張 量 俞云鋒 周 健

(1.珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070；2.杭州格林艾爾環(huán)?？萍加邢薰?，浙江 杭州 310000)

國家頒布新修訂的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB/5749-2006)于2007年7月1日開始實(shí)施，指標(biāo)由原標(biāo)準(zhǔn)的35項(xiàng)增至106項(xiàng)，這無疑對傳統(tǒng)工藝水廠提出了新的要求。超濾作為純物理凈水技術(shù)，能有效截留水中的懸浮物、藻類、膠體、細(xì)菌等污染物殘留，保證出水的微生物安全性，具有綠色、高效、節(jié)能、工藝簡便、過程易控制、占地面積小、出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是新一代飲用水凈化工藝的較佳選擇[1]。然而，膜污染問題一直是超濾膜應(yīng)用所面臨的最大挑戰(zhàn)。其表現(xiàn)為：通量隨時(shí)間不斷衰減，膜兩側(cè)壓差和通過膜的壓降逐漸加大，污染嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致過濾過程難以繼續(xù)進(jìn)行[2]。因此，在實(shí)際工程試驗(yàn)中探索超濾膜污染情況和清洗恢復(fù)效果具有實(shí)際意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料(加粗)

試驗(yàn)采用高強(qiáng)度涂覆膜(膜型號LJ2A-1500-V160)，為柱式結(jié)構(gòu)組件，共10個(gè)膜柱，膜總面積70 m2。(1)膜池設(shè)計(jì)尺寸長×寬×高(有效水深)：1.8 m×0.6 m×2.5 m；(2)抽吸泵：Q=2.5 m3/h，H=8 mH2O，最大吸力≤-5 mH2O，耐腐蝕型；(3)反洗泵：Q=6.5 m3/h，H=15 mH2O，離心泵；(4)鼓風(fēng)機(jī)：0.85 Nm3/min×2.5 mH2O；(5)其他儀表、閥門、管件及自控系統(tǒng)。

1.2 試驗(yàn)流程

通過本試驗(yàn)研究，尋求與長江下游水源相匹配的超濾膜過濾工藝參數(shù)，延緩膜污染上升程度，降低制水成本。試驗(yàn)一方面通過恒流量、變壓差方式運(yùn)行，考察并分析超濾膜壓差變化規(guī)律；另一方面通過膜阻力系數(shù)考察膜污染情況優(yōu)選出合適的維護(hù)性清洗參數(shù)。

試驗(yàn)裝置見圖1。PVC超濾膜試驗(yàn)程序初始設(shè)定如下：過濾90 min→反洗60 s→排污60 s。過濾過程是通過膜組反洗泵把待濾水從中空纖維膜外側(cè)抽吸過膜壁，收集于集水管。每個(gè)膜池中的所有產(chǎn)水匯集到反洗水箱中，超過一定液位便正常出水。反洗過程是將超濾產(chǎn)水反向透過中空纖維膜，同時(shí)在膜堆底部通過氣泵氣沖擦洗中空纖維膜絲表面從而去除沉積物，反洗結(jié)束后將膜池中的液體通過排污口排出。定期對超濾膜進(jìn)行維護(hù)性化學(xué)清洗，即使用一定濃度的次氯酸鈉浸泡清洗。

圖1 工藝流程示意圖

膜出水管路上安裝壓力傳感器，可據(jù)此計(jì)算出抽吸壓力值。此外系統(tǒng)具有液位報(bào)警的功能，當(dāng)膜池液位較低，膜絲暴露在空氣中，系統(tǒng)報(bào)警停止運(yùn)行。

1.3 工藝參數(shù)(加粗)

試驗(yàn)分為兩個(gè)階段：

(1)第一階段流程——沉后水超濾膜工藝；

試驗(yàn)采用浸沒式超濾膜組件，膜過濾方式為負(fù)壓抽吸。為更好地模擬工程實(shí)際，減小試驗(yàn)誤差，原水混凝反應(yīng)不另做沉淀裝置，直接從沉淀池出水區(qū)(斜管沉淀池上部)取水進(jìn)行試驗(yàn)。運(yùn)行參數(shù)見表1。試驗(yàn)過程中維護(hù)性清洗采用200 ppm 次氯酸鈉浸泡1 h。

