超滤膜直接过滤处理低温低浊水的试验

傅金祥，卢善文，曲 明，郜玉楠

(1. 沈阳建筑大学，辽宁沈阳 110168;2. 抚顺市热力公司，辽宁抚顺 113000)

低温低浊水因其温度低(0 ～4 ℃)、浊度低、水的黏度大等特点成为水处理领域中研究的重点和难点之一［1，2］。冬季北方地区水厂通常采用增加混凝剂投加量和投加高分子助凝剂的方式来改善混凝效果，但处理效果并不明显。超滤膜几乎能将细菌、病毒、两虫及水生生物全部去除;处理系统占地面积小，运行维护简单，容易实现自动化，是提高水厂出水水质和微生物安全性最有效的技术［3-5］。

本文采用内压式中空纤维超滤膜直接过滤处理低温低浊期的大伙房水库水，考察超滤膜在低温期对污染物的去除效果;研究了影响超滤膜污染的各种因素，探讨将超滤膜系统用于处理低温低浊水的可能性。

1 试验装置与方法

1.1 工艺流程

中试采用中国海南立升公司生产的型号为LH3-1060-V 的内压式超滤膜组件，膜材料为聚氯乙烯(PVC)，膜面积为40 m2，膜孔径为0.01 μm，膜丝内/外径为1.0/1.6 mm，截留分子量为50 000 Da，最高工作温度为40 ℃，处理能力为2 ～3 m3/h，过滤方式为全量过滤，工艺流程如图1 所示。

超滤膜组件在水厂厂房内安装调试。试验期间，厂房内的温度维持在5 ℃左右，超滤膜进水温度为2.5 ～6 ℃。整套装置由PLC 自动控制运行，原水经过提升泵提升后进入原水箱，经增压泵增压后，通过SPFZ-L 型刷式自清洗过滤器去除原水中的大颗粒物，再进入超滤膜组件，原水中的污染物质被超滤膜截留，净水则从膜壁四周渗出并汇集成为产水，进入产水箱。为缓解膜污染，维持超滤膜的产水稳定性，在设备运行的过程中需定时对超滤膜进行冲洗。反洗水为贮存在产水箱中的滤后水。膜清洗过程为正冲-下反冲-上反冲-正冲。

图1 工艺流程Fig.1 Flow Chart of Treatment Process

1.2 原水水质

试验原水取自大伙房水库水［6-8］。试验于2013年1 月上旬运行至4 月下旬，处在低温期。试验期间，主要水质指标如表1 所示。

表1 原水水质Tab.1 Quality of Raw Water

1.3 水质分析项目及方法

温度:玻璃温度计;pH:便携式pH 计;浊度:台式浊度仪;细菌总数:平板计数法;CODMn:酸性高锰酸钾法;UV254:紫外分光光度计，水样在测定前用0.45 μm 的滤膜过滤。

2 试验结果与分析

2.1 直接超滤对水中污染物的去除

2.1.1 浊度的去除效果

浊度主要是由水中的悬浮颗粒、微生物和胶体物质等引起。浊度是饮用水中最重要、最直接和影响最显著的指标之一。现行常规给水处理流程以去除原水的浊度为主要目标，大多数水厂也都采用浊度作为监测指标来控制水厂水质。

原水直接过滤对浊度的去除效果如图2 所示。

图2 浊度的去除效果Fig.2 Removal Effect of Turbidity

由图2 可知在低温低浊期(原水浊度为0.496 ～0.819 NTU)，超滤膜直接过滤原水的出水浊度恒低于0.1 NTU，平均值为0.062 NTU，去除率达到了90%以上，去除效果非常好，表现出良好的稳定性。值得一提的是，作为浊度的胶体本身不仅是污染物，而且是水中细菌、病毒等微生物的重要载体［9］。超滤膜对水中浊度优异的去除效果同样可以表明其对于水中细菌、病毒的去除能力。细菌总数的检测结果如表2 所示。

表2 细菌总数的检测结果Tab.2 Test Results of Total Bacteria

由表2 可知超滤膜出水的细菌总数均小于4 CFU/mL，结果均低于《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)中规定的限值。中试采用的超滤膜孔径为0.01 μm，理论上可以截留全部细菌，但从超滤的出水中仍然能检测到微生物的存在，这可能是由于部分膜丝的破损以及微生物在不同生长阶段体积大小不同等引起的。

2.1.2 COD 的去除效果分析

原水直接过滤对COD 的去除效果如图3 所示。

由图3 可知超滤膜进水的CODMn均值为3.59 mg/L，直接超滤出水 CODMn平均值为2.97 mg/L，平均去除率为17%，直接超滤对原水中COD 的去除率较低，并且随着原水水质的变化，去除率也随之变化。这是由于超滤膜的孔径较大，截留分子量也较大，而低温低浊水中的杂质是以细小的胶体分散体系溶于水中，因此导致对原水中的有机物较低的去除率。

