浓缩液浓度对浸没式超滤系统运行特性影响

1.1 超滤系统和试验方案

中试在某给水厂进行，该厂采用传统水处理工艺处理江水。考虑到水厂采用“混凝-沉淀”作为超滤工艺的预处理步骤，本试验采用沉淀池出水作为进水，无需补充污染物。试验期间的进水水质如下：水温13.0~14.2 ℃，浑浊度1.5~2.4 NTU，CODMn 2.2~2.7 mg/L，UV254 0.022~0.025 cm-1，氨氮0.1~0.2 mg/L，溶解氧8.0~9.0 mg/L。

超滤装置由膜池、超滤膜、抽吸泵、反洗泵、鼓风机和控制系统组成，产水规模为3 m3/h，超滤装置由PLC控制系统控制运行，一个过滤周期为120 min，包括118 min的过滤过程和2 min的反冲洗过程。膜池的有效容积为1.5 m3；超滤膜选用PVC材质的浸没式中空纤维膜，截留相对分子质量为5×104 Da，总有效膜面积为100 m2。沉淀池出水进入膜池后，由抽吸泵驱动过滤，水分子透过膜孔从超滤膜的外部流入内部，膜通量为30 L/(m2·h)。在一个过滤周期结束后，由反冲洗泵驱动产水从超滤膜内部流向外部，实现对膜污染的反冲洗，反冲洗通量为60 L/(m2·h)；同时，开启曝气系统，利用气泡抖动擦洗膜表面，强化清洗效果。

本中试包括两部分：①考虑到水厂超滤系统运行中存在排空浓缩液后注入原水再次运行的模式，两次排空之间超滤系统处于不排液运行状态。因此，采用不排液运行24 h探究超滤系统净水效能和膜污染随浓缩液浓度增加的变化趋势，并进行重复试验。经过计算，从第一个过滤周期到最后一个，对应的回收率从75%提高到98%。②每个过滤周期结束后分别按出水体积的1/19和1/39排出一定量的浓缩液，对比回收率为95%和97.5%下超滤工艺的长期运行效果。

1.2 水质检测手段与分析方法

试验期间，定期检测进水、浓缩液、出水的水质，检测项目包括浑浊度、UV254、CODMn、氨氮。

采用过滤阻力来表征膜污染，过滤阻力由超滤装置的自控系统测定记录。在一个过滤周期中，过滤阻力的总增长量可以采用终期过滤阻力减去初始过滤阻力得到，过滤阻力的不可逆增长量可以采用下一个过滤周期的初始过滤阻力减去本周期初始过滤阻力得到。其中，过滤阻力总增长量和不可逆增长量分别用来表征总膜污染和不可逆膜污染。

2.1 不排放膜池浓缩液情况下超滤工艺的净水效能

2.1.1 浑浊度

超滤系统进水为沉淀池出水，浑浊度较为稳定，试验期间在2.2~2.5 NTU范围内波动（图1）。超滤膜对颗粒物优异的截留能力令超滤系统出水浑浊度低于0.05 NTU。在不排放膜池浓缩液情况下，被截留的颗粒物不断在膜池中累积，浓缩液浑浊度随之升高，但出水浑浊度依旧稳定，无增加的趋势。这是因为超滤膜主要通过孔径筛分作用去除水中的颗粒物，而被截留颗粒物的尺寸大于膜孔径，浓缩液中这一部分颗粒物浓度的增加并不会影响出水浑浊度。

图1 不排放膜池浓缩液情况下超滤工艺对浑浊度的去除效果

2.1.2 CODMn

将CODMn作为有机物浓度的度量指标，研究在不排放膜池浓缩液情况下，超滤系统对有机物的去除情况（图2）。由于CODMn主要由溶解性有机物贡献，其难以被超滤膜截留，因此超滤系统对有机物的去除效果不佳（去除率<10%）。该去除效果与前人研究结论一致。因此不排放浓缩液，CODMn的去除效果无明显的变化。综上，随着过滤时间的延长，超滤系统的回收率不断增加，但浑浊度与有机物的去除效果无明显变化，因此回收率对浑浊度和有机物的去除无显著影响。

