莫罹，黃霞
(清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，北京100084)

　　摘　要：采用0.1 μm的微濾膜處理微污染原水，出水濁度＜1 NTU，對高錳酸鹽指數(shù)(OC)的去除 率為20%左右，運(yùn)行穩(wěn)定后對UV₂₅₄去除率＞40%。通過考察膜過濾阻力在膜抽—停周期內(nèi)的變化來選擇充分的曝氣時(shí)間。在連續(xù)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，膜過濾性能由于膜的污染而 先有一快速降低段，之后隨時(shí)間增加緩慢下降。通過對膜的清洗的長期運(yùn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，曝氣 清洗不能完全清除膜污染，而用次氯酸鈉和鹽酸清洗則較為有效。
　　關(guān)鍵詞：微濾膜；微污染原水；膜污染；清洗
　　中圖分類號：X505
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)04-0040-04

1　試驗(yàn)裝置與方法

1.1試驗(yàn)流程
　　試驗(yàn)流程見圖1。?

　　微濾膜采用日本三菱公司生產(chǎn)的聚乙烯中空纖維膜，孔徑為0.1μm，膜絲內(nèi)徑為0.27 mm，外徑為0.42 mm，膜面積為1m²，直接置入過濾水槽中。膜組件下設(shè)有曝氣管。
　　原水被泵入過濾水槽后，在抽吸泵的作用下經(jīng)膜過濾后出水。膜組件采用間歇運(yùn)行(抽吸30 min，然后停抽幾分鐘)方式。曝氣系統(tǒng)在膜抽吸期間停止運(yùn)行，而在膜停抽期間啟動(dòng)以清除抽吸階段膜表面形成的沉積物。為保持過濾水槽內(nèi)的水位恒定，采用HP75000工控機(jī)根據(jù)水槽內(nèi)的液位控制進(jìn)水泵的開停。試驗(yàn)裝置處理能力約為0.5 m³/d。
1.2　原水水質(zhì)
　　原水取自清華大學(xué)校內(nèi)河水，用自來水稀釋使之在一般微污染原水水質(zhì)范圍內(nèi)［高錳酸鹽指數(shù)(OC)為2～7 mg/L，濁度＜6 NTU］。試驗(yàn)期間原水水質(zhì)如表1所示。

表1　原水水質(zhì)? 水質(zhì)指標(biāo) 水溫(℃) 濁度(NTU) OC(mg/L) UV₂₅₄(cm^-1) pH 平均值 23.9 3.18 4.87 0.018 7.60 波動(dòng)范圍 22.3～25.0 1.78～?5.72 3.07～6.65 0.013～0. 025 7.22～8.00

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　對濁度的去除
　　 采用微濾膜直接過濾對濁度的去除效果見圖2。

　　 從圖2可以看到，盡管進(jìn)水濁度波動(dòng)較大，但膜出水濁度＜1 NTU，對濁度的去除率＞90%。 ?
2.2　對有機(jī)物的去除?
　　有研究表明，天然水體中的溶解性有機(jī)物主要由腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)、多糖等組成，其中以腐殖 質(zhì)為主(約占50%)^［1］。典型的腐殖質(zhì)在化學(xué)結(jié)構(gòu)上多含有苯環(huán)、羧基、醇羥基、酚羥基，而含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)或者含共軛雙鍵的不飽和有機(jī)化合物在紫外范圍有吸收，因此紫外光在254 nm波長處的吸光度常用來間接地表示水中以腐殖質(zhì)為主的溶解性有機(jī)物含量。 ?
　　微濾對原水OC和UV₂₅₄的去除效果見圖3、4。?

