以超滤为核心的第三代净水技术发展迅猛, 国内越来越多的大型水厂 (5万~30万m³/d) 采用超滤工艺, 并且超滤工艺亦应用于农村饮用水工程 (50~500m³/d) , 超滤技术具有高度模块化、高效分离效果、占地面积小等优点^[1]。但是超滤过程中的膜污染和超滤工艺本身对溶解性有机物有限的去除率成为其主要的2个缺点^[2]。伴随着膜工业的高速发展, 超滤膜的造价持续下降, 使得超滤工艺不再是价格昂贵的深度处理工艺。造价的降低使得低通量超滤工艺成为可能, 催生了如膜生物反应器 (MBR) 等低通量超滤技术的研究和推广^[3]。

　　 基于以上特点, 科研工作者开始关注以重力势能为驱动力的低压超滤技术。Pronk等^[4]在2010年首次提出重力驱动式超滤膜的概念, 在重力驱动力下, 超滤膜通量运行1周左右开始稳定, 并且在较长的一段时间内保持这种通量稳定的趋势[5~10L/ (m²·h) ]。相较于常规超滤饮用水处理工艺普遍的通量值30~200L/ (m²·h) , 重力驱动式超滤工艺稳定通量较低。但是由于重力驱动式超滤工艺无需周期性反洗等操作, 其模块化设计更为简易, 运行更为简便, 特别有利于针对农村饮用水工程等分散式供水工程的推广。研究表明, 超滤过程中生物的作用对于稳定超滤膜通量有着重要影响, 在饮用水工艺中引入生物作用可以强化对于某些难降解有机物的去除效能^[5,6]。表1比较了重力驱动式超滤工艺和传统超滤方法中的浸没式、内压式超滤膜组件和低通量的膜生物反应器不同特点^[7]。

　　 引黄水库水是我国北方常见的水源, 其水质在夏季具有高有机物和高浊度等特点, 目前国内尚无针对北方典型水质的相关重力驱动式超滤工艺研究。为探究重力驱动式超滤工艺针对我国北方地区水源状况的处理效能和推广价值, 本文针对引黄水库水进行低压重力驱动式超滤工艺的处理研究。

　　 本中试在东营市南郊水厂, 试验季节为夏季, 水厂采用东营市南郊水库水作为原水, 是典型的黄河下游水库水。试验期间原水水质特征如下:水温20.3~26.2℃, 浊度13~22NTU, COD_Mn2.8~3.4mg/L, UV₂₅₄0.051~0.068cm^-1, pH 7.3~7.9。

　　 重力驱动式超滤膜组件中试装置示意如图1所示。原水经过进水管路通入膜池中, 通过膜池顶部溢流口保证膜池内部液面稳定在统一高度。膜池出水管路通入出水溢流水箱, 采用虹吸出水的方式, 同样通过溢流管保证出水溢流水箱液面稳定在统一高度。其中膜池液面和出水溢流水箱液面高度差为65cm, 即该工艺条件下过滤作用水头为6.5kPa。其中出水管路上并联有一套排气装置用以排除出水管路内形成的负压。通过出水溢流水箱溢流管流量大小检测超滤膜通量变化。试验中采用超滤膜为聚氯乙烯 (PVC) 中空纤维膜, 截留相对分子质量为100kDa, 有效膜面积为10m², 膜池面积为0.66m³。

　　 试验期间对膜池进水、膜池内水和膜后水进行了水质监测, 测量了包括pH, 水温, COD_Mn, UV₂₅₄, 三维荧光光谱, DOC, BDOC等指标。通过哈希2100N浊度仪监测浊度;pH使用pH计测定;COD_Mn采用酸性高锰酸钾滴定法测定;UV₂₅₄采用北京普析通用仪器公司生产的TU-1810紫外可见分光光度计测定;三维荧光光谱采用F-7000型荧光光谱仪测定;DOC采用总有机碳分析仪 (Multi N/C2100S, Jena, 德国) 进行测定;BDOC采用5d培养法进行培养测量, 采用原水作为接种液^[8]。

　　 重力驱动式超滤工艺试验共运行30d, 试验期间并没有采取水力反洗、化学清洗、膜池排泥等缓解膜污染的措施。如文献[4]表明, 重力驱动式超滤工艺存在微生物作用。水中好氧微生物会消耗水中大量的溶解氧, 因此可以通过监测溶解氧来定性考察水中微生物的作用。图2所示为原水和膜后水中溶解氧的含量。由此可知原水溶解氧在6.6~7.7mg/L。而膜后水溶解氧含量持续下降, 最终下降至比原水溶解氧含量降低30个百分点。这说明滤饼层上有持续的生物作用产生, 并且随着过滤时间的增加, 超滤膜滤后水中溶解氧含量持续降低, 说明随着过滤时间的增加微生物含量持续增加, 其发挥的微生物作用也持续增强。

