高藻期超濾膜制水中試研究

許航釓6，陳衛(wèi)孔6，楊金虎6
(河海大學a．淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重
，潘少林
點實驗室；
6，趙磊6
環(huán)境學院，南京210098)


摘要：針對太湖水高藻期水質(zhì)特征，以超濾膜為終端處理技術，前端有混凝沉淀技術、預氧化技
術或吸附技術，形成組合工藝進行中試研究。研究結(jié)果表明：混凝一沉淀～超濾膜、高錳酸鉀一混凝一沉
淀一超濾膜和高錳酸鉀一混凝一沉淀一粉末活性碳～超濾膜3組組合工藝出水水質(zhì)良好，出水渾濁度均
低于0．1 NTu，藻類數(shù)量控制在2．5×104個／L左右，其它檢測指標達到生活飲用水衛(wèi)生標準(GB
5749 2006)。高藻水中有機物以疏水性有機物為主，疏水性有機物是造成膜污染的主要因素，有
效的超濾膜前段處理技術降低進入膜組件的疏水性有機物，緩解高藻期超濾膜污染。

關鍵詞：超濾膜；組合工藝；高藻期；膜污染

中圖分類號：TU99．24 文獻標志碼：A 文章編號：1674—4764(2012)04—0099—06

Pilot Investigation of Water Production by Ultrafiltration Process
during High Algal Period
XU Hang�！�，CHEN Wei。～，YANG Jinhu6，PAN Shaolin6，ZHAO Lei6
(a．Key Laboratory of Integrated Regulation and Resource Development on Shallow Lakes，Ministry of Education；
b．Environmental Science College，Hohai University，Nanjing 210098，P．R．China)
Abstract：On account of the characteristics of water in Taihu during high algal period，the pilot investigation
was conducted with the combination of uhrafihration membrane with coagulation，pre—oxidation technology
or adsorption technology．The results show that the quality of influent water from the three combination
processes： coagulation precipitation—ultrafiltration membrane，potassium permanganate—coagulation
precipitation—ultrafiltration membrane，potassium permanganate—coagulation precipitation—power activated
carbon—uhrafiltration membrane are preferred。with turbidity 10wer than 0．1 NTU，algae control in the
number of 2．5×104／I。，and other measured targets meet the drinking water standards(GB 5749--2006)．
The organic matter of high algal water mainly includes hydrophobic organic compounds which are maj or
factors leading to membrane fouling．The effective pre—treatment before uhrafihration membrane can
prevent hydrophobic organic compounding into the membrane pore，which will effectively ease the
membrane fouling during the high algal period．
Key words：uhrafihration membrane；combination process；high algal water；membrane fouling

水體富營養(yǎng)化會導致一定時期內(nèi)藻類瘋長，高
藻水給飲用水處理帶來了一系列的難題。高藻水影
響混凝一沉淀工藝的處理效能，堵塞和穿透濾池‘1。31；
水中含有大量毒性很強的藻毒素，常規(guī)工藝對其處
理能力有限；藻類新陳代謝和腐爛產(chǎn)生的惡臭物質(zhì)
易導致出廠水感官指標下降。目前，針對高藻水的研
究還是以藻數(shù)量去除，保障常規(guī)工藝正常運行為主，相
應的研究也集中在增加化學預氧化、投加粉末活性炭
收稿日期：2011-11一07

基金項目：國家博士后基金(20100481083)，水體污染控制與治理重大科技專項(2011ZX07410—001)