　　從圖3、4可以看出，微濾膜對OC的去除率為3%～35%(平均為21%)。待膜過濾操 作達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，微濾對UV₂₅₄的去除率為40%～53%(平均為46%)。據(jù)報(bào)道，超濾和微濾對有機(jī)物的去除率一般在20%以下，這與筆者的研究結(jié)果基本吻合。在裝置運(yùn)行100 h期間，發(fā)現(xiàn)初期微濾膜對UV₂₅₄的去除率幾乎為零，但隨運(yùn)行時(shí)間的增加其去除率逐漸增大并趨于穩(wěn)定。
　　由上述結(jié)果可知，微濾膜直接過濾微污染原水能有效地去除濁度，但對有機(jī)物的去除效率不高，因此對于有機(jī)污染較為嚴(yán)重的水體僅采用微濾膜直接過濾去除有機(jī)污染物是不夠的，必須考慮與其他工藝組合使用。
2.3　膜過濾性能的變化
　?、龠^濾性能的表征
　　衡量膜過濾阻力的變化，一般可采用恒定膜通量考察膜過濾壓力在過濾過程中的變化或采用 恒定膜過濾壓力考察膜通量的變化。在試驗(yàn)中由于過濾壓力和膜通量都在變化，上述兩種方 法均難以應(yīng)用。因膜過濾阻力與ΔP/J(ΔP為膜抽吸壓力，J為膜通量)成 正比，而ΔP/J的變化反映了膜過濾阻力R的變化，且用J/ΔP表示膜 過濾性能更直觀(該值越大，膜的過濾性能越好；反之亦然)。因此試驗(yàn)中采用J/ΔP作為膜過濾性能的表征指標(biāo)。
　?、谕３闀r(shí)間對膜過濾性能的影響
　　試驗(yàn)中膜組件以間歇運(yùn)行方式清除抽吸段逐漸形成的膜表面沉積物。為考察停抽(即曝氣時(shí)間)對膜過濾性能的影響，曝氣時(shí)間改變?yōu)?、3和5 min，膜過濾阻力在一個(gè)抽—停周期 內(nèi)的變化結(jié)果如圖5所示。在試驗(yàn)中選擇膜通量為20L/(m²·h)，抽吸段時(shí)間為30 min。
　　圖5的縱坐標(biāo)為某時(shí)刻的膜過濾阻力R與該抽—停周期初始膜過濾阻力R0的比值。由于試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)是以等間隔時(shí)間來測定的，因此在抽吸30 min處沒有直接的測 定數(shù)據(jù)，圖中該處數(shù)據(jù)是由抽吸段膜阻力的上升趨勢外推得到的。

　　從圖5可見，在抽吸段隨運(yùn)行時(shí)間的延長膜過濾阻力增加，在抽吸段結(jié)束時(shí)膜過濾阻力約增加了50%；進(jìn)入停抽曝氣段，曝氣1 min膜過濾阻力就下降了很多(約為初始膜過濾阻力的1.1倍)，膜過濾性能得到很大程度的恢復(fù)；延長曝氣時(shí)間可使膜過濾性能進(jìn)一步恢復(fù)，當(dāng)曝氣達(dá)到5min時(shí)膜過濾阻力已經(jīng)與膜初始過濾阻力相差很小。據(jù)此可以認(rèn)為在抽吸段形成的膜表面沉積物可以通過曝氣來清除，曝氣5 min足可以使膜的過濾性能基本恢復(fù)。為此在以下試驗(yàn)中，膜的過濾操作采用30 min抽吸、5min停抽曝氣的模式。
　?、圻B續(xù)運(yùn)行條件下膜過濾性能的變化
　　以30 min抽吸、5 min停抽并曝氣的方式連續(xù)運(yùn)行，扣除中途由于設(shè)備關(guān)系暫時(shí)停止運(yùn)行的時(shí)間(兩周以上)，考察了其間膜過濾性能的變化。?
　　在連續(xù)運(yùn)行過程中需要考慮水溫波動(dòng)對試驗(yàn)結(jié)果的影響。有研究表明，水溫的升高有利于膜的過濾分離，溫度升高1 ℃可引起膜通量增大2%^［2］。為消除由于溫度變化而非膜污染帶來的影響，在該試驗(yàn)中將膜通量轉(zhuǎn)換成20 ℃下的通量值^［3］。
　　連續(xù)運(yùn)行條件下膜過濾性能的變化如圖6所示，用通量/壓力(J/ΔP)來表征膜過濾性能的變化。

