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Characteristics of Ultrafiltration for the Removal of Micropollutants
WANG Xiaochang WANG Jin
(School of Environmental and Municipal Engineering ,
Xi‘an University of Architectural and Technology, 710055, Xi‘an. China)

　　Abstract: Pilot experiment was conducted on the characteristics of ultrafiltration (UF) for the removal of micropollutants from surface water. In addition to turbidity and bacteria removal, the study mainly investigated the characteristics of UF with and without pre-coagulation for the removal of natural organic matters. The results showed that UF was very effective for turbidity and bacteria removal and when pre-coagulation was applied using aluminum sulfate coagulant, the removal of DOC and UV254 were increased from 28% and 40% to 53% and 78% respectively. HPLC measurements showed that the removal of organic matters of molecular weight less than 6000Da was much improved by pre-coagulation. The optimum condition of pre-coagulation is pH 7. Under this condition porous cake layer is formed on the surface of the membrane, which brings about a reduction of membrane pore fouling and keeps a high permeate flux.
　　Keywords: ultrafiltration; micropollution; coagulation; permeate flux; HPLC.

　　为了达到日益严格的饮用水水质标准，美国、日本和欧洲许多发达国家用低压超滤膜过滤取代传统的混凝-沉淀-过滤流程。而我国目前对膜过滤在水处理方面的应用多限于直饮水处理，对直接超滤或以超滤为核心的组合工艺直接处理微污染水的研究较少。
存在于天然水体中的污染物总体来说可以分为三类：微生物，有机物和浊度物质。许多研究表明直接超滤具有良好的除浊功能和消毒作用[1~3]，但对与消毒副产物紧密相关的天然有机物的去除率一般较低[3,4]。另一方面，有机物对超滤膜的污染远大于浊度物质，且污染多集中于膜孔和膜表面的吸附，而不是象浊度物质那样在膜表面沉积，因此，造成膜通量下降快且难以通过水力清洗得到恢复，从而影响了处理效率。
　　为了提高超滤对水中天然有机物的去除效果，并减轻膜污染，一种可行的方法就是通过各种预处理改变水中污染物的表面性质和存在形态[5~8]。其中混凝预处理由于简便、易行，与超滤组合去除水中污染物的工艺受到了关注。鉴于目前对该组合工艺的特点和控制方法的研究尚不深入，我们针对水中天然有机物的代表性物质-腐植酸，利用国产超滤膜进行了直接超滤和混凝-超滤组合工艺的试验研究。

1.1 试验装置
　　本研究采用的混凝-超滤组合工艺的流程如图1所示。原水直接超滤时无须投加混凝剂。超滤组件采用截留分子量为十万的国产中空纤维膜，材质为聚丙烯腈（PAN），加压方式为内压式，膜组件处理能力为109L/m²h。

1.2 试验方法
　　浊度原水用高岭土配制到15NTU左右，向原水中加入天然湖水，使原水具有一定的细菌浓度。微污染原水是用从西安市附近湖泊底泥中提取的天然腐植酸，经0.45mm滤膜去除水中悬浮性杂质后的原液配制，溶解性有机碳（DOC）浓度为5mg/L，相当于一般微污染原水的水平。试验分为两种工艺：一是原水直接超滤；二是混凝-超滤组合，混凝剂采用精制硫酸铝（Al2(SO₄)₃·18H2O），投药量以铝离子浓度计为3.5mg/L，采用泵前投药，水泵混合和管式混合器混凝，停留时间为1min左右，G值为10s-1，属于微絮凝条件。加药后原水的pH为7，为了比较不同pH对处理效果的影响，增加了一组加药后pH为5的试验。
1.3 分析方法
　　（1） 浊度：利用上海自来水公司产SZD-2型智能化散射光浊度仪测定，单位以NTU表示。
　　（2） 细菌总数的测定采用平板稀释法。
　　（3） 有机物浓度分析
　　DOC：提取的天然腐植酸通过0.45mm滤膜过滤后，原液中的总有机碳（TOC）即表示溶解性有机物浓度DOC。利用日本岛津公司产TOC-5000A总有机碳分析仪测定。
　　UV₂₅₄：水中的天然有机物通常在254nm的波长处出现吸收峰，用该波长下的消光度可以间接表示有机物的浓度，并作为评价NOM总量的指标之一。利用上海仪器分析总厂751G型紫外分光光度计测定。
　　（4） 混凝颗粒ζ电位分析
　　利用日本Microtech Nichion公司产ZC-2000型Zeta电位仪测得原水ζ电位为-28.5mv，在3.5mg/L铝离子浓度的投药量和两种pH条件下，混凝后颗粒的ζ电位都保持在0mV左右。
　　（5） 高效液相色谱（HPLC）分析
　　利用日本岛津公司产LC-9A高效液相色谱仪，色谱柱为日立W520型，分子量界限为6000 Da左右，配用UV检测器（波长254nm）对原水以及直接超滤处理水和混凝-超滤组合工艺处理水进行液相色谱分析，以考察两种不同工艺对不同分子量分布溶解性有机物的去除情况。
1.4 试验数据处理方法
　　超滤膜的平均半透膜压通过Tutujian公式计算：
　　　　　　　Ptm=[(Pi + Po)/2] - Pp　　　　 (1)
　　式中Ptm 为半透膜压；Pi 为膜组件进口处的压力；Po为膜组件出口处的压力；Pp为渗透液压力。
为了区分膜污染引起的渗透通量下降与温度对膜通量的影响，本试验关于半透膜通量均统一到20℃的通量值。在压力保持恒定的情况下，通量表示膜的产水量，从其变化可了解膜的污染状况，而比渗透通量Kw，即通量与半透膜压的比值，可在无需保持压力恒定的情况下用以监测膜污染的状况。将任一时刻的比渗透通量除以膜初始的比渗透通量，能更明确地表示膜通量下降情况，称之为正规化比渗透通量，其值用百分数表示。

2.1　浊度的去除
　　超滤出水浊度的变化情况如图2所示，原水浊度在13NTU～21NTU的范围内，出水浊度≤0.05NTU，说明超滤膜对浊度物质几乎能够完全截留。图中回流水浊度略高于原水浊度，说明膜面截留杂质受回流水冲刷部分剥离，减轻了膜污染。
2.2　除菌作用
　　在浊度水直接超滤试验中，对原水和渗透液的细菌总数进行了测定，其结果见表1。当原水细菌总数为数十cfu（colony forming unit）时，渗透液细菌总数为0；当原水细菌总数为550～1500cfu/mL时，渗透液细菌总数为1cfu/mL，去除率均在99%以上。我国现行饮用水质标准规定了细菌总数为100cfu/mL，建设部最近颁发的直饮水水质标准的细菌总数为50cfu/mL[9]，超滤渗透液的细菌总数完全可以达到饮用水的细菌学要求。