表1 沉后水超濾膜工藝運(yùn)行參數(shù)

(2)第二階段流程——濾后水超濾膜工藝：

試驗(yàn)采用浸沒式超濾膜組件，膜過濾方式為負(fù)壓抽吸。為更好地模擬工程實(shí)際，減小試驗(yàn)誤差，從移動(dòng)罩濾池出水渠取水進(jìn)行試驗(yàn)。運(yùn)行參數(shù)見表2。試驗(yàn)過程中，8月6日及之前維護(hù)性清洗采用200 ppm次氯酸鈉浸泡1 h，8月20日采用400 ppm次氯酸鈉浸泡2 h，9月4日采用600 ppm次氯酸鈉浸泡5 h。

表2 濾后水超濾膜工藝運(yùn)行參數(shù)

1.4 技術(shù)指標(biāo)

(1)跨膜壓差(TMP)

TMP表示水透過膜的實(shí)際所需的驅(qū)動(dòng)力，計(jì)算為原水側(cè)的平均壓力與產(chǎn)水側(cè)平均壓力的差。

(2)膜阻力系數(shù)(Rm)

根據(jù)Hagen-Poiseuille定律，對于超濾系統(tǒng)，通量、跨膜壓差與水的粘度之間的關(guān)系可以用下式表示：

式中：TMP——跨膜壓差，kPa；

qc——超濾膜通量，L/(m2·h)；

ε——超濾膜開孔率，%；

r——超濾膜孔眼直徑，m；

τ——擴(kuò)散曲率，實(shí)際膜孔毛細(xì)管長度與膜厚度之比；

L——超濾膜有效厚度，mm；

μ——水的粘度，Pa·s。

X——通量系數(shù)，20 ℃時(shí)，超濾膜在1 m水頭工作壓力下的通量值，反應(yīng)了超濾膜的特性、超濾膜的污染情況和產(chǎn)水過程中的干擾(如產(chǎn)水管阻力等)。通量系數(shù)可以表征超濾膜運(yùn)行過程中的狀態(tài)，作為超濾膜污染的尺度。

k——考慮運(yùn)行過程中的超濾膜污染和產(chǎn)水過程中的干擾(如產(chǎn)水管積氣、產(chǎn)水管閥門阻力等)的修正系數(shù)。

Rm=1/X

Rm——膜阻力系數(shù)，通量系數(shù)的倒數(shù)，可以直觀的反映膜的污染情況(全部歸一化到20 ℃)。

2 結(jié)果與討論

2.1 跨膜壓差TMP

跨膜壓差受水質(zhì)、水溫、膜通量、曝氣量、超濾膜自身情況等多種因素影響，能夠在一定參數(shù)下用來表征膜的污染程度，對于分析周期內(nèi)膜情況有參考意義[3]。詳見圖2。

圖2 超濾膜跨膜壓差曲線

1月24日維護(hù)性清洗之后膜組件運(yùn)行比較穩(wěn)定，TMP從清洗前的27.4 kPa降低到清洗后的19.2 kPa，清洗效果明顯。隨著水溫的升高(10℃～15℃)，水粘度降低，TMP呈下降態(tài)勢。3月7日進(jìn)行維護(hù)性清洗后，TMP起始值為14.1 kPa，在一個(gè)維護(hù)清洗周期內(nèi)上升到22.3 kPa，3月21日維護(hù)性清洗后，TMP降低至13.6 kPa，說明維護(hù)性清洗基本可以恢復(fù)膜通量。5月25日至6月20日，水溫在23℃～26℃之間，超濾膜通量28.6 L/(m2·h)，在保證穩(wěn)定產(chǎn)水量下所需的TMP值僅在5 kPa～8 kPa，具有極低的跨膜壓差。該結(jié)果與國內(nèi)外其他學(xué)者的研究結(jié)論類似[4，5]。

