重力驅(qū)動微濾膜給水處理工藝特性與除污效能

　　地表水是飲用水的主要水源之一，約85%以上的城市飲用水來源于各類地表水，開發(fā)高效、低耗、安全、穩(wěn)定的地表水處理技術(shù)是目前飲用水處理領(lǐng)域的主要研究方向。近年來，膜法水處理技術(shù)在飲用水凈化領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注，但實際應(yīng)用中大多采用加壓產(chǎn)水方式，存在能耗大、膜污染嚴(yán)重、維修難度高、操作復(fù)雜等弊端。目前，常規(guī)的膜過濾技術(shù)通常被應(yīng)用于大型集中供水區(qū)域，對于分散供水區(qū)域，如小城鎮(zhèn)、城中村以及人口稀疏、交通不便的農(nóng)村地區(qū)，膜技術(shù)很難發(fā)揮規(guī)模優(yōu)勢。因此，筆者著力于開發(fā)一種可以直接利用當(dāng)?shù)厮?如河水和湖水)、低能耗、易于運(yùn)行管理的新型膜處理技術(shù)，滿足小型分散地區(qū)的供水需求。

　　重力驅(qū)動膜(GDM)工藝具有低能耗、易操作、維修簡單等優(yōu)點，是近年來膜技術(shù)研究的熱點。重力驅(qū)動膜系統(tǒng)通常在超低壓條件下運(yùn)行，不需要反沖洗或化學(xué)清洗，膜通量可以長期保持在4~10L(m2?h)。重力驅(qū)動膜系統(tǒng)的穩(wěn)定通量取決于原水水質(zhì)和表面形成的生物層結(jié)構(gòu)。經(jīng)過長期浸沒和運(yùn)行，重力驅(qū)動膜組件表面會形成高滲透非均質(zhì)的生物層，這種非均質(zhì)生物層可以為生物體提供適合的棲息場所，有利于不同的生物體共存，達(dá)到降解膜面污染物的目的。并且由于運(yùn)行過程中沒有沖洗環(huán)節(jié)，膜表面形成的生物膜不會遭到破壞，逐漸成為覆蓋在膜表面的重要功能層，為穩(wěn)定膜通量和強(qiáng)化污染物去除起到了關(guān)鍵作用。Chomiak等人發(fā)現(xiàn)在“生物膜+膜”的復(fù)合過濾形式下，對污染物的降解能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單獨的膜過濾。Peter-Varbanets等人也發(fā)現(xiàn)生物膜中后生動物的捕食作用提高了膠體有機(jī)質(zhì)、腐殖酸和生物高分子的降解;此外，Derlon等人指出生物膜中的微生物可以降解附著在膜表面的生物可同化有機(jī)碳(降解率>80%)，從而提高膜通量。重力膜工藝的這些典型優(yōu)勢將成為解決分散式飲用水處理的新技術(shù)發(fā)展動力。

　　目前已有一些采用重力驅(qū)動膜系統(tǒng)處理污水、海水、灰水以及雨水的研究工作，但對于地表水的處理還未見報道。為此，筆者采用非曝氣低壓重力驅(qū)動膜反應(yīng)器處理地表水，在沒有任何曝氣及膜清洗的情況下，考察膜通量的變化，同時考察不同重力驅(qū)動力下對常規(guī)污染物和典型金屬離子的去除效果。

　　一、試驗材料與方法

　　1.1試驗裝置

　　試驗用重力驅(qū)動微濾膜處理裝置如圖1所示。微濾膜采用中歐膜技術(shù)研究院提供的自制試驗用聚偏氟乙烯(PVDF)中空纖維微孔濾膜，平均孔徑為0.5pm，有效膜面積為0.5m2，使用前在超純水中浸泡24h。膜系統(tǒng)采用浸沒式運(yùn)行方式，重力驅(qū)動力分別為1、2、3、4kPa，溫度恒定為25T。采用電子天平自動采集膜的滲透質(zhì)量以計算膜通量。

　　1.2試驗用水

　　試驗用水為松花江地表水原水，具體水質(zhì)指標(biāo)如下：pH值為6.80~7.30，濁度為1.89~60.96NTU，TOC為4.79~6.28mg/L，UVw為0.06~0.29cm-1，TN為2.10~2.68mg/L，NH4+-N為0.08~0.58mg/L，F(xiàn)e3+為0.16~0.42mg/L，Ca2+為20.18~26.72mg/L，Mg2+為5.28~6.18mg/L。

