超濾作為納濾、反滲透的預(yù)處理手段之一，對(duì)膠體以及高分子物質(zhì)有良好的分離能力。根據(jù)原水性狀選擇高效的運(yùn)行方式，開發(fā)有效的反沖洗和化學(xué)洗滌方法等成為膜分離技術(shù)能否實(shí)用化的關(guān)鍵所在。在某給水廠歷時(shí)近2年的超濾試驗(yàn)中，考察了原水性狀、水溫、膜表面流速等因素對(duì)處理效果的影響。

1　試驗(yàn)方法及條件

11原水水質(zhì)
　　
以日本八戶市馬淵川河水經(jīng)過沉砂、過濾(150μm)預(yù)處理后作為原水，其水質(zhì)如表1所示。

1.2　設(shè)備
　　
設(shè)備及流程見圖1。

膜的材質(zhì)為中空管式醋酸纖維素膜(截留分子質(zhì)量為15×104u)，加壓透水方式為內(nèi)壓型十字流式，由循環(huán)泵控制流量，反沖洗間隔時(shí)間為30min。為防止微生物繁殖，反沖洗時(shí)添加5mg/L的次氯酸鈉溶液。另外，長(zhǎng)期運(yùn)行將使膜負(fù)荷逐漸增大，在物理沖洗不能恢復(fù)透水量時(shí)使用500mg/L的次氯酸鈉和5%的檸檬酸各20L進(jìn)行20min左右的化學(xué)沖洗。

1.3　評(píng)價(jià)方法
　　
試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)采集，原水流量、透水量、膜入口壓力、膜出口壓力、透水壓力、透水溫度等6項(xiàng)指標(biāo)每10min記錄一次；電耗、循環(huán)水量、累積流量、反沖洗流量等項(xiàng)目每周記錄一次。透水率由下式進(jìn)行校正：
　　校正透水率=(透水量/膜兩側(cè)壓差)×98.1kPa×μt/μ25
　　　　μt=0.0179/(1+0.03702t×0.0001638×t2)×100
　　式中t——水溫，℃
　　　　μ25——水溫為25℃時(shí)水的粘性系數(shù)

2　運(yùn)行結(jié)果及討論

2.1　透過水質(zhì)
　　
處理水質(zhì)如表2所示。

由表2可以看出，超濾對(duì)濁度、細(xì)菌、大腸桿菌的去除率為100%；總鐵幾乎被完全去除；對(duì)總錳的去除率為72%左右；對(duì)色度的去除率為60%左右；TOC和E260指標(biāo)也顯示出類似的處理特性。

2.2 透水率對(duì)膜壓差的影響?yīng)?br /> 　　
到試驗(yàn)前期的第392天為止，透水率的設(shè)定值一直是1.5m/d，此階段膜表面流速為0.07m/s，膜兩側(cè)壓差劇增，化學(xué)洗滌的次數(shù)明顯增多，其原因是由于透水率值設(shè)定過高，冬季原水的粘性系數(shù)增大，加之流速過小引起的膠體以及高分子物質(zhì)向膜表面沉降速度增大等原因所造成的。在試驗(yàn)后期對(duì)操作參數(shù)進(jìn)行了修正，將膜表面流速設(shè)定為0.14m/s，并且在低溫季節(jié)透水率設(shè)定為1.35m/d，得到了相對(duì)較穩(wěn)定的運(yùn)行效果，膜兩側(cè)的壓力變化平穩(wěn)，化學(xué)洗滌的次數(shù)明顯減少。由此可見，在超濾膜的操作過程中根據(jù)季節(jié)、水溫的變化調(diào)節(jié)透水率和膜表面流速能使膜的處理能力得到最大限度的發(fā)揮，從而做到經(jīng)濟(jì)、平穩(wěn)地運(yùn)行。

2.3　原水中高分子有機(jī)物的影響?yīng)?
　　
①對(duì)TOC/E260值的影響?yīng)?br /> 　　
試驗(yàn)中TOC/E260的變化如圖2所示。

