超滤膜被认为是第三代城市饮用水净化工艺的核心技术^[1],由于其对透过水生物安全性有较高保障,并且能与第一、二代净水工艺各单元灵活组合,设备集成与自动化程度高,因此在常规工艺给水厂升级改造与扩容项目中得到关注。 同时,在国内伴随东营、北京、无锡、杭州等地一批采用超滤膜技术的水厂陆续开工建设与投产运营,也促进了其推广与应用^[2~4]。

　　 “十一五”期间在淮河流域,针对某传统工艺自来水厂原水水质季节性污染、阶段性变化等问题,将一系列关键技术应用于对原有工艺的升级改造过程中,并建成了2 万m³/d的示范工程,该示范工程以“强化常规处理- 高级氧化- 生物处理”为主体。 具体的工艺流程及运行参数见文献[5]。

　　 示范工程于2012年6月完成调试正式运行至今已有3年,期间在淮河原水复杂多变的情况下,示范工程各工艺环节运行平稳,供水安全保障率大幅提升。其中上向流复合滤料生物滤池在应对阶段性变化的高氨氮和有机污染物方面发挥了关键作用^[6]。但是由于活性炭表面附着生长了大量的微生物,并且生物滤池采用上向流形式,因此势必存在生物泄露风险。

　　 目前,水厂投加消毒剂之前,采用快滤池作为把关工艺,对生物滤池出水进行处理,运行效果良好。为了进一步验证超滤膜做为生物滤池后处理工艺的可行性,本研究将上向流生物滤池与两种不同形式的超滤膜组合,重点考察超滤膜运行效果及其对生物滤池出水微生物指标的控制情况。并与水厂现有的快滤池进行对比研究。其中生物滤池与超滤膜分为两种组合方式:① 生物滤池与外压式中空纤维超滤膜组件直接联用,简称UBF-UFM系统;② 将浸没式中空纤维超滤膜组件架设在生物滤池的活性炭与沸石颗粒填料上方,保持淹没水深0.3m,工艺形式类似膜生物反应器^[7],简称UBF-SUFM系统。 两套系统的实物如图1所示。

　　 1.1 生物滤池进、出水水质(见表1)

　　 1.2 检测项目与手段

　　 以浊度、UV₂₅₄、COD_Mn、氨氮、总氮、总磷、颗粒数(>2μm)、细菌总数和总大肠菌群为水质评价指标。浊度采用HACH-2100P浊度分析仪进行测定;UV₂₅₄采用HACH DR5000 紫外可见分光光度计进行测定,水样测定前用0.45μm滤膜过滤;COD_Mn、氨氮、总氮、总磷均采用国家标准检测方法;颗粒数采用IBR VersaCount^TM型号颗粒分析仪;细菌总数的测量选择平皿计数法;总大肠菌群采用滤膜法测量。超滤膜出水在物理冲洗之间的中间段取样,取样前未进行强制性物理冲洗。

　　 上向流复合滤料生物滤池,共分4格,单格过滤面积18.45m²。上部为1.8m厚的颗粒活性炭层,下部为0.6m厚的沸石颗粒层,底部采用面包管配水,设计滤速12m/h。

　　 超滤膜组件为某国外品牌的外压式中空纤维超滤膜柱,膜材质为亲水改性聚丙烯腈,膜孔径<25nm,有效过滤面积45m²,设计产水量2m³/h,死端过滤,采用气体冲刷与水力反洗相结合的物理冲洗方式。试验过程中,膜前压力维持在30~60kPa之间,运行周期为产水60min,气冲20s,再水力反冲20s。间隔数周对膜组件进行一次化学大清洗,以碱性次氯酸钠循环清洗为主,以柠檬酸清洗为辅,共计2~4h。期间穿插投加次氯酸钠进行维护性分散化学清洗。

　　 试验开展期间恰逢水厂变负荷运行。生物滤池进水量分为低、中和高三个梯度,依次为450m³/h、850~1 050m³/h和1 280~1 400m³/h,对应滤速分别为6.10 m/h、11.52~14.23 m/h和17.34~18.97m/h。如图2 所示,膜后水平均浊度0.09NTU,并且有不小于80%检测天数的浊度≤0.1NTU。 试验初期淮河原水浊度在25 ~30NTU,加之生物滤池滤速过高(18.97 m/h),导致其出水浊度偏高,平均为2.1NTU,如图2中实线所示,膜后水浊度约为0.095NTU,如图中虚线所示。当膜组件运行满一个月时,淮河原水浊度降为15NTU,尽管生物滤池恢复到初期的滤速水平(17.34~18.29 m/h),其出水浊度明显减小,约为1.17 NTU,但是膜后水浊度不降反升,约为0.097NTU。分析是由于超滤膜在运行过程中膜前压升高和膜丝污染损伤导致其对颗粒物的截留效率下降。