　　1.3運(yùn)行條件與分析方法

　　在進(jìn)行正式試驗前，每組膜進(jìn)行一次空白試驗，進(jìn)水為超純水，運(yùn)行時間為3h，持續(xù)測定重力膜的純水通量。正式試驗時進(jìn)水為地表水，運(yùn)行了4個多月，運(yùn)行期間沒有進(jìn)行任何曝氣和反沖洗操作，通過測定相同時間段內(nèi)膜的滲透質(zhì)量計算膜通量的變化，通過測定進(jìn)水和出水的濁度、UV254、細(xì)菌總數(shù)等評價系統(tǒng)對常規(guī)污染物的去除效果。試驗分別采用濁度測定儀、分光光度計、流式細(xì)胞儀測定水樣的濁度、UV254、細(xì)菌總數(shù)。

　　二、結(jié)果與討論

　　2.1不同重力驅(qū)動下膜通量的變化規(guī)律

　　通過改變重力膜系統(tǒng)的作用水頭，考察在不同重力驅(qū)動力下微濾膜通量的變化情況，結(jié)果如圖2所示。運(yùn)行初期膜通量隨重力驅(qū)動力的增加而呈升高趨勢，這主要是由于壓力的提高可增加膜兩側(cè)水分子透過膜的能力，從而提高了膜通量。整個試驗運(yùn)行期間膜通量呈下降趨勢，尤其在前20d膜通量的下降幅度比較大，20d之后膜通量的下降趨勢漸緩并最終趨于穩(wěn)定，說明重力驅(qū)動膜系統(tǒng)的通量在長期運(yùn)行下具有穩(wěn)定性，運(yùn)行過程中由于作用水頭不同，膜的穩(wěn)定通量也不相同。在重力驅(qū)動力為3和4kPa時，膜通量明顯降低得更快。而在1和2kPa的重力驅(qū)動力下，膜通量下降相對緩慢，并且膜最終的穩(wěn)定通量也較高，主要原因是隨著運(yùn)行時間的延長，膜兩側(cè)發(fā)生濃差極化，較高的壓力導(dǎo)致較大的濃度差，膜表面污染物經(jīng)受更嚴(yán)重的擠壓，導(dǎo)致污染層與膜表面之間結(jié)合更密實，加劇了膜表面污染趨勢，降低了膜通量。

　　2.2重力驅(qū)動膜對常規(guī)污染物的去除效能

　　重力驅(qū)動微濾膜系統(tǒng)對地表水中濁度、UV254以及細(xì)菌總數(shù)的去除效果如圖3所示。系統(tǒng)對3種污染物均有很好的去除作用，不同重力驅(qū)動力下對油度的截留率均可達(dá)到99.8%以上，對UV254的最高去除率可達(dá)到93.4%以上。值得注意的是，隨著運(yùn)行壓力的降低，UVu去除率反而升高，這可以歸因于膜表面生物層的降解作用，壓力越低，膜表面生物層提供給微生物的生長環(huán)境就越好，微生物的活性也就越高，對有機(jī)污染物的降解能力就越強(qiáng)。此外，隨著運(yùn)行時間的延長，對有機(jī)污染物(主要是UVw)的去除率呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢，主要是由于膜表面微生物存在世代更迭現(xiàn)象，隨時間變化不斷再生長，保證了生物膜的降解能力。由于膜表面的有機(jī)物被降解，導(dǎo)致膜表面污染層孔隙率增加，滲透性提高，降低了水阻力，所以在較低重力下運(yùn)行的膜系統(tǒng)反而具有較高的有機(jī)污染物去除率，同時也提高了穩(wěn)定通量，這與2.1節(jié)的結(jié)果一致。重力驅(qū)動微濾膜系統(tǒng)對細(xì)菌總數(shù)的截留效果同樣很好，高達(dá)98.6%以上，這主要是由于微濾膜對微米級的顆粒截留能力很好，細(xì)菌恰好存在于微米級范圍。

