李世勇，武福平，張國珍，張子賢，郭譯文

(1.蘭州交通大學 環(huán)境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.中恩工程技術有限公司，廣東 廣州 510000)

西北干旱半干旱地區(qū)的窖水中，有機物、氨氮、濁度的指標均超過了《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)，呈現(xiàn)微污染狀態(tài)[1]。超濾能有效去除微污染水中的濁度，同時可對隱孢子蟲、賈第鞭毛蟲在內的病原微生物也有很好的去除效果，能有效確保飲用水的安全性，但是對UV254、CODMn的去除率較低[2-3]；但常規(guī)混凝對有機物的去除效果不高[4]，采用強化混凝技術可以提高對有機物的去除率[5]，二者的結合勢必會大大增加對微污染窖水的處理效果，提高出水的水質[6-7]。本研究首先采用單獨超濾、3種強化混凝工藝PAC、PAC/NPAM、PAC/NPAM/木質粉末活性炭分別處理微污染窖水；并在單獨超濾以及3種強化混凝工藝的實驗基礎上，選用PAC/NPAM/木質粉末活性炭聯(lián)合超濾技術進一步凈化窖水水質。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

原水為地面、房屋的集雨窖水。在降雨過程中，會攜帶大氣中的污染物，同時在匯集過程中攜帶了水泥地面和屋面的污染物；而入窖后，水窖的底泥中同樣存在污染物，屬于典型的微污染窖水，其水質見表1。其中有機物CODMn、UV254的分子質量分布區(qū)間見圖1。

表1 進水水質Table 1 Influent water quality

圖1 原水中CODMn、UV254分子量的分布區(qū)間Fig.1 Distribution range of molecular weights ofCODMn and UV254 in raw water

由圖1可知，窖水中CODMn和UV254的兩級分化嚴重，主要集中分布在>100 K和<3 K分子量區(qū)間內，其中：CODMn在窖水中的分布，占比最高為44.02%的是分子量區(qū)間分布在<3 K的小分子有機物，其次是占比為23.81%，其分子量區(qū)間分布是>100 K；而UV254在窖水中分布，>100 K 的大分子量占總量的24%；<3 K的小分子量占37.36%，占比最重；對其組分進行分析可知，在>100 K區(qū)間分布的大分子有機物可能是由微生物等生物降解而產生的，而在<3 K區(qū)間分布的小分子有機物則來源于腐爛的落葉或者家畜糞便等[8]。

PAC(有效成分Al2O3>29%)；NPAM(分子量200～1 200萬；固含量>90%)；木質粉末活性炭(180～220目；比表面積：900 m2/g；碘吸附值：1 000 mg/g；亞甲基藍吸附值：135 mg/g)。

超濾杯(上海膜速科技公司)及高純氮氣(純度99%，截留相對分子量為100 KDal的超濾膜(PES平膜)；HACH2100P便攜式濁度儀；752型紫外分光光度計；722型可見分光光度計；JJ-4A型六聯(lián)電動攪拌機。

1.2 實驗方法

單獨超濾實驗：采用超濾杯及高純氮氣加壓過濾方式進行實驗，而超濾的過濾方式有錯流過濾和死端過濾[9]。

強化混凝實驗：采用六聯(lián)攪拌器分別進行了PAC、PAC/NPAM、PAC/NPAM/木質粉末活性炭3種 不同強化混凝方式下的靜態(tài)燒杯實驗，先快速攪拌(轉速和時間恒定為200 r/min和2 min)后慢速攪拌(轉速和時間恒定為20 r/min和30 min)，沉淀時間恒定為30 min，根據(jù)有無沉淀，可分為混凝-沉淀以及在線混凝2種形式。

強化混凝與超濾聯(lián)合實驗：根據(jù)組合方式形成4種聯(lián)合方式：混凝-沉淀/錯流過濾、混凝-沉淀/死端過濾、在線混凝/錯流過濾以及在線混凝/死端過濾[10]。

