长江原水混凝—超滤处理技术的试验研究

李伟英¹，谭章荣²，秦祖群²，尚亚波²，赵冀平²，董秉直¹，范瑾初¹，吴徐²
(1.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092 2.江苏镇江市自来水公司，镇江：212001)

　　摘 要：本研究对混凝—超滤联用技术处理长江地表原水进行了探讨。小试试验结果表明；混凝剂投加量为6mg/L时，浊度和细菌、大肠杆菌去除率分别为99.98％和100％： DOC、THMFP、UVx.~去除率高，膜通量最大，通量恢复情况最好。中试试验亦表明，采用合适的预处理工艺及运行参数，可有效地降低膜过滤阻力，系统运行7个月以来，膜压差低且出水水质优。
　　关键词：长江地表原水，混凝，超滤，膜压差，小试试验，中试试验

The Study of Coagulation-Ultrafiltration Treatment for the Yangtse River
Wei-ying Li¹, Zhang-rong Tan², Bing-zhi Dong¹, Ya-bo Shang²,
Zu-qun Qin² ,Ji-ping Zhao², Jin-chu Fan¹, Xu Wu²
( 1. State Key Laboratory of Pollution Control & Resource Reuse,Tongji University, Shanghai: 200092
2. Zhenjiang Municipal waterworks Co. Zhenjiang: 212001)

　　Abstracts: This experiment of the yangtse river by coagulation association with Ultmfiltration(UF) was evaluated. The small-scale results show: when coagulant dosage is 6mg/L, the removal efficiency of turbidity and bacteria、coliform was 99.9% and 100% ,respectively; dissolve organic matter(DOC), tfihalomethane formation potential (THMFP)、chemistry oxygen demand(COD), ultraviolet absorbance at 254 nm (UV₂₅₄) have been removed effectively. At the same time, the flux of membrane is big and its recovery capacity is better. The pilot test also indicates: UF with proper pretreatment and fit parameter can reduce 　resistance in membrane filtration. The pressure drop through membrane of UF system increases very slowly for running about 7 months, just from 0.02MPa to 0.034Mpa. During running, the system is stable and water quality is good.
　　Keywords: the yangtse fiver, coagulation, Ultrafiltration(UF), pressure drop through membrane, the small-scale, the pilot test

1 概述

　　人们赖以生存的饮用水源在世界范围内均受到了程度不一的多种污染源污染^[1]，严重降低了水资源的利用价值。由于传统处理工艺已经很难满足日益严格的饮用水水质要求，为确保人类生活健康和生产安全，迫切需要将新的处理工艺来补充甚至替代现有处理工艺。
　　膜分离的主要作用原理是以压力梯度为驱动力、利用特定膜的透过性能分离水中离子、分子和杂质而进行的滤膜机械筛分作用。原水净化采用膜分离技术是膜技术由化工领域向水处理技术发展的结果。在我国，膜技术用于饮用水处理工艺是近十年来最重要的技术突破，它被誉为21世纪水处理领域的关键技术，是替代传统处理工艺的最佳选择。

2 试验装置及其方法

　　混凝-超滤处理试验在镇江自来水公司金西水厂进行。试验由中试与小试两个部分组成，试验工艺流程见图1。

　　原水为长江镇江段地表水，试验期间原水水质见表1。混凝剂为聚合硫酸铁。试验采用日本东丽公司生产的中空纤维超滤膜，膜材质为PAN，截留分子量为100kDaltons，孔径0.01μm，过滤面积0.437m²，纯水通量106.2L/m²·h(0.05MPa，25℃)，过滤方式为终端过滤。

表1 试验原水水质 水质指标 水温
℃ 浊度
NTU COD_Mn
mg/L UV₂₅₄
cm^-1 DOC
mg/L PH THMFP
μg/L 平均值 30.6 88.49 1.76 0.036 2.88 7.29 79.64 最小值 28.5 55.13 1.20 0.025 1.34 6.52 48.49 最大值 33.5 352.52 2.40 0.054 4.84 7.65 114.50

　　试验过程中检测的指标包括：
　　THMFP的测定方法^[2]：按DOC:Cl₂=1：5的比例将次氯酸钠投加到水样中，然后用磷酸缓冲溶液调节PH至7。将水样充满管瓶后用内衬聚四氟乙烯的螺旋盖密闭，置于TF-A型恒温生化培养箱中，在25℃下反应7d后测定余氯在3～５mg/L，再投加过量的亚硫酸钠消氯，最后测定三氯甲烷。
　　TOC采用Phoennix 8000-UV persulfate TOC Anlyzer测定；UV₂₅₄代表在紫外光在波长254nm下的吸光度，比色皿光程长度为lcm，紫外分光光度计为UV751GD型紫外/可见分光光度计；COD_Mn采用标准方法测定；THMFP采用HP6890型气相色谱仪测定，附配HP7694顶空自动进样器；浊度采用HACH-2100N型浊度仪测定。

