(4):568－574.

［12］MATSUI Y，YUASA A，ARIGA K.Removal of a synthetic organic chemical by PAC－UF system——Ⅰ: Theory and modeling［J］.Wat Res，2001，35(2):455－463.