曝气对一体式PAC/UF工艺的影响

邵森林，梁 恒，张建辉，陈 杰，李圭白

(1.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，150090哈尔滨;2.河北工程大学城市建设学院，056005河北邯郸;3.苏州立升净水科技有限公司，215152江苏苏州)

超滤(UF)膜技术作为饮用水处理的一个独立工艺，是水处理领域近20年来重要的技术突破，其出水水质优良，生物安全性高［1］.但是由于UF具有较高的截留分子量，不能有效去除色度、天然有机物(特别是小分子腐殖质)和一些人工合成有机物［2］.为了强化这些物质的去除，常常将粉末活性炭 (PAC)投加到UF系统中组成一体式PAC/UF工艺［3］.一体式PAC/UF工艺充分发挥了PAC吸附去除有机物的性能，还有效利用了超滤优良的固液分离能力，保障了生物安全性的同时，进一步提高工艺的化学安全性;同时水厂可根据进水有机污染程度来投加PAC，具有很强的灵活性［4］;PAC还可以一定程度减缓膜污染［5］.由于一体式PAC/UF工艺是将PAC直接投加于膜池，需要在膜过滤过程中曝气以防止PAC沉淀.曝气不仅可以防止PAC在膜池中沉淀，同时通过气泡在膜丝表面的振动和摩擦等作用，在膜丝表面产生剪切力并有效促使膜丝抖动，使得抽吸过程中形成的滤饼层松动脱落，从而抑制污染物在膜表面聚集，减缓膜污染［6］.但是曝气能耗巨大［7］.

目前国内对一体式PAC/UF工艺的研究主要集中于其对污染物的去除效果［8－9］和PAC对膜污染的影响［10］，未曾发现对工艺曝气方面的研究.本文先通过小试，研究曝气方式、曝气量等因素对工艺的影响，然后通过中试验证小试的结果，并进行经济性分析，以期为一体式PAC/UF工艺中曝气系统的设计和运行提供参考.

1 实验

1.1 实验装置

小试实验装置如图1所示，实验系统为两组膜系统平行运行.系统通过可编程控制器(PLC)自动控制运行.采用恒水位水箱控制膜池液位，在蠕动泵的抽吸作用下，水由膜丝外部进入膜丝内部，然后流入出水箱.反洗时，蠕动泵反转，出水箱的水由膜丝内部流向膜丝外部.通过空压机和曝气头可以对膜池曝气，防止PAC沉淀，并通过气泡擦洗抖动膜丝.

小试试验所用UF膜为外压式PVC中空纤维超滤膜(苏州立升净水科技有限公司提供)，膜组件自行制作，膜面积0.05m2，其标准孔径为0.01μm，截留分子质量5×104u.

小试采用死端过滤方式过滤，通量恒定为30L/(m2·h)，原水在膜池中的停留时间为12min.试验中过滤1h，气水反洗1min，反洗强度为60L/(m2·h).PAC一次性手动投加至膜池，每12h投加一次，投加PAC前将膜池排空.

1—原水水箱;2—恒水位水箱;3—膜池;4—膜组件;5—压力传感器;6—蠕动泵;7—空压机;8—气体流量计;9—曝气头;10—排水阀.

中试进水采用水厂的待滤水.膜材料同小试，总有效膜面积100 m2，膜系统运行工况同小试.PAC通过蠕动泵连续性投加到膜池，投加量为20 mg/L.

中试膜系统运行工况:通量30 L/(m2·h)，过滤1 h，气水反洗30 s，反洗强度70 L/(m2·h)，反洗曝气量为50 m3/(m2·h)(以膜组件底面积计算).回收率为95%，即每次反洗后排液0.15 m3.

1.2实验材料

实验在南方某水厂进行，实验期间小试和中试的进水水质如表1所示.

实验所用PAC为水厂自用活性炭，福建省龙福炭业有限公司生产，木质炭，碘吸附值为522mg/g，亚甲基蓝吸附值为108mg/g，水分8.51%，灰度2.34%.小试PAC投加前预过200目筛子，中试PAC投加前预过100目筛子.

