农村饮水安全工程是一项重大的民生工程,饮水安全事关亿万农民的的切身利益^[1]。目前,农村供水安全性不容乐观,主要表现在:水源水质差;供水工艺简陋陈旧,供水水质差;供水规模小,供水分散;运行管理缺乏技术支持和资金保证^[2]。超滤具有能耗低、占地小、过滤性能优良、运行维护简单等特点,在农村安全供水中成为有效的水处理技术。

　　 重庆山地农村水源水在春末夏初易受到季节性有机污染,原水直接超滤工艺对水中小分子有机物和溶解性污染物的去除率较低^[3],混凝作为膜前预处理工艺能显著加强对有机物等污染物的去除效果,同时减缓膜污染^[4~6]。笔者通过选用中空纤维式超滤膜和混凝剂PAC处理重庆山地农村微污染水源水,对比直接超滤工艺和混凝-超滤组合工艺对污染物的去除效果,优化混凝剂投量和反冲洗周期,为超滤技术在重庆山地农村安全供水中的应用提供依据。

　　 重庆山地农村水源点类型大致可分为:江河水、井泉水、水库水三大类,选取重庆地区春末夏初具有代表性微污染水源点覆盖全面的某区域为试验水源采样点,由于条件所限,通过前期采样测定水源水基础资料,后期试验配水为超滤膜进水,模拟重庆山地农村水源水质。原水水质及试验配水水质指标见表1和表2。

　　 试验研究采用立升中空纤维式超滤膜组件,该装置为内压式膜组件,材质为PVC合金膜,装置的型号为LH3-8Ad。膜组件主要参数如下:膜平均孔径0.01μm;截留相对分子质量10 000;有效膜面积2 m²;设计产水量1 000 L/h,最高进水压力0.08~0.35 MPa;工作温度5~45℃。

　　 试验使用的中空纤维式超滤膜装置如图1,可以实现产水和反冲的功能。设置自行配备的机械搅拌装置、前置过滤器作为超滤设备的前处理单元,搅拌装置的转速可根据需要调节。该装置适用于各种投加量的混凝剂,满足预处理设备的试验要求^[7]。

　　 内压式超滤膜运行包括过滤、正冲洗和反冲洗三个阶段。

　　 过滤阶段:原水由原水箱经水泵加压透过超滤膜,调节阀门控制流量,流量计读取流量大小,通过膜前后压力表读数差值即跨膜压差(TMP)反映超滤膜运行时的膜污染情况。

　　 正冲阶段:关闭产水阀,打开排污阀,由原水泵抽水冲洗膜丝内部污染物。

　　 反洗阶段:开启反洗泵、反洗阀、排污阀,关闭进水阀,调整水流方向,使用滤后水对超滤膜进行反冲洗。

　　 混凝单元的具体流程为:投加混凝剂(PAC)后快速搅拌(500r/min)混合2min,再缓慢搅拌(40r/min)混合20min,混凝液静置30min后,取其上清液作为膜设备的进水。

　　 浊度:BZ-1Z便携式浊度仪;COD_Mn:酸性高锰酸钾法;UV₂₅₄:METASH UV5200型分光光度计。

　　 超滤直接过滤工艺对重庆山地农村微污染水源水中浊度、UV₂₅₄、COD_Mn的去除效果如图2所示。

　　 如图2a,超滤膜直接过滤工艺运行10天,每天测定膜组件的进出水浊度取其平均值,作为当天测定次数的监测值。对浊度的去除率达到95%以上,去除效果较好;且装置运行10天后出水浊度均稳定在1NTU以下,达到国家《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)浊度小于1NTU的要求。

　　 如图2b,超滤直接过滤工艺对UV₂₅₄的平均去除率为39%。由于试验主要利用腐殖酸配置UV₂₅₄,腐殖酸溶液中有机物分子质量有一个较宽的分布,有大分子有机物也有小分子有机物,大于膜孔径的有机物被截留下来,小于膜孔径的有机物透过膜孔,因此超滤直接过滤工艺对UV₂₅₄有一定的去除效果。

　　 如图2c,进水COD_Mn平均值为7.74mg/L,出水COD_Mn平均值为6.68mg/L,其平均去除率为14%,去除效果不理想。随着运行时间的延长,超滤直接过滤工艺对COD_Mn的去除率逐渐趋于稳定。分析认为:配水中腐殖酸不仅代表UV₂₅₄,也是形成COD_Mn的组成部分,因此水中存在部分大于膜孔径的有机污染物,使得膜组件对COD_Mn有一定的去除效果。

　　 综上所述,超滤直接过滤工艺对浊度的去除效果好,对UV₂₅₄、COD_Mn的去除率分别为39%、14%,与其他学者研究结果一致^[8,9]。在水源水受到有机污染时,超滤直接过滤工艺对COD_Mn去除效果不佳。