3 试验结果与分析

3.1小试试验
　　将不同剂量的聚合硫酸铁投加到原水中，通过搅拌机以r=300r/min转速快速搅拌30S，随后中速r=150～200r/min搅拌5min，经砂过滤后进入超滤膜，膜压差为0.03Mpa。
　　膜通量采用体积法测定。通量恢复率是指在每进行一个工艺之前，均测定清洗干净的膜纯水通量Q_i；当该工艺结束将膜清洗干净后再测定一个纯水通量Qi’，则通量恢复率λ=(Qi‘/Qi)*100。它可以作为膜在不同工艺下抗污染能力的一个判断指标。
　　通过烧杯搅拌试验确定出直接过滤系统的最佳加药量范围在8mg几左右。试验为得到本工艺的最佳加药量值，选择加药量在2-12mg/L之间进行相关试验和分析。
　　由图2知，先测膜的纯水通量为200.02L/m²·h；投入运行后，系统加药量为6mg/L时，膜过滤通量为200.0L/m²·h，将膜通过人工清洗后测纯水通量为201.5L/m²·h。此加药点膜出水通量最大，膜恢复率λ高达100.4%。

　　由图3知，原水中的浊度大部分在混凝砂滤过程中去除。经过超滤膜处理后，水的浊度维持在0.08NTU以下，系统加药量在8mg/L时，膜过滤水浊度在0.024NTU左右，浊度去除率为99.98%。
　　DOC代表水中溶解性有机化合物含量；腐殖质是天然水中存在的主要有机物，是产生色度的主要原因^[3]。而波长254nm的紫外线吸光度UV₂₅₄则代表水中腐殖酸等有机污染物浓度大小的表征值。由图4和图5可知，当加药量为6mg/L时，膜滤去赊有机物效率最高，膜滤水DOC为1.1429mg/L，去除率为14.39%，系统总去除率为34.87%。而UV₂₅₄则在加药量为6mg/L时，膜滤水为0.015/cm，但系统在加药量4mg/L时总去除率最高，达58.85%。
　　系统加药量在6mg/L时，砂滤与膜滤去除水中THMFP的效果最显著，去除率分别为25.16%和26.74%，系统总THMFP去除率达51.90%，见图6。去除水中COD_Mn的最佳加药量为6mg/L和8mg/L。在这两个加药量下，膜滤水COD_Mn分别为1.1mg/L和0.96mg/L，系统总去除率分别为59.15%和62.53%：见图7。
　　由此确定出本处理工艺最佳加药量为6mg/L。此时，水中杂质与混凝剂能有效地结成恰当尺寸的矾化絮体通过砂过滤后大部分被去除，膜能有效地截留砂滤后尚存在于水中的絮体且不被污染。
3.2中试试验
　　中试试验加药量采用由小试试验确定的最佳加药量6mg/L，工艺流程与小试相同，见图1。试验结果见图8～图12。

　　中试处理系统亦表现出高效去除浊度的能力，水中约98%左右的浊度由砂过滤去除，系统总浊度去除率接近100％，膜滤水浊度平均在0.05NTU左右，细菌、大肠杆菌去除率为100％，见图8。中试膜处理工艺对COD_Mn、DOC、UV₂₅₄的平均去除率分别为30%、50.8%、54.3%，与小试结论相似。见图9～11。
　　中试系统全自动化连续运行７个月以来，试验系统出水量为500m³/h，出水水质稳定。运行期间，除采用膜滤出水反洗膜组件外，没有采用化学药剂进行清洗。膜压差由初始的0.02MPa，增加至0.048MPa。见图12。此点说明膜系统运行阻力增加缓慢。

4 结论

　　混凝一超滤联用技术处理长江地表原水的小试试验结果表明：混凝剂投加量为6mg/L、膜压差为0.03Mpa时，细菌、大肠杆菌去除率为100%：浊度、DOC、THMFP、UV₂₅₄去除率高，膜通量最大，通量恢复情况最好。中试采用小试试验的相关参数，其结果与小试试验存在着很好的再现性和相似性，这也表明膜处理技术与合适的预处理工艺相结合可有效地降低膜过滤阻力。系统运行7
个月以来，膜压差低且出水水质优。

主要参考文献
　　[1]岳舜琳.城市供水水质问题.中国给水排水.1997.13(增刊)：35-38
　　[2]Standard Methods for the Examaination of Water And Wastewater,19th edition.Washongton:APHA,AWWA, and WEF,1995：5-53-5-56
　　[3]许保玖.给水处理理论.北京：中国建筑工业出版社.2000.1