浸没式超滤取代砂滤处理东江水的中试研究

沈玉东，田家宇，吕 谋，陈 杰，林建禄，李圭白

(1.青岛理工大学环境与市政工程学院，山东 青岛 266033;2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨 150090;3.苏州立升净水科技有限公司，江苏 苏州 215152)

中空纤维超滤膜具有填充密度大、单位面积制造成本较低的优点，但相对于其他膜构型来说，其膜污染趋势较高［1］，膜污染使得膜的渗透性降低，导致产水量降低或能耗增大，是限制其进一步推广应用的一个瓶颈问题.

除了膜材料特性、膜组件设计等因素之外，解决膜污染的有效途径之一是及时对受污染膜进行清洗，以恢复膜过滤通量.因此，如何使受污染的膜得到合适有效的物理及化学清洗具有重要意义，膜系统运行中的反洗方式、反洗强度、EFM清洗和化学清洗条件是组成膜清洗研究的重要方面［2－3］.

1 材料与方法

1.1 装置介绍

试验中采用浸没式中空纤维超滤膜组件，由立升公司生产.设计产水能力240 t/d.膜材质为PVC合金，非对称性膜结构;膜丝有效长度1500 mm;运行方式:外压浸没式(OUT/IN).膜帘数为10，总膜面积为10×25 m2，膜堆外形尺寸为745 mm×530 mm×2037mm，组件模拟简图如图1所示.

图1 膜组件示意图

膜组件底部安装有穿孔曝气管，曝气孔口朝下，以减轻对膜丝的直接剧烈冲击，避免断丝;顶部接口管外接出水管及反洗管，通过膜池外部的阀门变换水流方向，进行过滤－反洗过程的切换;同时反洗管接有加药泵，化学清洗时，清洗药剂从膜丝内侧流向外侧，使药剂与膜上污染物质充分接触.

1.2 膜污染清洗评价方式

对于膜污染物理清洗效果评价，一般采用纯水透水率恢复系数来表示［4］，而化学清洗评价一般采用纯水通量比J/J0来表征药洗效果［5］.鉴于试验实际情况，本实验采用沉后水渗透率η(本文所有渗透率均指以沉后水作为过滤条件)的恢复系数K，作为膜物理清洗的评价指标.

其中:η为膜的渗透率，L/(m2·h·kPa);φ为通量，L/(m2·h);Δp为跨膜压差，kPa;K为渗透率恢复系数为清洗后膜的渗透率;η0为膜的初始运行时渗透率.

EFM清洗和化学清洗效果采用渗透率恢复比进行考察，即

其中:η'为膜物理清洗后、药洗前的渗透率;η0为膜药洗后的渗透率，作为下一周期的初始渗透率;r值大于1.

1.3 试验运行及数据处理

该规模中试在东莞某水厂进行，以即时的沉后水作为待滤水，利用中空纤维超滤膜过滤取代传统砂滤，膜装置为虹吸出水，以40 L/(m2·h)恒通量运行，装置总过滤水头(包括跨膜压差及管道损失)约为2.2 m.过滤时间达到预定值时，进行物理反洗，方便程序控制;若跨膜压差达到最高时，仍不能维持40 L/(m2·h)的出水能力，就实施EFM清洗或化学清洗.

物理及化学清洗前后，记录瞬时水温、膜组件转子流量计、液位计及真空表读数，算得跨膜压差，并用公式将通量及渗透率校正至25℃时值.

2 试验安排及结果讨论

2.1 物理清洗实验

通过设计实验，分别考察气洗、水洗及气水合洗方式对受污染膜的通量恢复效果.独立试验包括 A、B、C、D、E、F、G 和 H 共8 组，各进行 3 次，渗透率恢复系数K取平均值，如表1所示.运行的8组试验制水周期(即排污周期)均为4 h，包括:进水、过滤时间共225min，反洗、排空时间15min.

表1 气洗及水洗实验设计

参数定义及单位:气洗强度，单位膜组件投影面积上单位时间内的曝气量，m3/(m2·h);水洗强度，单位时间内透过单位膜面积的反洗水量，L/(m2·h).

2.2 物理清洗效果讨论

图2反映了单独气洗受污染膜时通量的恢复情况.在相同时间内，高强度气洗与低强度相比，清洗效率从74%升高到80%(图2A);从图2B中看到两条曲线存在交叉点，说明高强度气洗在持续一定时间后，在获得相同的反洗效率时更为节省用气量.