　　 本文考察了重力驱动式超滤工艺对浊度、微生物指标和有机物指标的控制效能。浊度指标主要用来表征水中悬浮物的浓度情况, 《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 规定饮用水浊度一般不超过1NTU。膜技术的优点之一便是优异的固液分离效率, 重力驱动式超滤膜滤后出水浊度均控制在0.1NTU以内, 这说明即使长时间不进行反洗等清洗措施, 该工艺依旧可以有效控制出水浊度。微生物指标亦是评价超滤膜净水效能的重要指标, 《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) 规定饮用水中菌落总数不得超过100CFU/mL, 重力驱动式超滤膜滤后水菌落总数可控制在3CFU/mL, 这说明即使膜池内的生物总量较高, 通过超滤膜本身的分离作用, 膜后滤出水依然可以保持较好的生物安全性。

　　 饮用水中有机物指标是水处理工艺保障安全供水的重要考察指标, 因此本文考察了重力驱动式超滤工艺对有机物的去除情况。图3所示为该工艺对UV₂₅₄和COD_Mn的去除情况, 试验过程中每隔2d监测1次UV₂₅₄和COD_Mn。低压重力驱动式超滤工艺对UV₂₅₄和COD_Mn的总体去除率分别在16.3%~30%和6.9%~27%。随着过滤时间延长, 工艺对UV₂₅₄和COD_Mn的去除效率基本保持不变, 同已报道的超滤对有机物的去除效率同膜污染阻力的大小呈正比的结果不相符^[9,10]。这说明低压重力驱动式超滤工艺中的微生物作用主要体现在疏松滤饼层结构上, 很难进一步提升超滤工艺净水效能。

　　 多数学者认为根据机械筛分的原理, 超滤工艺由于超滤膜孔径远远大于溶解性有机物分子量, 所以超滤工艺对于溶解性有机物的去除效果较差^[11]。图4为在试验的末期监测的原水、膜池内浓缩液和膜后出水的DOC和BDOC的浓度。DOC用以表征水中总溶解性有机碳含量, BDOC用以表征水样中可生化作用有机碳的含量, 图4中所示膜池中DOC和BDOC含量分别为3.16mg/L和0.89mg/L, 相对于原水DOC含量升高, BDOC含量降低。膜池浓缩液DOC浓度上升是由于工艺不涉及反洗等措施, 原水中被超滤工艺截留下来的有机物在膜池中累积导致DOC含量增加;膜池内浓缩液BDOC浓度降低这是由于膜池内部以及超滤膜表面聚集大量微生物对有机物进行代谢降解, 因而导致浓缩液中BDOC浓度反而降低。超滤膜膜后水DOC和BDOC浓度均明显降低, 这是由超滤本身截留作用和膜表面及膜池内微生物作用共同影响的结果。

　　 天然水体中的有机物质组成复杂, 其中部分有机物质具有荧光特性。采用三维荧光光谱方法可以高效监测水中不同类型的荧光有机物的迁移转化规律^[12]。本试验考察了原水经过低压重力驱动式超滤工艺处理后, 荧光有机物不同组分的变化情况, 水中的荧光有机物主要包括蛋白类和腐殖质类有机物。如图5所示, 通过定性分析, 可以发现, 膜池中蛋白类有机物质含量有所增长, 这是由蛋白类物质相对分子质量较高, 被超滤截留后在膜池内累积造成的。另一方面, 超滤膜膜后水的蛋白类和腐殖质类物质的浓度均大幅下降, 只是在腐殖酸区域出现微弱的峰。这说明重力驱动式超滤工艺对于去除原水中有机物有较好的效果, 可以有效保障出水水质。