作者簡介：許航(1981一)，男，博士后，主要從事水處理技術研究，(E-mail)xuhan9810826@sina．corn。

陳衛(wèi)(通信作者)，女，教授，博士生導師，(E—mail)cw5826@hhu．edu．cn。



100 土木建筑與環(huán)境工程第34卷
和改善混凝條件等強化藻數(shù)量去除的措施[4。8]。
隨著膜技術的快速發(fā)展、膜性能的提高和價格
的降低，以超濾膜為核心技術的組合工藝將成為第
3代城市飲用水凈化工藝的主要特征[9]。該技術能
有效去除顆粒狀物質(zhì)，包括藻類、隱飽子蟲、賈第鞭
毛蟲、細菌和病毒等微生物，確保飲用水生物安全
性。在去除藻類方面，由于膜孔徑小于0．1 gm，而
藻類的大小在1肛m到幾百肛m不等，因此超濾膜在
理論上可以將藻類完全截留。但在應用超濾膜去除
藻類的過程中也存在另一個重要問題：藻類屬于膠
體類物質(zhì)，易附著在膜表面造成嚴重的膜堵塞，即膜
污染，這直接或間接的影響了超濾技術的應用，特別
是在藻類爆發(fā)季節(jié)，會出現(xiàn)膜通量明顯下降或者跨
膜壓差迅速升高的現(xiàn)象[1“”]。尋找一種有效的前端
處理技術，改善藻類污染對超濾膜的影響，將會大大
的擴展超濾膜在飲用水處理領域中的應用。
中試針對太湖水的水質(zhì)特點，研究以超濾膜為
核心的終端處理技術，前端有混凝一沉淀技術、預氧
化技術或吸附技術形成的組合工藝，考察組合工藝
對有機物、藻毒素等污染物的去除效能，結(jié)合超濾膜
的運行特性，以跨膜壓差的變化為主要考察參數(shù)，充
分利用有機物分級測定有機物表征方法，分析超濾
膜污染的主要因素。
1材料與方法
1．1試驗流程及方法
試驗在無錫市某水廠進行，自建飲用水常規(guī)處
理中試裝置和內(nèi)壓式超濾膜裝置。太湖水進入原水
箱后，由水泵提升至絮凝反應池，通過計量泵投加混
凝劑，沉淀后經(jīng)過中問水箱調(diào)節(jié)，此后經(jīng)保安疊片過
濾器后進入超濾膜組件，超濾膜的反洗水從產(chǎn)水箱
抽水反洗，反洗濃水排入下水道。各處理單元出水
管道設置三通，超濾膜裝置可直接取原水、混凝出水
或混凝一沉淀出水進行處理，工藝流程見圖1。
進入4月份后，隨著氣溫的升高，太湖水原水中
藻類數(shù)量也逐漸增多。根據(jù)原水中藻類數(shù)量的變化
及水質(zhì)變化情況，調(diào)整工藝流程進行中試研究。4
月一5月，原水中藻類數(shù)目低于5×107個／mL時，采
用混凝一沉淀作為超濾膜的預處理工藝，燒杯試驗確
定混凝劑(聚合氯化鋁)最佳投量為25 mg／L，形成
“混凝一沉淀一超濾膜”組合工藝運行中試裝置；5月一
6月，原水中藻類數(shù)量上升為6．9～9．5×107個／L，
原水箱中投加高錳酸鉀(KM。O。)強化混凝一沉淀效
果，KM。O。投量1．0 mg／L，形成“KM。O。一混凝一沉
淀一超濾膜”組合工藝運行中試裝置；6月一8月，針
對高藻水中藻毒素的去除，在中間水箱增投粉末活
性炭(PAC)，根據(jù)燒杯試驗確定PAC投量為
20 mg／L，形成“KM。O。一混凝一沉淀一PAC一超濾膜”
組合工藝運行中試裝置。
1．2超濾膜裝置
試驗超濾膜為海南立升膜公司提供的PVC合
金中空纖維膜，切割有機物相對分子量為10萬道爾
頓，膜有效面積為40 m2。試驗期間膜運行通量為
75 L／(m2·h叫)，流量3 m3／h。超濾膜的過濾和沖
洗由可編程控制器(PLC)自動控制，超濾膜裝置采
用死端式恒流方式運行，水力清洗用水均采用膜過