图3反映了单独水洗时膜通量的恢复情况.由图3A可以看出，高强度水洗比低强度水洗的反冲洗效率高;与图2B不同的是，图3B中曲线重叠性较好，推测可能存在着某一水洗强度区间，使得在该区间内水洗效率仅依赖于用水量的多少，而与水洗强度无关.王磊等人也认为，在一定条件下超滤膜清洗效率不受反洗强度影响［6］.

图4A为不同强度气水合洗的效率随清洗时间的变化曲线.与图2、3对比，可以看出气水合洗的协同作用明显，其清洗效率均好于单一的气洗或水洗;且气洗强度越大，这种协同作用的贡献越明显.

图4B表示的是气水合洗效率随反洗水量的变化情况.在气水合洗中，水的消耗量直接影响着制水成本，故以消耗水量为X坐标轴.通过图3B与图4B的对比，可以看出，气水合洗方式在保证清洗效率时，相对地减少了反洗水用量.例如，在单独水洗强度为140 L/(h·m2)水洗70 s后，反洗效率84.3%，消耗水量2.72L/m2;在同等清洗效果下，水洗强度140 L/(h·m2)、气洗强度22.5m3/(h·m2)的气水合洗方式消耗水量1.67 L/m2，节省用水量39%左右，提高系统的净产水率.

但曝气量不是越大越好，过大的曝气量会显著增大能量消耗，也会加剧膜丝磨损.如何寻求更为合适的组件结构设计及曝气设计，加强纤维束中活塞流的剪切与吹脱作用［7］来强化曝气效果，需要进一步探求.

2.3 物理清洗强度确定

依据2.2结论，可以选择物理清洗中气洗方式采用高强度，为保证产水率，尽可能地选择较低的水洗强度.最终选定气洗45 m3/(h·m2);水洗80 L/(h·m2)作为组件气水合洗强度，进行清洗时间分别为50、100、180、300、420 s的实验，每一清洗时间均进行试验7次，恢复系数取平均值.结果见图5.

图5 固定清洗强度下的气水合洗效率随清洗时间的变化情况

从图5中可以看出，若以气水合洗7min为可逆污染的去除极限值，则清洗时间为180 s时，反洗效率就接近93%左右.若继续清洗至7min，清洗效果为96%.从产水率与膜通量恢复效果两方面综合考虑，既要要获得较好的反洗效果，又要保证产水率不能过低，就要适当缩短反洗时间，寻求平衡点.本实验推荐的反洗时间为120～180 s的范围之内，产水率大于94%.

2.4 化学清洗药剂选择

地表江河水受自然条件影响，水中悬浮物和胶态杂质含量较多.地表水处理过程中，对膜造成的污染物质主要有:藻类，细菌、病毒;腐殖质、蛋白质，有机物悬浮物、胶体;此外还有溶解性铁、锰、硅、钡等.不同的污染形态需要特定的化学药剂.表2列出一些主要膜污染类型及对应的清洗剂［4］.(单位:mg/L).

表2 污染物质类型和清洗剂

由于试验现场条件限制，试验中只研究了盐酸、次氯酸钠和苛性钠三种药剂的清洗效果.表3和图6分别为药洗参数设计和清洗效果情况.从图6的药洗效果可以看出，酸洗与次氯酸钠清洗对受污染膜的通量恢复所起的作用较大.而碱洗效果不佳，恢复率仅为1.02.

表3 化学清洗试验设计

图6 不同药剂组合的化学清洗效果对比

B组实验中，第Ⅱ、Ⅳ阶段的次氯酸钠清洗在去除膜污染物中的贡献最大，第Ⅲ阶段的酸洗次之，苛性钠最低.初步分析，该超滤膜污染以有机物污染为主，并存在着一定的铁锰沉积.这一推断在药洗浸泡液的成分分析结果中得到了验证.故选定次氯酸钠及HCl溶液作为药洗药剂.

此后的试验中以盐酸－次氯酸钠作为清洗药剂，进行了两次不同清洗顺序的对比试验，检测药洗液中铁锰质量浓度如下表4所示.由表4可知，NaClO洗与HCl洗对铁去除效果均好，HCl洗对锰污染去除效果取决于它在清洗顺序中的位置.据此分析，可能铁与有机物结合形成杂合体覆盖在膜的表层，而锰沉积在膜孔深处.故当NaClO洗对有机物清洗去除时，也伴随着铁的去除;而位于膜污染深处的锰沉积只有在表层污染去除后，再以酸洗才能清洗掉.

