短流程浸没式超滤膜工艺的膜污染控制研究

１．２㊀ 试验用膜 试验用膜采用海南立升净水科技有限公司生产的 复合 ＰＶＣ 浸没式超滤膜， 型号为 ＬＪ２Ａ － ２０００ － ＰＶ２， 膜 １ １３，具有较好的耐酸碱性㊂ １．３㊀ 试验方法 孔径 ０．０２ μｍ， 最高进水温度为 ４０ ħ ， 耐受 ｐＨ 值为 本研究选取的地表水厂采用常规水处理工艺，试验
小，且增大速率缓慢㊂ 原因是， 混凝剂的投加量加大， 低投加量状况下的 ＴＭＰ 与之前保持相同的变化趋势， ＴＭＰ 值略有增大， 而高投加量状况下的 ＴＭＰ 呈现快 速增大的趋势，且反洗后跨膜压差恢复不明显㊂ 原因 膜过滤阻力增大，而且反冲洗不易清洗掉密实的滤饼 层
［１３］
㊂ 随着过滤时间的延长，
是，随着过滤时间的延长， 膜表面的滤饼层变得密实， 混凝剂成本及膜污染状况， 该水质较适宜的混凝剂投 加量为 ６ ｍｇ ／ Ｌ㊂ ，从而导致跨膜压差快速增大㊂ 因此， 综合考虑
表 １㊀ 水源水的主要水质指标
浊度 ／ ＮＴＵ ７．１１ ３３．４０ １３．５０ ３２．７０ ｐＨ 值 ７．９０ ８．６９ ８．２１ ８．３３ ＣＯＤ Ｍｎ 藻类 ／ （ 万个㊃ 浓度 ／ －１ Ｌ －１ ） （ ｍｇ㊃Ｌ ） ２．６７ ６．０４ ３．２９ ６．５４ ２ ４４０ １３ ６８７ ６２５ ２ ８７７
力时，需要采用化学药剂清洗膜组件来消除膜表面的 不可逆污染物㊂ 本试验采用先碱洗后酸洗的顺序进行 １４．２１ ｋＰａ， 碱洗前 ＴＭＰ 为 ３３．３７ ｋＰａ， 碱洗采用 ０．１％ 恢复性清洗㊂ 清洗时水温为 １０．４ ħ ， 运行初 ＴＭＰ 为 的 ＮａＣｌＯ 和 ０．５％ 的 ＮａＯＨ， 浸泡时长为 ２２ ｈ， 碱洗后 ＴＭＰ 为 １５．００ ｋＰａ㊂ 酸洗采用 ０．５％ 的 ＨＣｌ， 浸泡时长 为 ２０ ｈ，酸洗后 ＴＭＰ 为 １４．６０ ｋＰａ㊂ 恢复性清洗后压 力降为 １８．７７ ｋＰａ，跨膜压差恢复率为 ９７．９６％㊂
２．２㊀ 不同膜通量对膜污染的影响 法 ［１３－１７］ ㊂ 膜通量越小， 产水量越小， 处理相同水量需 要的膜组件越多；膜通量越大， 产水量越大， 但是能耗 也大，膜污染越迅速，需频繁地采用物理和化学方法来 清除污染物，恢复膜的通量， 从而使运行费用增加， 因 此确定合理的膜通量十分必要㊂ 试验进行时， 分别控 制膜通量为 ２５㊁３０㊁３５㊁４０㊁４５ Ｌ ／ （ ｍ ２ ㊃ｈ） ，跨膜压差的 变化情况见图 ４㊂ 选择合适的膜通量是优化操作条件的主要方
超滤膜运行过程中，随着污染物被截留，膜孔径逐
图 ３㊀ 不同投加量下跨膜压差变化
种工况㊂ 原因可能是排空周期越短， 膜表面的滤饼越 松散，反冲洗对膜表面沉积物的去除效果越好，膜污染 ㊃ ６９㊃
人 民 黄 河㊀ ２０１６ 年第 ３ 期
速率越慢㊂
Baidu Nhomakorabea
２． ４． ２㊀ 维护性清洗