　　 如图3 所示,生物滤池在低滤速时(6.10m/h),其与超滤膜出水颗粒数均较低,分别为5 436个/mL与157个/mL;生物滤池维持在常规滤速范围内,两者分别升高为11 034个/mL与378个/mL;试验初期生物滤池滤速较高,其出水颗粒数多,约为15 384个/mL,但由于超滤膜为新膜,对颗粒物截留效果好,膜后水的颗粒数并不高,平均为285 个/mL,试验中后期,即使生物滤池滤速维持在同样高的水平,并且生物滤池出水颗粒数减小的情况下,约为10 624个/mL,膜后水颗粒数反而有35.0%的升高,约为384个/mL。生物滤池与超滤膜出水中>2μm颗粒物的变化情况与浊度去除情况相似。

　　 生物滤池出水细菌总数很高,保持在1 000CFU/mL以上。但是经过超滤膜截留后,出水细菌总数基本为零,即使在运行中后期有检出,数值也非常低,为1~3CFU/mL,最大检出数量为5CFU/mL。生物滤池出水中总大肠菌群数通常维持在10~100CFU/100mL,在膜后水中始终未检出。说明超滤膜可有效截留生物滤池出水中的微生物,能够最大限度地降低生物滤池存在的生物泄露风险。 但是大量的微生物被拦截在膜柱内狭窄的空间中,膜丝长期暴露在高微生物含量的环境中,由微生物引起的膜污染几率大幅增加,对膜组件运行参数及膜后水质产生消极影响。

　　 外压式中空纤维超滤膜组件中存在着以氨氮向硝酸盐氮为主的氮素转化,其对氨氮的平均去除率可以达9.45%。试验初期,氨氮向硝酸盐氮的转化较为彻底。 试验中后期,尽管氨氮向亚硝酸盐氮的转化依然存在,然而由于硝酸盐氧化菌活性降低,使得转化不能进行完全,造成亚硝酸盐氮一定程度的积累,硝酸盐氮的增幅也随之减小。超滤膜对COD_Mn去除率维持在4.17%~10.65%,试验前期超滤膜对UV₂₅₄没有去除效果,试验中后期膜后水中UV₂₅₄反而有小幅度的升高。 超滤膜对总氮几乎没有去除,对总磷的去除率平均可达69.24%。

　　 膜前压力与产水量是超滤膜工艺两个重要参数。如图4 所示,从试验进程看,产水量逐渐降低,而膜前压力则缓慢升高。 超滤膜运行过程中减缓膜污染的方式可分为 “自我调整”与 “人为干预”。“自我调整”指系统根据PLC模块预设运转程序,每产水60min,进行的20s气刷与20s水力反冲对运行参数的恢复。而“人为干预”在本试验中具体包括:每天早晨8 点取样后对膜组件进行的强制性物理冲洗,平均每天下午对膜组件进行的分散性化学清洗及间隔1~2 周对超滤膜进行的化学大清洗。图中竖向虚线之间,每天对应的3个数据点,分别为早8点强制物理反冲洗前、后及下午17 点分散性化学清洗(或化学大清洗)后的膜前压与产水量。

　　 系统“自我调整”能力可以通过分析膜组件夜间运行情况得到,即膜组件自前一天下午17点分散性化学清洗结束至第二天早8 点强制性物理反冲洗前,系统只进行自行物理反冲洗,无人为干预。试验初期,系统具有良好的自我调整能力,20s气刷与20s水力反冲洗能有效清除膜组件60 min内截留的污染物,但伴随运行时间的延长,系统自行物理反冲洗效果逐渐减弱。运行中后期,其对膜前压力与产水量几乎无影响。例如,试验初期夜间运行的膜前压增加量与产水量削减量分别为0~2kPa、0~0.06 m³/h,而试验中后期两者分别上升为5~6kPa、0.15~0.22m³/h。

　　 3种人为干预措施对运行参数的影响,可以通过分析不同阶段,每天对应3个数据点的变化规律得到。整个试验周期内,产水量每天对应的3个点基本上呈“√”样式,而膜前压力三个点则呈现出由 变化的趋势。说明强制性物理反冲洗对膜前压力的降低效果明显,为5% ~11%。尽管强制物理反冲洗后,产水量多数情况下会降低,平均降幅为1.3%。但是其降幅明显小于膜前压力的降幅,说明膜组件产水率实际得到了一定程度的恢复。