濾水。
1．3原水水質(zhì)
表1為試驗期間原水水質(zhì)情況。原水渾濁度變
化較大，最大值和最小值相差10多倍，有機物濃度
較高，以疏水性有機物為主，UV：。。值變化范圍為
0．054～o。123 cm ，CODM。濃度變化范圍為4。51～
8．66 mg／L。原水藻數(shù)量波動較大，隨季節(jié)性變化
非常明顯。
1．4檢測方法
UV。。。、DOC、渾濁度和顆粒數(shù)分別采用島津
UV一2550型紫外可見光分光計、島津TOC—
VCPH、Hach一2100N渾濁度儀和IBR顆粒計數(shù)
儀，UV批和DOC檢測前均過0．45”m濾膜。藻
類：采集1 L水樣，添加魯格試液固定，沉淀24 h，將
沉淀物混勻定容至30 mL，制片計數(shù)。有機物分級
采用固相萃取法(見圖2)[133：即調(diào)節(jié)水樣pH值后，
圖1 中試工藝流程圖
下
---—}7k
道
萬方數(shù)據(jù)
第4期許航，等：高藻期超濾膜制水中試研究101
il l
、／ ＼r—丫
Io,x-,l fx^D—
甲甲
VHA SHA CHA
圖2有機物分級流程圖
NEU
依次用過DAX一8、XAD一4、IRA一958等3種樹
脂，可將水樣有機物分成強疏水性(VHA)、弱疏水
性(SHA)、親水極性(CHA)和親水中性(NEU)4
部分。其它項目測定按《水和廢水監(jiān)測分析方法》
(第四版)進行。
2結(jié)果與分析
2．1 組合工藝對污染物的去除效果
試驗期間委托無錫市自來水公司水質(zhì)檢測中心
做了6個水樣的全分析，其分別為“混凝一沉淀一超濾
膜組合工藝”、“KM。0。一?昆凝一沉淀一超濾膜組合工
藝”和“KM。04一混凝一沉淀一PAC一超濾膜組合工藝”
中原水和超濾膜出水，原水編號分別為Y，、Y2、和Y。，
超濾膜產(chǎn)水分別為C。、Cz和G。檢測結(jié)果見表2。
表1試驗期間原水水質(zhì)
測量值渾濁度／NTU 氨氮／(rag·L 1) UV2s4／cm CODM。／(rag·L1)DOC／(mg·L-1) 藻數(shù)量／(個·I。_1>
國家標準
Y1
C1
Y，
C2
Yt
≤1000
265．83
164．12
258．73
170．21
280．84
≤60
5．49
5．56
6．03
5．93
5．96
≤100 ≤t00
6．33 12．71
0．54 12．52
6．45 13．11
3．21 12．32
7．01 14．27
5000
2．37
6700
2．43
11200
≤1．0
0．161
0．071
0．182
0．087
5．213
≤5 ≤450
—— 101
～
93
C3 93．47 1．24 0．93 3．21 2．59 0．412 — 95
鈣／ 鐵／ 鋁／ 砷／ 細菌總數(shù)／ 總大腸菌群／ 糞大腸菌群／
(mg·L一1)(mg·I，一1)(rag·L 1)(mg·L一1)(CFU·mL 1) (個·mL一1) (個。mL一1)
國家標準
Y1
C1
Yz
C2
Y3
≤100
28．7
26．4
32．1
25．4
30．1
≤0，3
0．118
<0．002
0．107
<0．002
0．121
≤0．2 ≤0．05
0．22 <0．002
0．067 <0．002
0．24 0．070 0．22 <0．002
≤100
9 300
7
12 300
5
11 900
O
3 500
0
3 400
0
3 560
0
220
0
240
0
242
G 26．1