7月19日至7月23日，濾后水直接進(jìn)入膜池，膜通量28.6 L/(m2·h)下TMP僅有4 kPa左右，運(yùn)行能耗非常低，故于7月23日將膜通量提高至35.7 L/(m2·h)，維護(hù)性清洗后起始TMP上漲到約6 kPa。8月6日進(jìn)行維護(hù)性清洗后TMP有一定程度降低。8月27日再次提高膜通量至42.8 L/(m2·h)，此時(shí)溫度較為穩(wěn)定，TMP較8月數(shù)據(jù)有一定程度升高。

2.2 膜阻力系數(shù)Rm

隨著水溫的升高，水粘度系數(shù)大幅度降低，同等壓力下水分子透過膜的能力增強(qiáng)[6]。本次試驗(yàn)時(shí)間為1月到9月，兩組試驗(yàn)分別以沉后水和濾后水為水源，水溫跨度為6 ℃～32 ℃。膜通量范圍為28.6 Lmh～42.8 Lmh。由于水溫不同，膜通量不同，因此不能將運(yùn)行中得到的跨膜壓力TMP直接進(jìn)行比較。膜阻力系數(shù)是膜通量、TMP和水粘度的函數(shù)，可以將不同運(yùn)行情況下的膜參數(shù)歸一化到20 ℃水溫條件下進(jìn)行比較，因此用膜阻力系數(shù)來近似表征膜污染的程度[7]，詳見圖3。

圖3 超濾膜阻力系數(shù)曲線

由圖可知，無論進(jìn)水為沉后水還是濾后水，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，在一個(gè)維護(hù)性清洗周期內(nèi)Rm呈增長趨勢。此外，濾后水為進(jìn)水的試驗(yàn)表明，膜通量增加Rm隨之增長。7月30日在膜通量保持不變的情況下，反洗強(qiáng)度從107 L/(m2·h)降低到86 L/(m2·h)，7月30日之后Rm增長的斜率低于7月30日之前的，說明在此進(jìn)水條件下，反洗強(qiáng)度過大并不利于膜運(yùn)行。

通過對濾后水為進(jìn)水的三個(gè)維護(hù)性清洗周期數(shù)據(jù)可知，提高維護(hù)性清洗的濃度和浸泡時(shí)間，Rm呈不同程度的降低，去除污染能力加強(qiáng)。運(yùn)行前期不可逆污染生成量小，運(yùn)行一段時(shí)間后不可逆污染生成，但污染物主要為可逆污染。可逆污染可通過氣洗、水洗等物理手段恢復(fù)，有研究表明，曝氣對膜污染的去除具有明顯效果，增加曝氣強(qiáng)度會導(dǎo)致超濾膜的跨膜壓差增長變緩[8]。不可逆污染必須借助化學(xué)藥劑去除，如次氯酸鈉、氫氧化鈉和檸檬酸等[9]。

沉后水的最后一個(gè)和濾后水的第一個(gè)運(yùn)行周期中膜運(yùn)行通量均為28.6 L/(m2·h)，濾后水進(jìn)超濾膜模擬直線的斜率為0.0367，大于沉后水進(jìn)超濾膜模擬直線的斜率0.0213，說明濾后水直接進(jìn)膜膜阻力系數(shù)增長速度快。結(jié)合圖2，可知原水為濾后水時(shí)TMP很低，但對膜污堵的速率卻比沉后水的速率要快。

3 結(jié)論

通過超濾膜對常規(guī)處理工藝沉后水和濾后水的處理工程試驗(yàn)得出以下結(jié)論：(1)無論進(jìn)水是沉后水還是濾后水，在一個(gè)維護(hù)清洗周期內(nèi)Rm呈增長態(tài)勢，且濾后水增長速度較快。(2)維護(hù)性清洗后，根據(jù)維護(hù)性清洗的濃度和浸泡時(shí)間的不同，Rm呈不同程度的降低，加大維護(hù)性清洗次氯酸鈉的濃度和延長浸泡時(shí)間，去除污染能力提升。(3)進(jìn)水為濾后水時(shí)比沉后水污堵速率更高。