混凝吸附-管式膜组合工艺深度处理地表Ⅴ类水体

2020-04-14刘鲁建张岚欣张双峰曹斌强宋劲强许存根

化学与生物工程 2020年1期

刘鲁建，张岚欣*，董俊，张双峰，曹斌强，王威，宋劲强，许存根

(1.湖北君集水处理有限公司，湖北武汉430065；2.湖北省污水资源化工程技术研究中心，湖北武汉430065)

对于微污染水体的深度处理及修复，国内外常用的工艺包括：曝气增氧、人工湿地、絮凝沉淀[1-3]等；近年来兴起的新型工艺有：光氧化技术、生物活性滤池、膜过滤技术[4-6]等。对于污染物限值接近于地表Ⅴ类水体的微污染水体，水中氮磷元素及COD浓度较高，容易造成富营养化，而湖泊富营养化程度是水环境质量评价的重要内容之一[7]。

为了将地表Ⅴ类水体提升至地表Ⅲ类水体标准，国内外学者进行了较多研究，如降低水体氮磷及COD浓度，对周边湖泊、水库等进行有效生态补水等。其中，超滤膜工艺因占地较少、施工便利、出水品质好、自动化程度高等优势[8-9]在地表水深度处理中应用较为广泛。曹国凭等[10]从膜材料、工艺、膜污染等方面总结了超滤技术在国内外地表水处理中的研究状况；崔俊华等[11]以微污染地表水为原水，采用混凝-超滤组合工艺进行了污染物去除效果及膜污染情况的研究；陈启斌等[12]采用微絮凝/超滤组合工艺处理印染废水，COD去除率可达96%以上。

作者以地表Ⅴ类水体为水源，通过调整混凝剂聚合氯化铝(PAC)、粉末活性炭、次氯酸钠的投加量，考察混凝吸附-管式膜组合工艺对总磷、COD及氨氮的去除效果，并考察不同工况下膜通量及进水压力的变化。

1 实验

1.1 试验装置和流程

试验装置(图1)采用2组管式超滤膜，每组2支膜组件，每支组件膜面积1.5 m2。利用进水泵抽取微污染的湖水至原水箱，经Y型过滤器去除水中藻类，在线计量依次投加混凝剂PAC、粉末活性炭、次氯酸钠，利用U型管混合反应约20 s，由于混凝时间较短，仅在管道内形成微絮体。所形成的泥水混合物经末端管式超滤膜装置分离，净水直排湖中，超滤膜装置底端进行间歇排渣。

1.进水泵 2.原水箱 3.Y型过滤器 4.PAC加药箱 5.PAC加药泵 6.配炭罐 7.加炭泵

1.2 进水水质

利用进水泵抽取微污染的湖水作为试验水源，其污染物浓度接近地表Ⅴ类水体，具体水质指标见表1。

表1水质指标

1.3 组合工艺优化

单独依次投加混凝剂PAC(25 mg·L-1、50 mg·L-1、75 mg·L-1、100 mg·L-1、125 mg·L-1、150 mg·L-1)、粉末活性炭(10 mg·L-1、20 mg·L-1、30 mg·L-1、40 mg·L-1、50 mg·L-1)、次氯酸钠(5 mg·L-1、10 mg·L-1、15 mg·L-1、20 mg·L-1、25 mg·L-1)，并监测出水水质及膜参数，得出各投药单元最佳工况，在此工况下进行同时加药，连续运行30 d，观察出水情况及膜通量等参数。

1.4 检测方法

采用岛津T-4200型TOC分析仪测定COD浓度；采用GB 11893-1989《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》测定总磷浓度；采用HJ 535-2009《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》测定氨氮浓度；采用GB 11901-1989《水质悬浮物的测定重量法》测定SS浓度；其中，样品总磷和氨氮吸光度采用仪锐科技752B型紫外分光光度计测定。膜系统工艺参数根据现场电磁流量计及压力表直接读数并计算。

2 结果与讨论

2.1 加药量对污染物去除效果的影响

2.1.1 PAC投加量对总磷去除效果的影响

在试验过程中，关闭粉末活性炭及次氯酸钠加药泵，分别投加PAC 25 mg·L-1、50 mg·L-1、75 mg·L-1、100 mg·L-1、125 mg·L-1、150 mg·L-1。于超滤膜装置出水口取水样，每个加药条件下各取样8次测定总磷浓度，结果见图2。

图2 PAC投加量对总磷浓度的影响Fig.2 Effect of PAC dosage on total phosphorus concentration

由图2可知，随着PAC投加量的增加，出水总磷浓度呈降低趋势，PAC在混凝过程中，矾花形成速度快、絮体成长速率快、沉淀性较好[13]；在 PAC投加量为50～75 mg·L-1时，出水总磷浓度可达到低于0.05 mg·L-1的水平；当投加量超过100 mg·L-1时，出水总磷浓度基本无明显变化，可稳定维持在0.02～0.03 mg·L-1。因此，选择最佳PAC投加量为50 mg·L-1。

2.1.2 粉末活性炭投加量对COD去除效果的影响

在试验过程中，关闭PAC及次氯酸钠加药泵，分别投加粉末活性炭10 mg·L-1、20 mg·L-1、30 mg·L-1、40 mg·L-1、50 mg·L-1。于超滤膜装置出水口取水样，每个加药条件下各取样8次测定COD浓度，结果见图3。