　　雖然重力驅(qū)動微濾膜對地表水中的有機(jī)污染物有較好的截留效果，但在運(yùn)行過程中，仍會有少量有機(jī)污染物透過微濾膜進(jìn)入濾液中，如圖4所示。地表水中的有機(jī)污染物主要為蛋白質(zhì)類大分子有機(jī)物以及溶解性微生物代謝產(chǎn)物，當(dāng)重力驅(qū)動力為1kPa時，水體中的有機(jī)物基本全被去除，濾液中僅出現(xiàn)微弱的腐殖酸類小分子有機(jī)物峰。當(dāng)重力驅(qū)動力為2和3kPa時，原水中的蛋白質(zhì)和溶解性微生物代謝產(chǎn)物被重力膜系統(tǒng)顯著去除，在濾液中存在一部分腐殖酸類小分子有機(jī)物。而在4kPa的重力驅(qū)動力作用下，濾液的熒光圖譜顯示，膜系統(tǒng)雖然對蛋白質(zhì)類有機(jī)物有一定的去除，但去除效果不是十分理想。不同重力驅(qū)動力下膜濾液的熒光光譜差異性主要與膜表面的微生物數(shù)量和微生物代謝能力有關(guān)，濾液中腐殖酸類小分子有機(jī)物的出現(xiàn)，主要是因為膜表面污染層中的大分子有機(jī)物被生物降解，降解產(chǎn)物可以穿透膜進(jìn)人濾液。

　　2.3重力驅(qū)動膜對重金屬離子的去除效能

　　由于孔徑尺寸的限制，微濾膜難以截留水中的金屬離子，然而，重力微濾膜系統(tǒng)對金屬離子卻有一定的去除作用，具體如圖5所示。

　　隨著運(yùn)行時間的延長，膜系統(tǒng)對金屬離子的去除率呈上升趨勢，對鋁離子和鐵離子的去除效果很顯著，而對錳離子和銅離子的去除效果沒有這么顯著，但隨著運(yùn)行時間的延長去除效果有明顯提高，這主要是因為，鋁離子和鐵離子價態(tài)較高，相對于低價態(tài)的錳、銅離子更容易被截留，而對錳、銅離子的去除可能更多的是依靠微生物的作用，所以生物膜越成熟，錳、銅離子的去除效果就越好。銀離子雖然為一價離子，但去除效果也比較顯著，這主要是因為，隨著運(yùn)行時間的延長，膜表面的微生物數(shù)量升高，微生物對金屬離子的吸附和利用能力增強(qiáng);而且，隨著運(yùn)行時間的延長，膜污染物與膜表面結(jié)合得越來越緊密，這種餅層污染對膜孔產(chǎn)生阻塞作用，在一定程度上提高了膜的截留能力，從而使得對金屬離子的去除能力增加。但是，在較高的重力驅(qū)動力下，對金屬離子的去除效果反而有所降低，這與前面常規(guī)污染物的去除規(guī)律相同，這可能是由于高壓力下膜表面的生物能力較弱，缺少積極的生物吸附截留作用?？梢?，重力驅(qū)動微濾膜具有很好的抗金屬離子污染能力，并且重力驅(qū)動力越低越有利于金屬離子的去除。相對于其他耗能的壓力膜分離系統(tǒng)，重力驅(qū)動膜分離系統(tǒng)在水處理領(lǐng)域的優(yōu)勢非常明顯。

　　三、結(jié)論

　?、俨捎弥亓︱?qū)動微濾膜處理地表水，運(yùn)行初期膜通量隨驅(qū)動壓力的提高而增加。系統(tǒng)長時間運(yùn)行后，膜通量并沒有隨時間推移而出現(xiàn)明顯的衰減，而是逐漸趨于穩(wěn)定，并且驅(qū)動壓力越小，膜的穩(wěn)定通量越大，說明重力驅(qū)動膜的通量具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，而且驅(qū)動壓力并不是越大越好。

　?、谥亓︱?qū)動膜對地表水中的常規(guī)污染物具有很好的去除效果，在試驗條件下，對濁度、uv254和細(xì)菌總數(shù)的截留率最高均可達(dá)到93%以上，并呈現(xiàn)出重力驅(qū)動力越低則去除效果越好的規(guī)律。

　　③重力驅(qū)動膜處理對地表水中的金屬離子也有很好的去除效果，而且隨運(yùn)行時間的延長去除效果有所提高，金屬離子的去除主要依靠物理截留和膜表面微生物的吸附降解作用。(來源：哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室。大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室。中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心)