表1 实验期间小试和中试进水水质

1.3 检测项目及分析方法

试验期间，每天检测1次膜进出水水质，检测项目包括水温、浊度、颗粒数、CODMn、UV254.

水温、CODMn等均按国家标准(GBT5750.1—2006)测定，浊度采用HACH－2100N浊度仪测定，UV254采用上海精科752N紫外可见分光光度计测定(除膜出水外测定前均先经0.45μm滤膜过滤)，颗粒数采用IBR便携式颗粒技术仪(型号:ZH－IBR－Z1).

试验过程中，中试系统自动检测并记录跨膜压(PTM).

2 结果与讨论

2.1 PAC的沉降性能

2.1.1 PAC质量浓度和浊度的关系

将PAC配置成50、100、150、200、250、300、350、400 mg/L的浑浊液，然后测其浊度.图2显示了PAC的质量浓度和浑浊液浊度之间的关系，可以看出PAC质量浓度和浑浊液浊度之间符合很好的线性关系(R2=0.995 6)，可以用浊度表征PAC的质量浓度.

2.1.2 PAC的静态沉降实验

将中试膜池排空，进水至水位2.4m.投加PAC使膜池内混合液PAC质量浓度为400mg/L.曝气，使PAC混合均匀，停止曝气.测量膜组件顶部(水位2.0m)不同时间点PAC混合液的浊度.图3为停止曝气后，膜组件顶部PAC质量浓度随时间变化.可以看出，在静置的前10min，PAC质量浓度迅速降低至初始质量浓度的1/3，之后PAC质量浓度缓慢下降，按初始质量浓度为400mg/L计算，此时膜组件顶部的PAC仍有100mg/L左右.

图2 PAC质量浓度与浊度的关系

从PAC的沉降曲线可以看出，只要保持一定的时间曝气一次就可以维持膜池PAC于一定的浓度，保证其吸附作用的发挥，即在PAC/UF工艺中可以采取间歇曝气防止PAC沉淀.试验中，间歇曝气取曝气1min，停止4min.

图3 膜组件顶部PAC质量浓度随时间变化

2.2 曝气方式对PAC/UF工艺的影响

2.2.1 曝气方式对有机物去除效果的影响

CODMn和UV254是衡量水中有机物的重要指标.图4、5为PAC投加量为40mg/L、曝气量为0.7L/min情况下，不同曝气方式对CODMn和UV254去除效果的比较.

在试验运行期间，进水CODMn和UV254平均为(0.94±0.07)mg/L和(0.020±0.020)cm-1.对于连续曝气，出水CODMn和UV254平均为(0.47±0.08)mg/L和(0.008±0.030)cm-1，对应平均去除率为(50±11)%和(60±15)%.对于间歇曝气，出水CODMn和UV254平均为(0.51±0.11)mg/L和(0.009±0.030)cm-1，对应平均去除率为(46±11)%和(55±15)%.

图4 不同曝气方式下CODMn去除效果比较

图5 不同嚗气方式下UV254去除效果比较

显然，连续曝气情况下工艺对有机物的去除效果要略好于间歇曝气，但是差别并不是特别明显.这是因为和连续曝气相比，间歇曝气会导致部分PAC沉淀，无法发挥吸附作用;同时，由于连续曝气充分搅动混合液使膜池中水与PAC更加充分地接触.因此，连续曝气工况下工艺对有机物的去除效果略好.

2.2.2 曝气方式对膜污染的影响

图6为不同PAC投加量(20和40mg/L)下连续曝气和间歇曝气PTM的变化情况.可以看出，在PAC投加量为20mg/L的情况下，曝气方式对PTM影响很大，间歇曝气时PTM增长明显快于连续曝气时.而在PAC投加量为40mg/L的情况下，曝气方式对PTM变化几乎没有影响，两条PTM变化曲线基本重合.这可能是由于PAC投加量为20mg/L时，膜池中PAC质量浓度不高，PAC的沉淀使膜池中PAC质量浓度进一步低，从而影响其减缓膜污染的作用;而PAC投加量为40mg/L时，由于膜池中PAC质量浓度很大，尽管有部分沉淀，膜池中未沉淀的PAC足以发挥其减缓膜污染的作用.