表4 药洗水中金属质量浓度对比

2.5 药洗质量浓度与药洗时间

根据2.4结果，进一步考察了次氯酸钠药洗效果受药剂质量浓度和药洗时间两个因素的影响情况.试验方法:在充分物理清洗后，采用质量浓度(C)的药液对膜浸泡t1时间，排空进水并测定药洗效率;排空后再次采用质量浓度为C的药液浸泡t2时间，排空后测定累积浸泡时间为(t1+t2)的药洗效率;再排空重新进药洗水，浸泡t3时间，排空并测定累积浸泡(t1+t2+t3)时间的药洗效率…….以累积浸泡时间为X轴，以反洗效率为Y轴，如图7所示.

由图7中可以看出，在同样的清洗时间下，药洗质量浓度对清洗效率产生较大影响.而在同样的药液质量浓度下，药洗效率与浸泡时间在一定范围内近似成对数关系.虽然药洗时间越长，效果越好，但这样会降低有效过滤时间.该曲线一定程度上能为药洗成本控制提供参考，若采用次氯酸钠作为EFM清洗药剂，则浸洗时间不应过于长，同时质量浓度亦不应过低，需做经济性分析.

图7 药剂质量浓度试验对比

综上所述，物理清洗和化学清洗条件表观上决定着污染膜的清洗效率，而其本质是对膜污染物去除能力的反映.此外，膜表面污染物的去除效果，还和膜组件设计等因素有关.例如适合的纤维松弛度可以强化纤维的抖动，减缓膜污染［7］;曝气管路位置、气泡大小及运行方式对纤维束中活塞流剪切扰动去除污染物能力的影响与强化［8－10］;纤维束根部污染(图8为实验运行9个月后的膜丝表面状况)的处理等.

图8 根部污染膜丝的对比

3 结论

1)等长反洗时间下，单独水洗或单独气洗的效率都随清洗强度的增加而升高;气水合洗协同作用明显，且气洗强度越大，气水合洗的协同清洗作用就越大;

2)单独气洗中，高强度气洗在获得相同的清洗效率时更为节省用气量;单独水洗中，在特定的水洗强度范围内，水洗效率仅依赖于用水量的多少;

3)本实验中，次氯酸钠与盐酸的化学清洗效果明显，对膜通量恢复的贡献较大，膜污染以有机物污染为主;苛性钠清洗效果不佳;

4)铁与有机物结合形成杂合体覆盖在膜表面，NaClO在去除有机物时，也能清除膜上沉积的铁;锰可能沉积在膜孔深处，酸洗作为补充清洗时，对锰的去除效率较高;

5)化学药剂质量浓度对清洗效果有决定性作用;且清洗效率与药剂浸泡时间近似成对数关系.

根据原水水质、膜本身特性等因素，进一步优化膜组件设计，选取合适的曝气、反洗方式与强度、以及化学清洗条件，对保持稳定的膜过滤通量、降低制水成本、维持膜组件长期稳定运行有着重要的意义.

［1］［荷］MARCEL M.膜技术基本原理［M］.李 琳，译.2版.北京:清华大学出版社，1999:299－304.

［2］齐希光，郭群峰，李秀芬.超滤操作条件对超滤膜清洗效率的影响［J］.膜科学与技术，2006，26(1):47－49.

［3］DEGARRD H，THORSEN T，MELIN E.Practical experiences from embrane filtration plants for humic substance removal［J］.Water Science＆ Technology，2000，41(10):33－41.

［4］王 湛.膜分离技术［M］.北京:化学工业出版社，2000:248－251.

［5］KATSUKI K，YASUSHI H，YOSHIMASA W.Irreversible membrane fouling during ultrafiltration of surface water［J］.Water Research，2004，38:3431－3441.

［6］王 磊，福士 宪一.运行条件对超滤膜污染的影响［J］.中国给水排水，2001，17(10):1－4.

［7］CHANG S，FANE A G.Filtration of biornass with lab－scale submerged hollow fibre membrane module:effect of operational conditions and module configuration［J］.J Chem Technol Biotechnol，2002，77:1030－1038 .

［8］王 捷，张宏伟，贾 辉.浸没式中空纤维膜组件的优化和设计［J］.膜科学与技术，2007，27(5):82－88.

［9］CUI Z F，CHANG S，FANE A G.The use of gas bubbling to enhance membrane processes［J］.J Membr Sci.，2003，221(1－2):1－35.

［10］史慧婷，杨艳玲，李 星.混凝－超滤处理受污染原水的试验研究［J］.哈尔滨商业大大学学报:自然科学版，2011，27(2):151－154.