图2 不排放膜池浓缩液情况下超滤工艺对CODMn的去除效果

2.2 不排放膜池浓缩液情况下超滤膜池污染物的累积

在不排放浓缩液情况下，浓缩液中被膜截留的污染物会不断累积，本研究测定了浓缩液中浑浊度和溶解性CODMn的变化曲线（图3），用以分别衡量颗粒物与溶解性有机物浓度的变化规律。为排除无法通过膜孔的颗粒物对CODMn测定的影响，本研究采用溶解性CODMn来衡量膜池浓缩液中有机物浓度的变化（测样前将水样通过0.45 μm微滤膜过滤）。如图3所示，由于超滤膜对颗粒物具有优异的截留效果，膜池浓缩液的浑浊度不断增加，且浑浊度与过滤时间近似呈线性关系，该现象于BAI等在对膜工艺污泥排放间隔的研究中发现的规律一致。溶解性有机物的浓度并未增加，这是由于原水中大分子有机物含量较低，经过混凝沉淀，大分子有机物进一步去除，同时试验所用超滤膜的最小截留相对分子质量为5×104 Da，对溶解性有机物的去除效果不佳，因此膜池浓缩液中溶解性有机物未被浓缩，且浓度随进水CODMn的变动而变动。

图3 不排放膜池浓缩液情况下浓缩液的浑浊度和溶解性CODMn的变化

2.3 不排放膜池浓缩液情况下的膜污染特性

不排放膜池浓缩液下，超滤工艺过滤阻力的变化如图4所示，可将其大致分成3个阶段。第一阶段在前3个过滤周期（1~6 h），此阶段过滤阻力的增长较少。第二阶段在第4周期到第7周期（6~14 h），此阶段过滤阻力快速增长。第三阶段为第8到第12周期（14~24 h），尽管此阶段浓缩液中污染物浓度很高，但过滤阻力并未显著增加。进一步分析每个周期的总过滤阻力增长和不可逆过滤阻力增长，也得到类似的规律（图5）。在第一阶段，总过滤阻力和不可逆过滤阻力增长均较低；在第二阶段，总过滤阻力和不可逆过滤阻力增长迅速；在第三阶段，尽管总过滤阻力较大，但是不可逆过滤阻力几乎不增加。这说明膜污染速率并不是随着浓缩液的浓度增加而增加，当浓缩液中污染物浓度很大的时候，不可逆膜污染反而较轻。

图4 不排放膜池浓缩液情况下超滤工艺过滤阻力的变化情况

图5 不排放膜池浓缩液情况下每个过滤周期的总过滤阻力增长和不可逆过滤阻力增长

结合膜池浓缩液中污染物的累积情况（图3），推测在第一阶段，膜池中浓缩液污染物浓度不高，故而膜污染较轻。在第二阶段，随着浓缩液污染物浓度不断增加，膜污染迅速增加。在第三阶段，随着浓缩液中污染物浓度的进一步增加，膜表面形成了滤饼层（每个周期开始之后过滤阻力快速增加），而滤饼层也可以起到过滤的作用，避免一些污染物与膜的直接接触，因此不可逆污染并未显著增加。另外，由于超滤系统的进水是沉淀池出水，水中的颗粒物主要为小粒径的絮体，这些絮体在膜池中浓缩之后，可以进一步发生混凝，起到一定吸附作用来吸附膜池中其他污染物。在两个机制的共同作用下，在高浓度浓缩液中工作的超滤膜反而具有更轻的不可逆膜污染。

2.4 不同回收率下超滤工艺膜污染特性对比

不同浓缩液浓度对应不同的回收率。本研究对比了95.0%和97.5%的回收率下过滤阻力的增长规律（图6）。如图6所示，尽管97.5%的回收率下，浓缩液的浓度更大，但其过滤阻力的增加更加缓慢，膜污染更轻。水质监测表明，两种不同的回收率下，超滤系统对污染物的去除效能没有显著差异。因此，在一些情况下提高回收率可以减轻膜污染。

图6 超滤工艺在95.0%和97.5%回收率下长期过滤过滤阻力的增长情况

（1）随着浓缩液浓度的增加，超滤系统出水的浑浊度和CODMn无明显变化，出水浑浊度<0.05 NTU，出水CODMn降低了8%。

（2）不排放浓缩液条件下，膜池浓缩液内颗粒物不断累积，浑浊度随着时间近似线性增加；但膜池浓缩液中溶解性有机物浓度无明显增长。

（3）随着浓缩液污染物浓度的增加，膜污染的变化呈现3个阶段：初期膜污染增长缓慢，中期迅速增加，后期不可逆膜污染增长缓慢。

（4）膜污染的影响因素非常复杂，在二次过滤和混凝吸附的共同作用下，高回收率的膜污染可能更低。