2.3 曝气量对膜污染的影响

图7为PAC投加量为20mg/L、连续曝气情况下，不同曝气量(0.40和0.8L/min)PTM的变化情况.可以看出，0.8L/min曝气量情况下PTM增长明显比0.4L/min曝气量情况下缓慢.在高曝气量情况下气泡的擦洗作用更加强烈，同时膜丝的抖动也更加剧烈，可以使滤饼层一定程度上脱落.同时，高曝气量情况下浓差极化也可以得到一定程度的抑制.所以，增大曝气量可以减缓膜污染.

图6 曝气方式对PTM的影响

2.4 中试验证性试验

从小试结果可以看出，连续曝气的出水水质略好，同时在低PAC投加量下，可以更好发挥PAC减缓膜污染的作用;增加曝气量也可以减缓膜污染.在小试研究结果的基础上，通过中试对小试的结果进行验证.连续曝气和间歇曝气均采用膜试验系统的设计曝气量:50m3/(m2·h)(以膜组件底面积计算).间歇曝气开/停时间为1min/4min.

图7 不同曝气量情况下PTM的变化

表2为连续曝气和间歇曝气情况下中试去除污染物效果比较.可以看出，PAC/UF对颗粒物有良好的去除效果，出水浊度小于0.05NTU，＞2μm颗粒数小于27个.不同的曝气方式对浊度的影响不大，连续曝气使出水颗粒数略有增加.

表2 不同曝气方式下中试去除污染物效果

对比表2中CODMn和UV254可以看出，连续曝气比间歇曝气对有机物处理效果好，但是差别不是太大，该结果和小试结果完全一致.

图8为连续曝气和间歇曝气情况下PTM的变化.可以看出，连续曝气情况下PTM增长明显慢于间歇曝气.这个结论与小试结果相符.

图8 中试连续曝气和间歇曝气下PTM的变化

2.5 经济评价

不同曝气方式下，运行成本主要区别于曝气能耗上.连续曝气和间歇曝气的抽吸和反洗能耗基本相同，都为0.146 kW·h/m3，但间歇曝气的曝气能耗只为0.044 kW·h/m3，占总能耗的23%;而连续曝气的曝气能耗为0.265 kW·h/m3，占总能耗的62%.间歇曝气比连续曝气可以节约能耗0.221 kW·h/m3.如按电价0.5元/(kW·h)计，间歇曝气可节约成本0.11元/m3.

相对于间歇曝气，连续曝气可以一定程度上减轻膜污染，同时连续曝气情况下PAC/UF工艺去除有机物效果略好.但间歇曝气可以节约成本0.11元/m3.综合考虑PAC/UF工艺膜污染、除污染效能和运行成本可以看出，对于PAC/UF工艺，间歇曝气更经济合理.

3 结论

1)采用浊度可以间接表征PAC质量浓度，只要保证一定的时间曝气1次，就可以维持膜池浓缩液中一定的PAC质量浓度.

2)相对于间歇曝气，连续曝气情况下PAC/UF去除CODMn和UV254的效率分别平均提高4%和5%;连续曝气会使出水颗粒数略微增加;在PAC投加量为20 mg/L的情况下，曝气方式对PTM影响很大，间歇曝气时PTM增长明显快于连续曝气时.而在PAC投加量为40 mg/L的情况下，曝气方式对PTM变化几乎没有影响.0.8 L/min曝气量情况下PTM增长明显比0.40 L/min曝气量情况下缓慢，增加曝气量也可以减缓膜污染.

3)与连续曝气相比，间歇曝气可以节约能耗0.221 kW·h/m3，节约成本约0.11元/m3.综合考虑PAC/UF工艺膜污染、除污染效能和运行成本，对于PAC/UF工艺，间歇曝气更合适.

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