对污染严重的滤膜进行维护性清洗及恢复性清洗㊂ 清洗膜丝，以减缓膜污染速率㊁延迟恢复性清洗㊂ 清洗 药剂为 ０．０２％ ０．０５％ 钠溶液㊂ 试验考察了不同运行 通量㊁药剂浓度㊁ 浸泡时长的清洗效果， 见表 ２㊂ 通过 对比不同清洗参数下跨膜压差的变化， 确定清洗药剂 浓度为 ０． ０５％， 浸 泡 时 长 为 ２． ５ ３． ０ ｈ， 清 洗 周 期 维护性清洗就是使用低浓度的酸性或氧化性碱液
的膜通量的降低和操作费用的增加 ［７］ ㊂ 因此， 如何有 效地减缓膜污染 ［８－１０］ ， 成为水处理领域研究的重点㊂ 笔者以河北省某地表水厂为例， 对不同操作条件下短 流程浸没式超滤工艺的膜污染状况进行分析， 以期为 水厂的升级改造提供参考㊂
所采用的浸没式超滤膜处理与常规处理工艺平行进行， 流程见图 １㊂ 试验进行时，将常规工艺混凝后的水经过提 升泵打入浸没式超滤膜池过滤，滤后水进入清水箱，为保 证供水水质稳定，将清水箱中的清水与常规工艺沉淀后 的水一起过滤后送至清水池㊂ 对超滤膜池定时进行清 洗，清洗后的浓液定期排放（ 返回沉淀池重新处理）㊂
渐堵塞，ＴＭＰ 值逐渐升高， 必须定期对膜进行反洗， 但 是随着反洗水浓度的逐渐升高， 膜堵塞的速率也会加 快，因此应将膜池反洗水定期排放，以减缓膜污染的速 率㊂ 排污频率关系到膜污染速率及水量节约： 排污频 率低，可节约水量，但是不利于缓解超滤膜污染； 排污 频率高，在一定程度上可以减缓膜污染速率，但是会造 ３０ Ｌ ／ （ ｍ ２ ㊃ｈ） ㊁过滤时间为 ９０ ｍｉｎ 为例， 分析不同排 污周期对膜污染速率的影响，见图 ５㊂ 膜压差的恢复效果相差不大， 但是随着过滤时间的延 长，５ ｈ 排空 １ 次跨膜压差的恢复效果明显优于另外两 由图 ５ 可以看出，过滤时间较短时，３ 种工况下跨 成水量的浪费及运行成本的增加㊂ 本试验以通量为
１㊀ 试验装置与方法
１．１㊀ 试验用水
水㊂ 试验时间为 ２０１４ 年 ６ 指标见表 １㊂
水质期 高温高藻期 （６ 月 １１ 日至 １０ 月 １０ 日 正常水质期 （１０ 月 １１ 日至 １２ 月 １０ 日）
试验用水来自大浪淀水库， 为 引黄济冀 的黄河 １２ 月，经历了水源水的高
温高藻期和正常水质期， 试验期间水源水的主要水质
㊀ Ｖｏｌ ． ３ ８ ， Ｎｏ ． ３ ㊀ Ｍａｒ．，２０１６㊀ ㊀
ʌ 水环境与水生态ɔ
短流程浸没式超滤膜工艺的膜污染控制研究
（ １． 河北农业大学 城乡建设学院，河北 保定 ０７１００１；２． 河北农业大学 理工学院，河北 沧州 ０６１１００）
摘㊀ 要：为了确定短流程浸没式超滤膜运行的最佳条件及清洗参数，通过试验考察操作条件的变化对浸没式超滤膜污染 程度的影响㊂ 试验根据黄河水的水质特点，通过考察运行过程中跨膜压差的变化，分析了混凝剂投加量㊁膜通量㊁排污周 期及膜清洗等操作条件对膜污染控制的影响㊂ 试验结果表明： 超滤膜污染速率最低时的最佳混凝剂投加量为 ６ ｍｇ ／ Ｌ， ７ ｄ进行 １ 次维护性清洗，当物理性及维护性清洗难以恢复膜原有的处理能力时， 需要采用化学药剂清洗消除膜表面的 不可逆污染物㊂ 关键词： 超滤； 膜污染速率； 膜通量； 排污周期； 膜清洗 中图分类号： ＴＵ９９１．２㊀ ㊀ ㊀ 文献标志码：Ａ㊀ ㊀ ㊀ ｄｏｉ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００⁃１３７９．２０１６．０３．０１９ 最佳通量为 ３０ ４０ Ｌ ／ （ ｍ２ ㊃ｈ） ，最佳排污周期为 ５ ｈ ／ 次；同时，为了恢复正常的膜通量，需 ６０ ｍｉｎ 进行 １ 次物理性清洗，