由图3可知，随着粉末活性炭投加量的增加，出水COD浓度呈降低趋势，粉末活性炭可有效吸附水中低浓度的有机污染物；在投加量为20～30 mg·L-1时，出水COD浓度可达到低于20 mg·L-1的水平；当投加量超过30 mg·L-1时，出水COD浓度呈明显的下降趋势。考虑到出水标准以及工程的经济性，选择最佳粉末活性炭投加量为20 mg·L-1。

图3 粉末活性炭投加量对COD浓度的影响Fig.3 Effect of powdered activated carbon dosage on COD concentration

2.1.3 次氯酸钠投加量对氨氮去除效果的影响

在试验过程中，关闭PAC及粉末活性炭加药泵，分别投加次氯酸钠5 mg·L-1、10 mg·L-1、15 mg·L-1、20 mg·L-1、25 mg·L-1。于超滤膜装置出水口取水样，每个加药条件下各取样8次测定氨氮浓度，结果见图4。

图4 次氯酸钠投加量对氨氮浓度的影响Fig.4 Effect of sodium hypochlorite dosage on ammonia nitrogen concentration

由图4可知，随着次氯酸钠投加量的增加，出水氨氮浓度呈降低趋势，氯化氧化法反应速度快、能有效氧化氨氮及COD[14]；在投加量为20～25 mg·L-1时，出水氨氮浓度可达到低于0.5 mg·L-1的水平。考虑到出水标准以及工程的经济性，选择最佳次氯酸钠投加量为20 mg·L-1。

2.2 膜运行参数的综合分析

为考察膜参数的变化，同时投加50 mg·L-1PAC、20 mg·L-1粉末活性炭及20 mg·L-1次氯酸钠，在此工况下连续运行30 d，膜通量及进水压力计算结果见图5。

图5 膜通量及进水压力趋势图Fig.5 Trend chart of membrane flux and feed water pressure

由图5可知，30 d内，膜通量范围为333.5～472.0 L·m-2·h-1，随着时间延长，膜通量呈小幅度的上下波动，平均膜通量为373.79 L·m-2·h-1，是传统的浸没式中空纤维超滤膜的20倍，具有膜通量大的特性；进水压力范围为0.02～0.09 MPa，随着时间延长，进水压力呈规律性上升的趋势，说明膜组件内部孔道有一定程度的堵塞现象，随着连续运行时间的延长需要通过化学清洗来恢复，平均进水压力为0.05 MPa。

2.3 加药量对膜系统的影响

2.3.1 PAC投加量对膜系统的影响

在试验过程中，关闭粉末活性炭及次氯酸钠加药泵，分别投加PAC 25 mg·L-1、50 mg·L-1、75 mg·L-1、100 mg·L-1、125 mg·L-1、150 mg·L-1，考察膜通量及进水压力的变化，结果见图6。

图6 PAC投加量对膜通量及进水压力的影响Fig.6 Effect of PAC dosage on membrane flux and feed water pressure

由图6可知，随着PAC投加量的增加，膜通量逐渐增大，由318 L·m-2·h-1增大至458 L·m-2·h-1；进水压力也显著升高，由0.02 MPa上升至0.11 MPa。表明膜系统的运行参数受PAC投加量影响较大，分析原因可能是由于投加PAC后，在水中形成的矾花能包裹住膜表面附着的细小颗粒，形成较大的絮体，从而更容易被膜组件截留，并且不容易堵塞膜孔，因此膜通量显著增大；同时，由于PAC浓度升高，进水中固含量较高，一定程度上增加了进水负担，造成进水压力的不断升高。

2.3.2 粉末活性炭投加量对膜系统的影响

在试验过程中，关闭PAC及次氯酸钠加药泵，分别投加粉末活性炭10 mg·L-1、20 mg·L-1、30 mg·L-1、40 mg·L-1、50 mg·L-1，考察膜通量及进水压力的变化，结果见图7。

图7 粉末活性炭投加量对膜通量及进水压力的影响Fig.7 Effect of powdered activated carbon dosage on membrane flux and feed water pressure

由图7可知，随着粉末活性炭投加量的增加，膜通量逐渐减小，由361 L·m-2·h-1减小至303 L·m-2·h-1；进水压力随之显著升高，由0.05 MPa上升至0.18 MPa。表明膜系统的运行参数受粉末活性炭投加量影响较大，分析原因可能是由于炭粉粒径较细，且不似PAC那样具备絮凝功能，更加容易附着在膜表面，堵塞膜孔，从而造成膜通量的减小及进水压力的急剧升高，此种情况必须通过化学清洗才能恢复。

2.3.3 次氯酸钠投加量对膜系统的影响

在试验过程中，关闭PAC及粉末活性炭加药泵，分别投加次氯酸钠5 mg·L-1、10 mg·L-1、15 mg·L-1、20 mg·L-1、25 mg·L-1，考察膜通量及进水压力的变化，结果见图8。

由图8可知，随着次氯酸钠投加量的增加，膜通量逐渐增大，由348 L·m-2·h-1增大至426 L·m-2·h-1；进水压力随之显著降低，由0.05 MPa下降至0.03 MPa。表明次氯酸钠对整个膜系统的运行起了较大的促进作用，分析原因是由于次氯酸钠具有强氧化性，能去除膜表面附着的有机污染物，对膜组件具有一定的清洗消毒作用，因此增加其投加量会引起膜通量的增大、进水压力的下降，可一定程度上延缓膜的污染。