　　 不同混凝剂投量对重庆山地农村水微污染源水中浊度、UV₂₅₄、COD_Mn的去除效果如图3所示。

　　 如图3a,原水浊度为29.91~32.61NTU,与超滤直接过滤工艺相比,浊度去除率从95%提高到98%,分析认为,混凝剂的投加使得小颗粒物质形成大的絮体,从而更好地被超滤膜截留,因此,对浊度的去除效果更好。

　　 如图3b,原水UV₂₅₄在0.138~0.159cm^-1之间,UV₂₅₄平均去除率为65%,与超滤直接过滤工艺相比,混凝-超滤组合工艺对UV₂₅₄的去除率提高了26个百分点。随着混凝剂投量增加,混凝-超滤组合工艺对UV₂₅₄的去除率呈现先增加后略有波动的趋势。分析认为混凝-超滤组合工艺是利用混凝剂的电中和及吸附作用,使小分子的有机物转变为超过膜孔径的絮体,然后通过膜截留去除^[10],随着混凝剂投量的增加,更多的UV₂₅₄物质形成絮体而被截留,去除率也逐步提升,当混凝剂过量后,UV₂₅₄的去除率不再增加。随着混凝剂投量的增加,混凝单元的去除率与混凝-超滤组合工艺去除率愈来愈接近,说明在混凝-超滤工艺中,混凝是去除UV₂₅₄的主要过程。其他学者也认为,在通常情况下,混凝阶段对有机物的去除率大于超滤的去除率^[11]。

　　 如图3c,原水COD_Mn为7.90~8.52 mg/L,COD_Mn平均去除率为50%,与超滤直接过滤工艺相比,混凝-超滤组合工艺对COD_Mn的去除率提高了36个百分点。随着混凝剂投量增加,混凝-超滤组合工艺对COD_Mn的去除率呈现先增加后略有下降的趋势。分析认为混凝剂投加过量后,使胶体颗粒带相同电荷,原水中的颗粒物再次处于稳定状态,不能达到混凝聚集后被过滤的效果;也有学者认为^[12],继续增大混凝剂投量,过量的未能反应的混凝剂中的无机离子和有机物可能会透过滤饼层进入膜孔造成污染,使得跨膜压差增长率再次提升而COD_Mn去除率略有降低。

　　 综上所述,混凝-超滤组合工艺能有效提高出水水质,当出水水质达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)时,确定混凝剂的最优投量。因此,在重庆山地农村安全供水中季节性微污染情况下可以采用混凝-超滤组合工艺,混凝剂的最大投量为6mg/L。

　　 由图4可知,PAC投量为6mg/L时,测定中空纤维式超滤装置的跨膜压差和膜通量,在若干个运行周期内膜压差均上升。在第一阶段内,从初始膜压差的0.039MPa增加到阶段末的0.049MPa,上升了约26%;在膜组件运行前20min,膜压差上升较为迅速,由0.039MPa急剧上升至0.047MPa,此阶段膜压差的上升量占整体上升量的80%,此后若干个周期也有类似规律。分析认为:膜污染通常是由多种机理共同作用完成^[13],由于水质较差水体内含有大量杂质,初始过滤阶段的膜污染机理一般为完全堵塞^[14],从而导致跨膜压差迅速上升,该过程主要发生在膜组件过滤前20min。试验仅采用了水力反冲洗即可有效控制膜污染,膜压差下降到0.040 MPa,恢复到初始跨膜压差的97.5%,恢复效果较好。

　　 膜通量在若干个周期均有下降趋势,在第一个运行周期内,膜通量下降速度较快,从初始通量115L/h下降为周期末的87L/h,下降了约24%,下降幅度低于跨膜压差的上升幅度;水力清洗后膜通量恢复较快,但不能恢复到初始膜通量,能恢复到初始通量的98%,可知在短期运行时水力清洗对膜通量提高幅度大于跨膜压差的降低幅度,混凝-超滤组合工艺最优反冲洗周期为20min。

　　 (1)超滤直接过滤工艺对重庆山地农村模拟微污染水源水浊度的去除率效果好,出水浊度稳定在1NTU以下,对COD_Mn处理效果不理想。

　　 (2)混凝-超滤组合工艺能有效提高出水水质,当混凝剂投量为6mg/L时,混凝-超滤组合工艺处理重庆山地农村模拟微污染水源水出水浊度、UV₂₅₄、COD_Mn达到标准要求,在水源水季节性污染时,混凝-超滤组合工艺在重庆山地农村安全供水中的混凝剂最大投量为6mg/L。

　　 (3)混凝-超滤组合工艺膜污染主要发生在过滤前20min,水力清洗对膜通量提高幅度大于跨膜压差的降低幅度,仅采用水力反冲洗即可有效控制膜污染,混凝-超滤组合工艺在重庆山地农村安全供水中处理季节性微污染水源水的最优反冲洗周期为20min。