大趋势，膜通量为 ２５ Ｌ ／ （ ｍ ２ ㊃ ｈ） 时， 超滤膜 ＴＭＰ 较 小，且随着过滤时间的延长， ＴＭＰ 增加不明显； 膜通量 为 ３０ ３５ Ｌ ／ （ ｍ ２ ㊃ｈ） 时， ＴＭＰ 稍有增大， 但是随着过
图 ２㊀ 跨膜压差随加药量变化
由图 ４ 可知，随着膜通量的增大，跨膜压差呈现增
图 ４㊀ 不同膜通量下跨膜压差的变化
机械三级搅拌，投加量根据不同水质时期在 ６ ２０ ｍｇ ／
Ｌ 之间变化，跨膜压差的变化见图 ２㊂ 通过图 ２ 可以看 出，运行过程中跨膜压差随着混凝剂投加量的提高逐 渐升高，混凝剂投加量超过 １５ ｍｇ ／ Ｌ 后， ＴＭＰ 增速加 快，考虑到膜污染速率及出水中铝离子浓度，确定该混 凝剂的最佳投加量为 ６ １０ ｍｇ ／ Ｌ㊂
㊀ ㊀ ２０１６ 年 ３ 月㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ＹＥＬＬＯＷ㊀ ＲＩＶＥＲ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀
第 ３８ 卷第 ３ 期㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ 人㊀ 民㊀ 黄㊀ 河㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀
２．４㊀ 膜清洗对膜污染的影响
图 ５㊀ 不同排污周期跨膜压差的变化
渐增大，若要恢复正常膜通量， 必须定期对膜进行清 洗，本试验中对膜采取的清洗方式有物理性清洗㊁维护 ２． ４． １㊀ 物理性清洗 性清洗及恢复性清洗㊂
随着超滤过程的进行， 膜堵塞日益加重， ＴＭＰ 逐
２． ４． ３㊀ 恢复性清洗
为 ７ ｄ㊂
根据达 西 定 律， 在 恒 流 过 滤 模 式 下， 跨 膜 压 差
图 １㊀ 工艺流程
水温 ／ ħ １８．７ ３０．０ ４．２ １８．４
㊃ ６８㊃
人 民 黄 河㊀ ２０１６ 年第 ３ 期
２㊀ 结果及讨论
操作条件的优化和膜改性等 ［１１］ ，试验前应对水源水预 ２．１㊀ 不同混凝剂投加量对膜污染的影响 先进行混凝处理㊂ 试验采用混凝剂为聚合氯化铝铁， 混凝方式采用 目前，控制膜污染的主要方法包括科学的预处理㊁
张小燕１ ，王㊀ 刚２ ，崔俊蕊１ ，刘俊良１
㊀ ㊀ 近年来，饮用水源受到的污染日趋严重，加之新的 国标‘ 生活饮用水卫生标准“ （ ＧＢ ５７４９ 要 求 的 提 高， 常 规 水 处 理 工 艺 已 愈 发 难 以 满 足 要 求 ［１］ ㊂ 超滤膜工艺因其可有效截留水体中的污染物 和病菌㊁出水水质好㊁占地少㊁能耗低㊁易于与其他工艺 结合 ［２－３］ ㊁维护管理方便等，成为替代或强化传统水处 理工艺的最佳选择 ［４－６］ ㊂ 但在实际应用中， 浸没式超 滤膜工艺存在一个突出问题， 即膜污染以及由此导致 ２００６） 对水质