图3 COD 的去除效果Fig.3 Removal Effect of COD

2.1.3 UV254的去除效果

UV254是衡量水中有机物指标的一项重要控制参数。其作为反映一类有机物的替代参数的测定具有操作简单、仪器低廉、试验操作成本低、精度较高、数据重现性好等优点［10］。它除了与难挥发性总有机碳、溶解性有机碳存在良好的关系外，与色度、天然有机物以及消毒副产物生成势等控制指标也具有很好的相关性。

直接超滤对原水UV254的去除效果如图4所示。

图4 UV254的去除效果Fig.4 Removal Effect of UV254

由图4 可知在试验的原水水质条件下，超滤膜直接对UV254的去除效果并不是很好，并且随着原水UV254的变化而呈现出不稳定的趋势，平均去除率仅为14%。直接超滤对UV254的去除能力较低的主要原因是UV254表征的是水中天然有机物的含量，其分子量主要分布在500 ～2 000 Da［11，12］，而中试采用的超滤膜的截留分子量为50 000 Da。

2.2 膜污染的影响因素分析

2.2.1 操作方式的影响

超滤膜在过滤过程中，由于原水中的污染物不断地黏附在膜表面或堵塞膜孔，进而产生膜污染。膜污染［13-15］会增加制水成本，降低膜的使用寿命。膜污染的主要表征是跨膜压差(TMP)的上升，本文通过研究跨膜压差的变化确定最佳的系统运行参数。

2.2.1.1 处理水量的影响

较高的处理水量能够提高产水率和经济效益，但同时也意味着超滤膜截留的污染物越多，长期高负荷运行容易使膜组件产生不可逆污染，增加清洗难度，亦会提高制水成本。

中试分别采用2、2.5、3 m3/h 的处理水量进行试验，累计产水200 m3，不进行膜前预处理，结果如图5 所示。

图5 处理水量对膜污染的影响Fig.5 Impact of Treatment Water Yield on Membrane Fouling

由图5 可知采用2 m3/h 运行，累计产水200 m3时，TMP 增加了3 kPa，经过常规水力清洗(物理清洗)后，超滤膜系统能够连续稳定运行120 h 以上;采用2. 5 m3/h，累计产水200 m3时，TMP 增加了11 kPa，TMP 增加较快，污染物截留较多，常规水力清洗后TMP 能够接近初始状态，但还是有所增长，说明已经产生了不可逆污染;当采用3 m3/h 运行，累计产水200 m3时，TMP 增加了23 kPa，TMP 增加很快，不可逆污染增长迅速，必须利用低浓度的酸或碱对膜组件进行维护性清洗才能使其恢复到初始状态。因此，根据TMP 的增加情况，可以认为超滤膜系统能稳定运行的处理水量为2 m3/h。

2.2.1.2 过滤周期的影响

过滤周期越长，反冲洗间隔时间就越长，反洗水量就越小，产水率就越高，但是无限制地延长过滤周期势必会造成膜的不可逆污染;而过滤周期太短，虽然能减少膜污染，但会浪费大量的反洗水。所以，过滤周期的长短应从减少膜污染和经济因素两方面考虑。

中试处理水量为2.0 m3/h，分别采用20、30、40、50、60 min 进行了试验。由图6 可知在不进行任何预处理的情况下，膜组件在处理相同水量时，过滤周期越长，TMP 增加越快。当过滤周期为20 和30 min时，TMP 增加缓慢，累计产水200 m3时分别增加了2 和3 kPa，说明在过滤过程中所产生的污染绝大部分为可逆污染;当过滤周期为40 min 时，TMP增加较快，累计产水200 m3时，TMP 增加了6 kPa，增长较快，污染物积累较多;当过滤周期为50 和60 min时，TMP 增加很快，累计产水200 m3时，TMP分别增加了11 和12 kPa，说明在长时间的过滤过程中，污染物积累比较严重，产生了不可逆污染。从缓解膜污染的角度，过滤周期为20 和30 min 较适合，但为了保持较高的产水率，认为过滤周期为30 min比较合适。

图6 过滤周期对膜污染的影响Fig.6 Impact of Filtration Cycle on Membrane Fouling

2.2.1.3 反冲洗时间的影响

超滤膜在经过一个周期的净水过程后，在膜表面和膜孔内侧都会产生污染，污染物质会随着时间的延长不断积累，导致TMP 的增加。因此在膜组件运行一个周期之后需要对其进行水力清洗。