　　 超滤膜污染是阻碍超滤工艺广泛推广的重要限制性因素, 传统超滤工艺中, 随着过滤时间的增加膜污染持续增加, 并因此需要采取物理清洗和化学清洗的方法缓解超滤膜污染。一般的物理清洗周期为1~6h;化学清洗周期为几十天到几个月不等。对于膜生物反应器, 其清洗频率更高。低压重力驱动式超滤工艺在运行过程中不涉及物理清洗或化学清洗等控制膜污染措施。图6所示即为低压重力驱动式超滤过程中, 超滤膜通量和膜阻力的变化趋势。超滤膜直接处理原水通量下降基本上可以分为2个阶段:第一为快速下降阶段, 在装置运行的前5d, 膜污染迅速形成, 滤饼层形成并变厚;第二阶段为缓慢下降并稳定阶段, 在运行的5d后, 滤饼层由于附着力有限, 不再变厚变实。无药剂绿色超滤膜工艺摒弃了传统的超滤运行周期的概念, 在恒跨膜压差的情况下, 初始运行5d内, 膜通量由20~25L/ (m²·h) 迅速下降到10L/ (m²·h) 以内, 运行5d后, 膜通量保持较为稳定的状态, 而后通量保持在7~8L/ (m²·h) 。上述结果说明, 超滤运行一段时间后, 其膜污染不再继续加重, 反而显现保持平衡的趋势, 使得通量保持稳定。同样的, 低压重力驱动式超滤过程中, 其膜阻力的变化亦可以分为快速下降和缓慢下降并稳定这两个阶段。第一阶段快速下降阶段膜阻力快速增加主要是由于膜孔堵塞和膜孔窄化导致的超滤膜过水能力快速下降, 因而引起的膜阻力快速上升;另一方面, 由大颗粒的有机物和无机颗粒形成的滤饼层也在持续的增加。第二阶段缓慢下降并稳定阶段中, 膜孔堵塞和膜孔窄化引起的超滤膜不可逆污染几乎不再增加, 原水中的污染物很难直接接触超滤膜表面, 而超滤膜表面的滤饼层污染随之增加^[13]。可以发现过程中膜阻力最大值出现在运行的第8d, 而后随着工艺的持续稳定运行, 膜阻力值反而有所减小, 这说明滤饼层中附着的微生物通过代谢作用起到降解滤饼层上有机物质的作用, 并且可以起到疏松滤饼层的作用, 用以抵消滤饼层增长带来的更为严重的通量下降。这说明在重力驱动式超滤工艺运行的中后期, 前述生物作用缓的解膜污染机制可以抵消工艺持续运行增加的滤饼层污染, 并最终达到平衡效应。

　　 除直接处理引黄水库原水外, 重力驱动式超滤工艺的进水也可以通过适当预处理, 强化工艺的有机物去除效率以达到更好的处理效果和应对应急情况。低压重力驱动式超滤工艺运行30d后, 改变进水水质, 即向原水中投加2 mg/L的聚氯化铝 (PAC) , 经过快速混合通入超滤膜池中。重力驱动式超滤工艺处理经过微絮凝的原水依然可以保证稳定通量, 工艺运行3d后, 监测重力驱动式超滤工艺处理微絮凝水的净水效能。微絮凝原水条件下, 工艺对浊度和微生物指标的控制效果较好, 出水浊度控制在0.1 NTU以内, 菌落总数指标均控制在2CFU/mL以内。此外, 如图7所示, 比较了2种进水水质条件下, 超滤工艺对有机物的去除情况。可以看出, 经过微絮凝水处理后, 超滤工艺对DOC、UV₂₅₄和COD_Mn的去除效果均有所提升, 去除率分别提升了16.6%、18.2%和10.6%。这说明原水经过微絮凝处理协同重力驱动式超滤工艺对于改善出水水质有很好的促进作用。

　　 低压重力驱动式超滤工艺作为一种新的超滤工艺运行方式, 利用表面滤饼层中生物作用可以用以简化超滤运行设备, 降低物理和化学清洗产生的费用。另一方面, 重力驱动式超滤工艺长期稳定的运行说明针对引黄水库水这一北方特殊水质, 低压重力驱动式超滤工艺具有很好的处理效果。

　　 在水中污染物质的去除方面, 重力驱动式超滤工艺可以有效控制膜后水中浊度和微生物指标, 对UV₂₅₄和COD_Mn的总体去除率分别在16.3%~30%和6.9%~27%。另一方面, 重力驱动式超滤工艺对于有机物质具有一定的去除效果, 尤其是对BDOC的去除效果较好, 这是由于膜池和滤饼层上的微生物消耗原水中BDOC造成的。此外, 采用微絮凝+重力驱动式超滤工艺, 可有效提升出水水质。

　　 中试得出超滤通量下降可以分为两个阶段, 即通量快速下降阶段和通量缓慢下降并保持稳定阶段最终通量稳定在7~8L/ (m²·h) 。类似的, 超滤膜污染阻力的增长也可以分为快速增长和缓慢增长并保持稳定两个阶段。通过监测水中溶解氧含量可以得出膜池中和膜表面上微生物含量较高并因此消耗了大量的溶解氧。滤饼层上的微生物代谢作用是形成工艺运行中后期通量保持稳定的重要原因。此外, 采用微絮凝+重力驱动式超滤工艺, 可以有效提升出水水质, 对DOC、UV₂₅₄和COD_Mn的去除去除率分别提升了16.6%、18.2%和10.6%。