ＴＭＰ ／ ｋＰａ 清洗前 ３３．００ １８．００ ２２．００ ９．６０ 压力降 ／ ｋＰａ ４．５８０ １８．４０ １１．５０ １３．３５
当反冲洗及维护性清洗难以恢复膜原有的处理能
反冲，每次清洗先气冲 ３０ ｓ，再气水反洗 ６０ ｓ㊂ 清洗周期 为 ６０ ｍｉｎ ／ 次㊂ 清洗后膜通量得到很大程度的恢复，但 是随着过滤时间的延长，物理性清洗后膜通量的恢复效 果逐渐变差，因此除了对滤膜进行物理性清洗外，还应
［１２］
为了进一步研究最佳投加范围内膜污染速率的变
（ ｍ ２ ㊃ｈ） 时， 初 期 ＴＭＰ 值 略 有 增 加， 但 后 期 超 滤 膜 ＴＭＰ 增加明显； 膜通量为 ４５ Ｌ ／ （ ｍ ２ ㊃ｈ） 时， 跨膜压差 增大速率明显加快， 膜污染速度加快㊂ 通过观察不同 膜通量下的 ＴＭＰ 变化发现， 膜通量越大， 膜运行初期 跨膜压差增大越快， 但是由于膜通量大小决定了产水 量的高低，因此，根据产水量㊁膜污染速率㊁运行成本等 ２．３㊀ 不同排污周期对膜污染的影响 因素综 合 考 虑 ［１８］ ， 选 取 较 佳 膜 通 量 值 为 ３０ （ ｍ ２ ㊃ｈ） ㊂ ４０ Ｌ ／
（ ＴＭＰ ） 的变化可以反映膜过滤阻力的变化情况， 跨膜 压差可以直观显示膜污染的程度㊂ 因此， 通过考察跨 膜压差的变化，探求混凝剂投加量㊁ 膜通量㊁ 排空周期 及膜清洗等操作条件的变化对膜污染的影响㊂
㊀ 收稿日期：２０１５ ０５ １３ ㊀ 基金项目：２０１３ 年石家庄市科学技术研究与发展计划项目 （ １３１２４０２１３Ａ） ；２０１４ 年 河 北 省 建 工 新 产 品 试 制 费 计 划 项 目 （ ２０１４－１２１） ㊂ ㊀ 作者简介：张小燕（ １９８５ ） ，女，山东济南人，讲师，主要从事 水资源开发利用及水污染控制研究工作㊂ ㊀ Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｙａｎ＿８５０４０４＠ １６３．ｃｏｍ
清洗后 １４．６０ ６．５０ ８．６５ ５．０２
跨膜压差 恢复率 Ｋ ／ ％ ８９．１１ ６７．４７ ８６．１３ １１６．１６
温度 ／ ħ ２７．９ ２６．１ ２３．１ １９．７ 通量 ／ （ Ｌ㊃ｍ －２ ㊃ｈ －１ ） ２５ ３０ ３０ ３０ 药剂浓度 ／ ％ ０．０２ ０．０２ ０．０５ ０．０５ 浸泡时间 ／ ｈ ０．５ ０．５ ４．０ ３．０
一个完整的物理性清洗过程包括气冲与气水联合
表 ２㊀ 超滤膜维护清洗状况
运行初 ４．４６ ５．７３ ８．１０ ６．５０
滤时 间 的 延 长， ＴＭＰ 变 化 不 大； 膜 通 量 为 ４０ Ｌ ／
化，分析投加量为 ６㊁８㊁１０ ｍｇ ／ Ｌ 时跨膜压差的变化，见 图 ３㊂ 可以看出， 过滤时间较短时， 混凝剂投加量越 小，ＴＭＰ 增大 越 快； 混 凝 剂 投 加 量 越 大， 跨 膜 压 差 越 可以改善沉积在膜表面滤饼层的过滤性能， 降低膜过 滤阻力，从而减缓膜污染