2 結果與討論

2.1 單獨超濾對窖水的處理效果

由圖2可知，錯流過濾和死端過濾兩種過濾方式對污染物的處理效果差別不大：對UV254和氨氮的去除率都比較低，其去除率均在20%以下，對CODMn的去除率為23%～24%，對濁度有97%以上的去除率。而超濾去除UV254和CODMn的效果與超濾膜的截留分子量和水中有機物的分子量分布有關[11]。而本實驗采用的是截留分子量為100 KDal的超濾膜，對尺寸小于膜孔的有機物不能被有效截留，故對有機物的去除率較低。

圖2 不同加壓過濾方式對出水水質的影響Fig.2 Effect of different pressure filtrationmethods on effluent quality

單獨超濾的膜通量測量結果見圖3。

圖3 不同超濾方式對膜通量變化的影響Fig.3 Effect of different ultrafiltration methodson membrane flux changes

單獨超濾時死端過濾方式下的膜通量下降速度慢于錯流過濾，主要是因為①兩種過濾的方式不同：死端過濾時僅僅加壓，而錯流過率則是加壓和攪拌轉子同時運行[8]；②死端過濾過程中形成的濾餅層，質軟疏松多孔，可吸附更小的顆粒雜質，防止其在進入膜孔，造成膜污染；經正反沖洗后，可將濾餅層處理干凈，使得超濾膜保持干凈，膜通量得到較大程度的恢復[9]；③錯流過濾過程中形成的濾餅層，致密，不易截留小分子有機物，從而使得小分子有機物或者微小膠粒進入膜孔，造成不可逆的膜污染，經過正反沖洗后，膜通量有所恢復，但程度不大[12]。

2.2 不同強化混凝方式對窖水的處理效果

通過強化混凝的單因素實驗，分別確定了不同強化混凝方式條件下PAC、NPAM及木質粉末活性炭的最佳投加量分別為30，0.2，40 mg/L。不同強化混凝方式對窖水中污染物的去除效果其結果見圖4。

圖4 不同強化混凝方式對窖水中污染物的去除效果Fig.4 Removal effect of different enhanced coagulationmethods on pollutants in the muddy water

由圖5可知，PAC、PAC/NPAM、PAC/NPAM/木質粉末活性炭3種強化混凝方式對4種污染物的處理效果逐漸增強：主要是因為有機物存在懸浮、膠體、溶解3種狀態(tài)，而常規(guī)混凝只能去除懸浮以及膠體狀態(tài)的有機物，對于溶解性的有機物去除率較低，這是由于溶解態(tài)的有機物屬于親水性物質，不易被鋁系水解化合物捕捉[4]，而PAC作為鋁系無機高分子混凝劑，其作用機理主要為吸附架橋、電性中和以及網捕卷掃，使水中細微懸浮粒子和膠體脫穩(wěn)絮凝，同時適量的PAC水解形成的Al(OH)3膠體網捕卷掃水中有機物等污染物，因此能達到凈化處理效果；同時NPAM是一種非離子型聚丙烯酰胺助凝劑，其增強混凝效果主要憑借氫鍵以及自身所帶基團的質子化作用完成的[12-13]，故PAC/NPAM聯(lián)用的去除效果高于單獨投加PAC；而木質粉末活性炭具有較大的比表面積以及較強的吸附性，能吸附混凝和助凝所難以處理的小分子有機物，實現(xiàn)互補作用，因此PAC/NPAM/木質粉末活性炭聯(lián)用技術的去除效果高于PAC/NPAM聯(lián)用的去除效果。如圖5所示，3種強化混凝方式對每個區(qū)間的有機物都有一定的去除效果，其中PAC的投加對>100 KDal分子量的有機物去除效果更加明顯；而NPAM/PAC復配投加對各個分子量區(qū)間的有機物去除率較均衡；而NPAM/PAC/木質粉末活性炭的投加對每個區(qū)間的有機物均有一定的去除率，且對<5 KDal分子量的有機物有較好的去除效果[9]。

圖5 不同強化混凝方式對有機物分子量的影響Fig.5 Effect of different enhanced coagulation methodson the molecular weight of organic matter