土木建筑與環(huán)境工程第34卷
水質(zhì)分析結(jié)果表明，以超濾膜為核心的組合工
藝處理太湖水時，出水水質(zhì)良好，完全符合生活飲用
水衛(wèi)生標準(GB 5749 2006)。3組組合工藝出水
中，出水渾濁度低于0．1 NTU，遠優(yōu)于常規(guī)工藝。
超濾膜出水中藻類數(shù)量同前端處理技術無關，出水
中藻類數(shù)量控制在約2．5×104個／I，。總大腸菌群
和糞大腸菌群被完全去除，超濾膜出水中細菌數(shù)量
也很少，按理論該部分細菌會被完全截留，分析可能
是超濾膜產(chǎn)水側(cè)或管道孳生部分細菌，實際生產(chǎn)時
可在反洗水中投加適量NaCl0殺滅細菌。組合工
藝也可以對有機物很好的去除，特別是高錳酸鉀一混
凝一沉淀～PAC一超濾組合工藝出水中藻毒素和消毒
副產(chǎn)物等微量物質(zhì)均大幅下降，六六六均未被檢出。
鋁和鐵的去除效果很好，即便是在投加鋁鹽混凝劑
時，鋁的去除率也很高。
2．2超濾膜運行的跨膜壓差分析
在通量恒定的情況下，膜的跨膜壓差(TMP)為
驅(qū)動水透過膜所需的壓力，為進水壓力和過濾壓力
的差值，表示膜過濾時原料側(cè)與滲透側(cè)的壓力差值，
從其變化可以了解超濾膜的污染情況及運行效率。
超濾膜運行的跨膜壓差變化見圖3。
0 140
0．120
0．100
0．080
0．060
0．040
0．020
0．000
l ll 21 31 41 5l 61 7l 8l 91 101
f／(i
圖3超濾膜的跨膜壓差變化情況
混凝一沉淀一超濾膜組合工藝啟動前23 d跨膜壓
差增長穩(wěn)定，但中試進行24 d后跨膜壓差增長迅
速，為控制跨膜壓差增長，中試期間將過濾時間由
45 rain縮短到30 min，但跨膜壓差上升的趨勢未見
好轉(zhuǎn)，持續(xù)上升1個星期后，第33、34 d跨膜壓差猛
增至0。118 MPa，停止中試試驗進行化學清洗超濾
膜。分析認為，混凝一超濾組合工藝運行后期，原水
中藻類數(shù)量上升至0．5×108個／L以上，由于藻類帶
負電荷，投加混凝劑后可以降低藻的電荷量，使得藻
類易于吸附在絮體表面，但當藻類增多，藻類的電荷
量不再有明顯變化。絮體對藻類的吸附效能不再有
明顯改善，并且形成的絮體相對較小，特別是最后
2 d'N類數(shù)量上升至1．0×108個／L以上，中間水箱
中可明顯觀察到藻類的絮體，大量藻類黏附在膜表
面或者進入膜孔中，形成了難以恢復的膜污染，表現(xiàn)
為跨膜壓差的迅速上升。
KM。O。一混凝沉淀一超濾膜組合工藝中跨膜壓
差上升平緩，KM。O。投加可有效地控制膜污染，改
善超濾膜的過濾性能，KM。O。投加強化了混凝一沉
淀工藝對藻類的去除，混凝后形成的礬花要比單純
使用聚合氯化鋁的大而且密實，沉降性能好，大量藻
類和有機物被去除，從而減緩了超濾膜的膜污染。
在中間水箱中投加PAC，形成KM。O。一混凝一
沉淀一PAC一超濾膜組合工藝。其主要目的是控制
超濾膜終端出水中藻毒素濃度。一些研究表
明[14-1 S]，投加PAC能有效地降低膜過濾阻力。但有
研究認為，PAC會黏附在膜表面，造成膜過濾總阻
力增加。但從圖3分析認為，投加PAC后，超濾膜
的跨膜壓差增長要比前2種組合工藝中平緩，但整
體跨膜壓差要高于前2種工藝。這說明投加PAC
后控制了超濾膜的不可逆污染，超濾膜每個過濾周
期經(jīng)過水力反洗后跨膜壓差可有效恢復。Scha：fer
等[1 6]采用掃描電子顯微鏡對沉積在微濾膜表面的
濾餅層進行觀察后發(fā)現(xiàn)，濾餅層中的懸浮物質(zhì)粘在
有機物中間。有機物會黏附在懸浮固體的表面，當
懸浮顆粒被膜截留，沉積在膜表面形成濾餅層時，有
機物起著一種“黏合劑”的作用，將固體顆粒黏合成緊
密的濾餅層，增加了濾餅層的阻力。投加PAC后，固
體顆粒增加，但有機物含量和藻類數(shù)量并未增加，同
時，PAC還能有效地吸附有機物和阻止藻類黏附在超
濾膜的表面，使得濾餅層中的有機物黏合作用減弱，
實際上增大了孔隙率，使濾餅層阻力下降。
2．3不同工藝段有機物極性對超濾膜運行的影響
分析
試驗期間，在3種組合工藝中分別取水樣，分析
各工序出水及膜反洗水中有機物特性。
2．3．1 混凝一沉淀一超濾膜中有機物極性對超濾膜
的污染圖4為混凝一沉淀一超濾工藝各工序及膜反
洗水中的有機物特性分布情況。原水DOC為
5．76 mg／L，其中，VHA、SHA、CHA和NEU分別
為2。22、0．93、1．14和1．47 mg／L，原水中有機物以
疏水性有機物為主�；炷�一沉淀出水DOC降為
4．32 mg／L，混凝一沉淀部分去除的主要是疏水性有
機物，疏水性有機物被去除1．17 mg／L，占去除有機
物的81．3％。超濾膜出水后水中有機物進一步下
降到3．75 mg／I．，VHA、SHA、CHA和NEU分別
為1．03、0．57、1．04和1．11 mg／L，超濾膜截留的
VHA、SHA、CHA和NEU分另4為0．28、0．10、0．01
和0．10 mg／L，4種有機物分別占截留有機物的
49．12％、17．54％、1．76％和21．58％。由此可見，
引起超濾膜的跨膜壓差上升主要是VHA和NEU