超滤膜的基本水力冲洗方式有两种:正冲和反冲。正冲是利用水流快速冲洗膜表面，把沉积在膜表面的污染物冲洗掉;反冲是利用超滤膜的产水从膜的产水侧进水，可以冲掉膜孔内的污染物，对膜表面污染物的去除也有一定效果。单独采用正冲或是反冲都不能达到最佳的清洗效果，因此试验采取正冲和反冲组合的方式。反洗步骤为正冲-上反冲-下反冲-正冲。

在工程上，为保证较高的产水率，总清洗时间通常不超过1 min。中试共采取了以下几种工况:(1)正冲15 s，上、下反冲10 s;(2)正冲10 s，上、下反冲15 s;(3)正冲10 s，上、下反冲20 s;(4)正冲10 s，上、下反冲10 s;(5)正冲20 s，上、下反冲20 s。具体结果如图7 所示。

图7 反洗方式对膜污染的影响Fig.7 Impact of Backwashing Way on Membrane Fouling

由图7 可知在处理水量为2 m3/h，反冲洗周期为30 min 的条件下，累计产水200 m3时，几种工况下TMP 的变化是很明显的。无论降低正冲还是上、下反冲的时间，都会引起TMP 相对较快地增加。工况2 和工况5 的反洗效果相对较好，在经历反洗之后TMP 基本能够恢复到上个周期的初始值。但工况5 的冲洗时间相对较长，冲洗水量较大，不够经济，因此工况2 比较理想。

2.2.1.4 反冲洗强度的影响

中试设定超滤膜的处理水量为2 m3/h，反冲洗周期为30 min，反冲洗历时1 min。采取以下几种工况考察反冲洗强度对TMP 的影响。(1)正冲18.5 m3/h，下反冲10 m3/h，上反冲8 m3/h，正冲29 m3/h;(2)正冲17 m3/h，下反冲10 m3/h，上反冲8 m3/h，正冲27.5 m3/h;(3)正冲18.5 m3/h，下反冲8.5 m3/h，上反冲7 m3/h，正冲29 m3/h。冲洗强度通过安装在膜组件管道上的阀门手动调节，调节范围为7 ～10 m3/h。具体结果如图8 所示。

图8 反冲洗强度对膜污染的影响Fig.8 Impact of Backwashing Intensity on Membrane Fouling

由图8 可知水力反冲洗强度越大，TMP 增加越缓慢，反冲洗效果越好。这是由于反冲洗强度越大，对沉积在膜表面和膜孔内部的污染物的冲击强度就越大，清洗就越彻底。从缓解膜污染的角度看，工况1 的效果最好。

2.2.2 低温的影响

试验期间的原水温度为2.5 ～6 ℃，为了考察不同的温度对膜污染的影响，在其他操作方式不变的情况下分别在2.5、3. 5、4 和6 ℃进行试验，记录TMP 的增加情况，最后进行比较。

中试设定超滤膜的处理水量为2 m3/h，反冲洗周期为30 min，反冲洗历时1 min。图9 为不同温度下超滤膜累计产水量为200 m3时TMP 的变化情况。

图9 低温对膜污染的影响Fig.9 Impact of Low Temperature on Membrane Fouling

由图9 可知当温度分别为2.5、3.5、4 和6 ℃时，TMP 分别增加了10、9、9 和8 kPa。随着水温的升高，在各个工况都相同的情况下，TMP 的增加幅度呈减小趋势。这是因为随着进水温度的升高，PVC 中空纤维超滤膜的膜丝孔径会变大，膜通量升高，减轻污染物在膜孔内部的沉积。

3 结论

(1)超滤膜直接过滤低温低浊原水对浊度的去除效果非常好，无论进水浊度大小，出水浊度都能达到0.1 NTU 以下，完全满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的限值要求。

(2)超滤膜直接过滤低温低浊原水对有机物的去除效果不好，COD 和UV254的平均去除率分别为17%和14%。

(3)处理水量越低，过滤周期越短，反洗强度越大，TMP 增加越缓慢，越有助于缓解膜污染，使超滤膜系统能够长时间稳定运行。从TMP 的变化趋势、有机物的去除效果以及经济因素综合考虑，超滤膜直接过滤低温低浊期原水的最佳工艺组合参数:处理水量为2 m3/h，过滤周期为30 min，反洗时间为1 min(正冲10 s，上、下反冲15 s)，反冲洗强度为正冲18.5 t/h，下反冲10 t/h，上反冲8 t/h，正冲29 t/h。

(4)低温导致TMP 增加较快，不利于超滤膜系统连续稳定运行。

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