2.3 強化混凝/超濾對窖水的處理效果

由于超濾、納濾等膜技術容易受到污染，一般采用“預處理+膜技術”工藝[14-16]，該工藝可以有效提高出水水質，并延長了膜的使用壽命。因此，由圖6可知，強化混凝/超濾聯(lián)用技術對氨氮、UV254、CODMn的去除較單獨超濾有明顯的提升。這主要是由于在強化混凝過程中PAC主要起吸附架橋和電性中和的作用，可以使窖水中脫穩(wěn)的膠粒重新聚集，同時因PAC水解而產生的氫氧化鋁則可以網捕和卷掃部分溶解性物質，而NPAM投加后使懸浮的粒子產生絮凝沉淀，更加容易聚集形成密實、較大的、沉降性好、具有大比表面積的多孔隙的混凝體顆粒，吸附水中溶解性有機物，提高了有機物的去除率[17]，而粉末活性炭利用其巨大的比表面積和優(yōu)越的吸附性，對PAC和NPAM所不能吸附的小分子有機物有較強的吸附作用，充分實現(xiàn)了三者的作用互補。

圖6 超濾、強化混凝/超濾對窖水中污染物的去除效果Fig.6 Removal of pollutants from sputum by ultrafiltrationenhanced coagulation/ultrafiltration

強化混凝/超濾的膜通量測試結果見圖7。

圖7 不同強化混凝/超濾方式的膜通量變化Fig.7 Membrane flux changes in different enhancedcoagulation/ultrafiltration methods

由圖7可知，在線混凝下的膜通量衰減速率低于混凝-沉淀的膜通量衰減速率，主要是因為①在線混凝預處理過程中形成的礬花沒有經過沉淀而在壓力的作用下在超濾膜的表面形成了一層濾餅層，可以截留部分小分子親水性有機物等雜質，使之不能進入膜孔，有效的緩解了膜污染[8]；②經過混凝沉淀預處理過程中產生的比表面積較大的、疏松多孔的絮體，雖然能夠吸附更多的微小膠粒，從而降低了水中的污染物濃度[18]，但是經過沉淀后再次形成濾餅層的速率變得較為緩慢，而且未被吸附的小分子有機物等會進入膜孔而造成不可逆的膜污染，因此膜通量衰減速度較快。

從單獨超濾、強化混凝、強化混凝與超濾聯(lián)用對4種污染物的去除效果以及膜通量變化的研究中可以看出，強化混凝與超濾聯(lián)用技術的去除效果優(yōu)于超濾和強化混凝兩者單獨作用的結果，并且采用在線混凝/死端過濾的聯(lián)用技術效果最佳。

3 結論

(1)我國西北農村地區(qū)的窖水，部分地區(qū)的水質較差，屬于微污染水，其中有機物的分布呈現(xiàn)兩極分化的特點。窖水中的有機物CODMn、UV254分子量主要存在>100 KDal和<3 KDal的區(qū)間范圍內，分別占總分子量的23.81%,44.02%和24%,37.36%。

(2)單獨超濾條件下，無論死端流或者錯流過濾，對NH3-N、CODMn、UV254去除效果差，同時膜通量衰減速率快。

(3)微污染窖水經過分別單獨投加PAC，PAC/NPAM，PAC/NPAM/粉末活性炭的3種強化混凝方式下，以PAC/NPAM/粉末活性炭為主的強化混凝效果最好，對氨氮、CODMn、UV254的去除效率分別為42.09%,50.47%和64.25%。

(4)以PAC/NPAM/粉末活性炭與超濾聯(lián)合工藝處理的窖水，較單獨超濾和PAC/NPAM/粉末活性炭的效果好，對氨氮、CODMn、UV254的平均去除率分別為49.25%，61.50%和84%。

(5)聯(lián)用技術下的膜通量衰減速率比單獨超濾的緩慢，其中混凝沉淀/超濾的膜通量的衰減速率比單獨超濾的平均減緩了36.24%，而在線混凝/超濾的膜通量的衰減比單獨超濾的平均減緩了42.23%，并且在線混凝/死端過濾的膜通量的衰減速率下降得最緩慢，不但延長了超濾膜的使用壽命，降低了成本，而且有效的去除了污染物，適用于農村微污染窖水的凈化。