　　從圖6可見，在連續(xù)運(yùn)行條件下膜過濾性能的變化分為兩個(gè)階段：前50h內(nèi)膜過濾性能隨時(shí)間下降很快(表現(xiàn)為膜通量變化不大)，主要是過濾壓力不斷增加導(dǎo)致J/ΔP迅速下降；之后膜過濾性能下降緩慢。有研究發(fā)現(xiàn)，在過濾初期膜即會受到污染，而為保持穩(wěn)定的膜通量，膜的過濾壓力會有一迅速增加的階段，這一階段的膜污染主要是膜孔被小分子物質(zhì)阻塞所致^［4］。這個(gè)過程可描述為：抽濾開始，小分子物質(zhì)主要受到兩種力的作用，一是由膜表面向膜孔內(nèi)的抽吸力；二是由膜表面向主流側(cè)的Brownian擴(kuò)散^［4］。抽吸剛開始時(shí)抽吸力較擴(kuò)散作用大，小分子物質(zhì)向膜孔運(yùn)動(dòng)，一方面造成 膜孔阻塞逐步加重，使得膜過濾阻力增加，粒子所受的抽吸作用力減小；另一方面使小分子 物質(zhì)在膜表面的濃度升高，由膜面向主流方向的擴(kuò)散作用增強(qiáng)。經(jīng)歷了兩個(gè)作用力變化的動(dòng)態(tài)過程之后，兩個(gè)作用力達(dá)到平衡，形成了較為穩(wěn)定的膜污染層，即進(jìn)入膜污染緩慢增長階段。在這一階段，過濾性能隨時(shí)間緩慢下降。?
　　參考圖4可以看到對UV₂₅₄的去除效果也有類似的變化趨勢。運(yùn)行24 h時(shí)對UV₂₅₄的去除幾乎為0；運(yùn)行48h后，去除率增加到4%；而在以后的運(yùn)行期間對UV₂₅₄的去除率基本保持在40%～50%左右?？梢酝茰y，在膜初始運(yùn)行階段膜面較為清潔，其對溶解性小分子污染物質(zhì)的去除非常少，而隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，由于污染物在膜面上的積累和對膜孔的堵塞使得膜對小分子物質(zhì)的截留能力增強(qiáng)，相應(yīng)地對有機(jī)物去除率就會有所增加。此時(shí)，膜的截留性能由膜孔及其表面的污染層共同決定。?
　?、苣さ那逑?br> 　　經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行膜受到了污染，其過濾性能就會下降。與新膜相比，累計(jì)連續(xù)運(yùn)行了約14d以后的舊膜過濾阻力明顯上升。為了尋找去除膜面污染物和恢復(fù)膜過濾性能的方法，通過曝氣5、24和95 h在膜面形成較為劇烈的湍流來沖刷膜表面以清除污染層。對曝氣清洗過后的膜進(jìn)行清水過濾試驗(yàn)，并與初始新膜的清水過濾效果比較以考察膜過濾性能的恢復(fù)情況 (見圖7)。

　　從圖7中可以看出，曝氣清洗后膜的過濾性能與清洗前相差不大，而與新膜相差較大，說明光靠曝氣清洗不足以清除在長期運(yùn)行過程中積累在膜表面上的這部分污染物，同時(shí)也間接表 明間歇運(yùn)行模式采用的停抽段曝氣時(shí)間已經(jīng)足夠長，通過曝氣可去除的部分膜污染已得到充分的清除。
　　鑒于上述結(jié)果，進(jìn)一步采用化學(xué)方法來清除膜污染?？紤]到微污染原水的水質(zhì)特點(diǎn)(可能包括無機(jī)物、有機(jī)物形成的污染層，也會有一些微生物造成的污染)，故先用次氯酸鈉清洗，然后用鹽酸清洗。從圖7可見，化學(xué)清洗有效地去除了大部分膜污染，膜的清水過濾性能有了較大的恢復(fù)。極小部分很難被清除的膜污染物，可能是因?yàn)殚L期運(yùn)行而造成的膜材質(zhì)本身的惡化。

3　結(jié)論

　?、傥V膜處理微污染原水采用間歇抽吸的方式，在停抽段充分的曝氣時(shí)間能夠有效地清洗在抽吸階段積累在膜表面的污染層。??、谶B續(xù)運(yùn)行初期(約50h)由于膜污染使膜過濾阻力上升明顯，之后則隨時(shí)間延長而緩慢降低。
　?、坶L期運(yùn)行中形成的膜污染不能完全由曝氣清洗來清除，而用次氯酸鈉和鹽酸清洗能夠較 為有效地清除這部分膜污染。
　?、芪V膜可以直接應(yīng)用在以除濁為主要目的的水處理工藝中，經(jīng)膜過濾后的出水濁度＜1 NTU且不受進(jìn)水濁度變化的影響。
　?、菸V膜可去除部分有機(jī)物，對OC去除率為20%左右，運(yùn)行穩(wěn)定后對UV₂₅₄去除率＞40%。

參考文獻(xiàn)：

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　　電　　話：(010)62772838(O)62785694(黃霞)
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　　收稿日期：2001-09-08