夏季膜原水的TOC/E260值為30～60的數(shù)據(jù)較多，根據(jù)丹保等人［1］的理論可知，該水中以高分子腐殖物質(zhì)為主，冬季則反之。值得注意的是，透過水的數(shù)值高于原水，分析其原因可能是大多數(shù)高分子物質(zhì)被截留，而透過水中主要是含低分子質(zhì)量的分子。被截留的高分子腐殖物質(zhì)，一部分附著在膜表面上使負(fù)荷逐漸增大，于是進(jìn)入冬季時(shí)造成了膜兩側(cè)壓差急劇增高。
　　
②電鏡及色譜分析
　　
試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)膜斷面進(jìn)行電鏡觀察可清晰地看到膜表面或者表層都有厚實(shí)的污染層生成，此污染層是膜兩側(cè)壓差增大的主要原因，并且是由原水的濁度、有機(jī)物和無機(jī)污染物構(gòu)成的混合體引起的。根據(jù)原水的有機(jī)物分子質(zhì)量分布及高效液相色譜(HPLC)的分析結(jié)果看出，原水中1/3以上是高分子有機(jī)物(分子質(zhì)量為數(shù)萬以上)，而原水和透過水中低分子有機(jī)物的分子質(zhì)量分布基本沒有發(fā)生變化。這說明膜污染只能是由來自高分子有機(jī)物質(zhì)及其與無機(jī)物質(zhì)的混合體附著在膜的表面造成的。

2.4　無機(jī)物的影響?yīng)?
　　
引起膜兩側(cè)壓差增大的原因除了有機(jī)污染物以外，還有無機(jī)污染物的影響，選用能量分散型X線分析裝置對(duì)膜表面污染層中的污染物質(zhì)進(jìn)行了分析。從外表面上附著的污染物中可檢出M n、Fe、Si、Ca、Cu等，內(nèi)表面上可以檢出Si、Ca、Cu、Zn等。由此可知，膜表面的污染層是由高分子的腐殖物質(zhì)和無機(jī)物混合組成。

2.5　化學(xué)洗滌次數(shù)的影響
　　
試驗(yàn)前期化學(xué)洗滌的次數(shù)遠(yuǎn)多于后期，膜兩側(cè)的壓力變化以及透水率較為穩(wěn)定，新膜更換后僅清洗了一次。試驗(yàn)最后階段的第560天開始，膜兩側(cè)的壓差迅速上升，用化學(xué)洗滌也沒有得到預(yù)期的效果。第668天時(shí)膜兩側(cè)壓差突然下降，校正透水率也隨之突然提高，透過水濁度從0上升為20NTU左右，其他例如大腸桿菌、細(xì)菌、色度也顯示出同樣的趨勢(shì)，說明膜發(fā)生了破裂。試驗(yàn)終了后發(fā)現(xiàn)用過的膜表面有許多呈深灰色的附著物，并有破裂點(diǎn)，分析其原因在于后期化學(xué)洗滌次數(shù)減少，附著物逐漸累積并長(zhǎng)時(shí)間地壓縮，從而形成了致密壓縮濾餅，而化學(xué)洗滌難以發(fā)揮作用，最終引起膜的破裂。在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，透過和反沖過程處于平衡狀態(tài)時(shí)，雖然膜表面的大顆粒、高分子物質(zhì)沒有大量的沉積，但是低分子物質(zhì)仍在膜的孔內(nèi)逐漸附著積累，從而導(dǎo)致膜孔內(nèi)的長(zhǎng)期附著污染，所以無論膜兩側(cè)的壓力有無明顯變化，根據(jù)原水水質(zhì)定期進(jìn)行藥物洗滌是完全必要的。

3　結(jié)論

①試驗(yàn)的2年間透過水質(zhì)一直良好、穩(wěn)定。
　　
②在冬季低溫時(shí)，將膜表面流速由原來的0.07m/s調(diào)至0.14m/s，同時(shí)把透水率的設(shè)定值下浮到1.35m/s是保持超濾膜長(zhǎng)期安全、合理運(yùn)行的重要因素。
　　
③膜表面的污染物是由高分子有機(jī)物和Mn、Fe、Ca、Si、Cu等無機(jī)物組成的復(fù)合體。原水中的TOC/E260值很低時(shí)會(huì)使超濾膜負(fù)荷增大。實(shí)際運(yùn)行中，增加對(duì)高分子有機(jī)物和部分無機(jī)污染物的預(yù)處理也是增加使用壽命、提高運(yùn)行效率的方法之一。
　　
無論膜兩側(cè)壓差變化是大是小，定期進(jìn)行化學(xué)洗滌對(duì)避免低分子物質(zhì)在膜孔內(nèi)沉積形成致密的濾餅和保證透過水水質(zhì)的安全有重要意義。

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