第4期許航，等：高藻期超濾膜制水中試研究103
有機物，CHA有機物基本不被截留，即不會對跨膜
壓差的上升有貢獻。
；b．L．L h
原水沉淀出水超濾膜出水膜反洗水
注■總DOC霸VHA O SHA D(：HA 廿NEU
圖4 混凝一沉淀一超濾工藝中有機物極性分布
超濾膜過濾是機械壓力的作用，迫使溶液中部
分有機物和溶劑都趨向透過膜。其中溶劑基本上是
暢通無阻，可以全部穿過。但是對有機物來說，由于
膜的障壁作用，部分有機物無法通過而被截留在膜
的高壓側(cè)表面上。截留的有機物隨過濾的進行在膜
腔內(nèi)累積，造成膜運行時的跨膜壓差上升，部分有機
物可通過周期反洗排出膜內(nèi)腔，使得一部分跨膜壓
差恢復，另一部分有機物不能被水力反洗清除，會與
水中金屬離子物形成絡合物沉積在膜表面，形成不
可逆污染，須通過酸洗和堿洗清除。
混凝一沉淀一超濾工藝中反洗水的DOC濃度為
12．87 mg／L，其中VHA、SHA、CHA和NEU分別
占48．28％、17．24％、5．17％和29．31％，與超濾膜
截留有機物的去除率比較發(fā)現(xiàn)，超濾膜截留或吸附
的親水性有機物可通過超濾膜的水力反洗排出膜組
件，造成超濾膜的不可逆污染的主要是VHA和少
量的SHA物質(zhì)。
2．3．2 KM。O。一混凝一沉淀一超濾膜中有機物極性
對超濾膜的污染圖5為原水中投加KM。O。預氧
化時各工序及反洗水有機物特性的分布情況。由圖
5可知，原水DOC濃度為5。89 rag／L，VHA、SHA、
CHA和NEU分別為2．40、1．02、1．20和
1．27 mg／L，KM。O。預處理后水中有機物濃度下降
到5．11 mg／I。，4種有機物分別被去除0．43、0．13、
0．07和0．15 mg／I。，疏水性和中性有機物濃度的降
低，一定程度上可減緩超濾膜的膜污染。沉淀出水
中DOC的濃度降為3．81 mg／L，KM。O。一混凝一沉
淀工藝對DOC的去除率為35．31％，比單純的混凝一
沉淀工藝上升了10．31％，主要是提高了疏水性有
機物的去除效果。超濾膜出水中DOC濃度進一步降
為3．33 mg／L，超濾膜截留的VHA、SHA、CHA和
NEU分別為0．25、0．09、0．03和0．11 mg／L，分別占
截留有機物的52．08％、18．75％、6．25％和22．92％。
莖薰◆ 原水PPtP,水沉淀出水超濾膜出水膜反洗水
沌：■．曲,DOC蠢VHA口SIfA口CI-IA aNEU
圖5 KM。O。一混凝一沉淀一超濾工藝中有機物極性分布
KM。0。一混凝～沉淀一超濾組合工藝中超濾膜反
洗水DOC濃度為10．21 mg／L，VHA、SHA、CHA
和NEU分別占截留有機物的51．95％、18．70％、
6．07％和23．31％。與混凝一沉淀一超濾工藝相比，該
工藝反洗水中有機物的總濃度下降了20．67％，而
且沉淀或吸附在超濾膜表面的疏水性有機物比例也
有所下降，這進一步解釋了圖3中，KM。O。一混凝一
沉淀一超濾組合工藝整體跨膜壓差為何上升的比后
者平穩(wěn)，同時也驗證了疏水性有機物是造成超濾膜
不可逆污染的主要因素。
2．3．3 KM。O。一混凝一沉淀一PAC一超濾膜工藝中有
機物極性對超濾膜的污染圖6為KM。()。一混凝～
沉淀一PAC一超濾工藝中各工序及反洗水中有機物
特性變化情況。原水DOC的濃度為5．98 mg／L，
VHA、SHA、CHA和NEU分別為1．53、1．91、0．94
和1．59 rng／L，經(jīng)KM。O�！�混凝沉淀處理后，DOC
濃度降為3．92 mg／L，VHA、SHA、CHA和NEU
分別下降到為0．75、1．27、0．79和1，11 mg／L，親水
性有機物所占比例上升。沉后水中問水箱投加
20 mg／L的PAC后，DOC濃度下降為2．87 mg／L，
VHA、SHA、CHA和NEU分別降為0．70、1．15、
0．39和0．58 mg／L，不難發(fā)現(xiàn)PAC去除的有機物
主要是親水性有機物，經(jīng)過PAC吸附后，親水性有
機物被去除46．32％。組合工藝中超濾膜進一步處
理后DOC濃度下降了0．21 mg／L，超濾膜去除的有
機物中VHA、SHA、CHA和NEU分別占
33，33％、23．81％、19。05％和23．8l％。PAC處理
后，進入膜組件的有機物濃度大幅下降，隨著超濾膜
過濾的進行，PAC在膜內(nèi)腔的濃度逐漸上升，進一步
提高了親水性有機物的去除。PAC在機械壓力的作
用下會在超濾膜內(nèi)壁上逐漸形成松散的濾餅層，也會
阻止疏水性有機物沉積或吸附在超濾膜的表面，降低
超濾膜不可逆污染速度，雖然PAC在超濾膜的表面
形成的濾餅層也會增加超濾膜的過濾壓力，但是經(jīng)過
水力沖洗后這部分跨膜壓差可很好的恢復。
4
2
0
8
6
4
2
O
—T．1．酞暑一＼u^vo


