董秉直¹，曹達文¹，管曉濤²，范瑾初¹，李景華3，徐強³?
( 1.同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海200092；
2.華東交通大學土木工程系，江西南昌　330013；3.淮南市公用事業局，安徽淮南232007)

　　摘　要：采用混凝—膜分離技術對黃浦江原水進行試驗的結果表明，混凝不僅可提高膜的透水通量，還可有效地降低濾餅層阻力和濃差極化阻力；混凝劑投量為2～4mg/L(以Al計)時，濾餅層阻力最??；投加硫酸鋁會增加吸附阻力且造成膜污染。
　　關鍵詞：膜分離；混凝；濾餅層阻力；膜污染
　　中圖分類號：TU991.2
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)12-0034-03

　　用膜直接過濾原水會產生較大的過濾阻力和通量下降。在膜分離前投加混凝劑可降低膜過濾阻力、提高透水通量已為許多研究所證實。但混凝劑如何降低膜阻力，投加量多少合適以及混凝劑本身是否會對膜產生影響還需進一步研究。
　　膜過濾阻力由膜阻力、濾餅層阻力、濃差極化阻力、凝膠層阻力和吸附阻力組成。由于天然原水中的膠體和高分子有機物含量較低，加之一般膜過濾時間較短而不大會形成凝膠層，故可認為凝膠層阻力對膜過濾阻力影響較小。

1　試驗方法

　　試驗通過如下步驟確定膜阻力、濾餅層阻力和濃差極化阻力：①首先用純水過濾，所產生的阻力即為膜阻力；②然后用原水過濾，當原水濾盡后用純水替代原水繼續過濾，測定過濾阻力；③將截留在膜表面的濾餅層用純水洗凈，再用純水過濾測定膜阻力，第②步驟測定的阻力與第③步驟測定的阻力之差為濾餅層阻力(包含凝膠層阻力)；④將原水用0.45μm微孔膜濾去原水中的懸浮固體物質，濾過液用超濾膜過濾，其阻力為大分子的膠體和有機物所產生的，故可視為濃差極化阻力。
　　試驗時保持過濾水量為300mL，過濾時間大約為30min，這也是膜分離處理地表水的實際過濾時間，因此試驗情況和實際運行情況基本一致。所用超濾膜的材質為聚丙烯腈，截留分子質量為7×10⁴u。過濾裝置為杯式超濾器，過濾面積為3.32×10^-3m²，由中國科學院上海原子核研究所膜分離技術研究開發中心提供。壓力驅動采用純氮氣，過濾壓力為0.1MPa。出水通量采用容積法測定。TOC儀為ShimadzuTOC-500，紫外分光光度計為Shima dzuUV-2201。顆粒粒徑分布用Mastersizer2000測定。?

2　結果與討論

2.1　混凝提高透水通量的效果
　　試驗采用的混凝劑為硫酸鋁，投量為2～20mg/L(以Al計)。用純水配制硫酸鋁溶液，按所需量投加到原水中，先快速攪拌1min，再慢速攪拌30min，隨后置入超濾器中過濾(分攪拌和不攪拌兩種情況，攪拌模擬錯流過濾，不攪拌模擬終端過濾)。試驗結果如圖1、2所示。由圖可知，當過濾原水時透水通量隨過濾時間下降很快，投加了硫酸鋁后透水通量變化與硫酸鋁投量有關。當硫酸鋁投量在2～4mg/L時，其透水通量明顯比過濾原水時的大，且隨時間下降大大減緩。同時也可看出，混凝劑投加過量會導致透水通量下降，透水通量產生上述變化是因為過濾原水時大分子的有機物和膠體為膜截留而累積在膜表面，導致濃差極化阻力逐漸增大；投加混凝劑后，大部分的大分子有機物和膠體被去除則濃差極化阻力大為減小，因而透水通量隨過濾時間下降很慢；混凝劑投加量過多則形成的礬花細小，增大了過濾阻力，因而通量下降。另外，有攪拌時的透水通量高于沒有攪拌的。

2.2　混凝對濾餅層阻力的影響
　　濾餅層阻力與混凝劑投量的關系見圖3。?

　　由圖3可知，當混凝劑投量為4mg/L時濾餅層阻力最小，此后隨其投量的增加則濾餅層阻力也逐漸增加。由圖3也可知，攪拌情況下的濾餅層阻力低于沒有攪拌的，這是因為攪拌能促進顆粒特別是大顆粒的反向遷移，使濾餅層阻力降低。投加混凝劑前后的懸浮顆粒尺寸變化如圖4所示。?

　　由圖4可知，當硫酸鋁投量為4mg/L時形成的礬花尺寸最大，混凝劑的過量投加會使礬花變得細小，這表明濾餅層阻力的變化規律較符合Carmen-Kozeny公式。
2.3　混凝對濃差極化阻力的影響
　　投加混凝劑后的濃差極化阻力變化如圖5所示。

　　由圖5可知，當混凝劑投量為2mg/L時濃差極化阻力最小(通過試驗發現混凝主要去除分子質量＞10000u的有機物，因此混凝可降低濃差極化阻力是由于去除了大分子有機物的緣故)，此后隨著混凝劑投量的增加，濃差極化阻力上升。這是因為增加混凝劑的投量使殘留在水中的鋁離子含量增加，而鋁離子會改變溶解性有機物的表觀尺寸和電性，并在膜表面形成更緊密的濃差極化阻力層。
　　綜上所述，投加適量的混凝劑可有效地降低濾餅層阻力和濃差極化阻力，攪拌能提高透水通量、降低濾餅層阻力和濃差極化阻力。因此，膜過濾時宜采用切向流過濾方式。
2.4　投加混凝劑對膜的影響
　　分別過濾原水與投加了混凝劑的原水，其吸附阻力的比較見圖6。?

　　由圖6可知，投加混凝劑后的膜吸附阻力明顯大于直接過濾原水時的吸附阻力，這表明硫酸鋁會對膜產生污染。污染膜的因素可能是鋁，其他研究者的研究結果也支持了這一看法，如曹達文^［1］用截留分子質量為50000u的超濾膜過濾黃浦江上游原水后，用X-熒光光譜分析儀對膜表面進行全元素掃描分析，發現膜內的鋁含量較高(原水中的鋁含量很低)。MaartensA^［2］投加AlCl₃作為膜分離的預處理，發現經AlCl₃預處理后膜污染反而加重。鋁之所以污染膜可能是因為鋁會與原水中的天然有機物，特別是腐殖酸類有機物形成絡合物，并沉積在膜[LL]表面。圖6還表明，當硫酸鋁投量增加到一定量時吸附阻力反而下降，這是由于隨著硫酸鋁投量的增加則水的pH值下降，當低pH值的水透過膜時會將原先吸附在膜內的鋁離子溶解。
　　因此，為降低膜過濾阻力、提高透水通量和避免膜污染，混凝劑投量不宜太大，試驗表明2～4mg/L的投量較為合適。

3　結語

　　投加適量的混凝劑不僅可提高膜的透水通量，還可有效地降低濾餅層阻力和濃差極化阻力?；炷齽┩读繛?～4mg/L(以Al計)時，濾餅層阻力和濃差極化阻力最小。投加硫酸鋁會增加吸附阻力且造成膜污染。

參考文獻：

　?。?］曹達文.黃浦江原水膜分離特性研究［J］.膜科學與技術,2000,20(3):9-13.
　?。?］Maartens A.Feed-water pretreatment:methods to reduce membrane fouling by natural organic matter［J］.Membrane Science,1999,163,51-62.

　　電　　話：(021)65158653(H)65981522(O)
　　收稿日期：2002-05-10