　　 从图中还可以看出,以微生物灭杀和生物有机质清除为主要目的的分散性化学清洗对膜前压力的降低效果并不明显,且随着试验进程的推进,作用逐渐减弱。但是其对产水量的恢复却始终效果显著。试验初期,其对膜前压力的降低与产水量的增加分别为1.89% 和8.29%。试验中后期,两者分别为0%和8.31%。化学大清洗对膜污染的清除与膜组件运行参数的恢复,有立竿见影的效果,例如,2014年1月7号晚间对膜组件进行化学大清洗,清洗前后膜前压力由50kPa降低为45kPa,产水量由1.38m³/h恢复到2.02m³/h。

　　 浸没式中空纤维超滤膜组件为某国内企业产品,材质为聚偏氟乙烯(PVDF),膜孔径20~40nm。总有效膜过滤面积约为168 m²,设计产水率39L/(m³·h)。 产水侧设置真空抽吸装置,配合产水泵运行。 试验过程中真空度维持在10~30kPa,膜组件间歇式运行,产水9 min,停产1 min。其下方设置有间歇曝气装置。 膜组件在运行过程中每24h进行一次水力反冲洗,反冲洗水为膜后水。

　　 生物滤池出水经过浸没式超滤膜的截留作用,膜后水浊度<0.15NTU,并且超过60%检测天数的浊度<0.1NTU。平均浊度为0.103NTU。膜后水中>2μm颗粒数为190个/mL,其中<3μm颗粒数所占比例较压力式超滤膜偏高,且始终维持在46.51%附近。

　　 浸没式超滤膜出水细菌总数基本为零,即使有检出,数值均非常低,1~5CFU/mL,最大检出数量为7CFU/mL。膜后水中总大肠菌群一直未检出。说明浸没式超滤膜组件对微生物有非常好的截留效果。超滤膜组件的应用,将丰富的微生物拦截在复合滤料一侧,既满足了滤池对生物量的需求,同时最大限度降低了上向流生物滤池可能存在的生物泄露风险。

　　 浸没式超滤膜组件对COD_Mn平均去除率约为6.0%,对UV₂₅₄无明显去除效果。对氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮及总氮几乎无去除。对总磷的去除率与压力式超滤膜接近。

　　 浸没式与压力式超滤膜均能有效去除生物滤池出水中的颗粒污染物,并均可最大程度消除上向流生物滤池微生物泄露风险。浸没式超滤膜从启动至2013年12月,将近4个月时间内,未进行任何形式的化学药洗,跨膜压差保持稳定,并且产水衰减率一直维持在5%左右,表现出良好的抗生物污染性能。

　　 示范工程现采用无烟煤、石英砂双级滤料快滤池对上向流生物滤池出水进行处理。快滤池共分5格,单格滤速8~10 m/h,其中无烟煤厚度0.7 m,粒径范围1.0~1.5mm;石英砂厚度0.5m,粒径范围0.8~1.2mm。

　　 快滤池出水平均浊度维持在0.2NTU附近,并且超过95%检测天数的浊度≤0.3NTU(见图5)。滤后水颗粒数平均为497 CNT/mL,其中以<10μm颗粒物为主,约占总颗粒数的95.8%。进入12月中旬后随着水温接近10 ℃,滤层对小尺寸颗粒物的截留率降低,导致快滤池出水颗粒数有所增加。滤后水中2~3μm颗粒物所占比例由41.1%增加到45.0%。 快滤池对氨氮的去除率多数在13.4%~49.4% 变化,出水氨氮平均浓度为0.08mg/L,亚硝酸盐氮浓度为3.5×10^-3mg/L。快滤池对COD_Mn有平均3.0%的去除,出水COD_Mn约为2.2mg/L。对总氮去除率为4.9%,对总磷的去除率约为60.1%。

　　 快滤池出水细菌总数基本维持在10~100CFU/mL水平,并且其数目会伴随冬季水温降低而下降。快滤池出水总大肠菌群数目基本为零。在现有消毒剂投加量及清水库接触时间的作用下,即使有少数细菌穿透快滤池,也可以被有效灭活。出厂水中细菌总数基本为零,总大肠菌群也一直未检出。

　　 (1)气、水反冲作为超滤膜“自我调整”措施,对膜前压的降低效果明显,但是其效率随着不可逆污染的积累而减弱。化学清洗作为“人为干预”措施,可以将膜材料内部截留污染物有效清除,对恢复膜过滤面积,提升产水量效果显著。

　　 (2)两种形式的超滤膜组件对生物滤池出水中颗粒污染物的截留效果接近,均能很好地控制生物滤池存在的生物泄露风险。生物滤池出水中微生物含量丰富,生物污染问题仍是影响超滤膜运行效率的主要症结。在抗生物污染方面浸没式超滤膜具有明显优势。

　　 (3)砂滤池作为现有水厂普遍采用的末端工艺,可以对上向流生物滤池出水颗粒物有效截留,与其他处理工艺协作,共同确保出厂水的化学与生物安全性。快滤池技术成熟,操作流程简单,在未来很长一段时间内仍是主流工艺。