104 土木建筑與環(huán)境工程第34卷
7
6
S5
品4
號s
星2
l
0
原水PPtll水沉淀出水PAc出水膜出水膜反洗承
注：一總DOC曩VHA口SHA口CHA口NEU
圖6 高錳酸鉀一混凝-沉淀一PAC_超濾
工藝中有機物極性分布
反洗水的DOC濃度為3。67 mg／L，相對于前2
種工藝，有機物濃度下降明顯。在超濾膜過濾過程
中，由于PAC在膜腔內(nèi)逐漸累積，會吸附一些截留
在超濾膜內(nèi)腔的有機物，所以部分有機物在反洗水
中未被檢測出，使得反洗水有機物的濃度較低。反
洗水中VHA、sHA、CHA和NEU分別為1．67、
1．09、0．23和0．68 mg／L，反洗水中有機物主要以
疏水性有機物為主。
3 結(jié)論
針對太湖水的水質(zhì)特點，將混凝一沉淀技術、預
氧化技術或吸附技術作為超濾膜的前端處理技術，
形成超濾膜為核心技術的處理高藻水的工藝。研究
表明：組合工藝中，超濾膜出水渾濁度始終低于0．1
NTU，藻類數(shù)量控制在2．5×104個／L左右，其它檢
測指標達到生活飲用水衛(wèi)生標準(GB 5749
2006)�；炷�一沉淀技術、預氧化技術或吸附技術降
低高藻水中疏水性有機物粘附在超濾膜表面或進入
膜孔，有效減緩高藻期膜污染。
參考文獻：
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(編輯胡英奎)

第34卷第4期土木建筑與環(huán)境工程V01．34 No．4
2012年8月Journal of Civil，Architectural 8L Environmental Engineering Aug．2012