董秉直¹，曹達(dá)文¹，管曉濤²，范瑾初¹，李景華3，徐強(qiáng)³?
( 1.同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；
2.華東交通大學(xué)土木工程系，江西南昌　330013；3.淮南市公用事業(yè)局，安徽淮南232007)

　　摘　要：采用混凝—膜分離技術(shù)對(duì)黃浦江原水進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)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(jì))時(shí)，濾餅層阻力最小；投加硫酸鋁會(huì)增加吸附阻力且造成膜污染。
　　關(guān)鍵詞：膜分離；混凝；濾餅層阻力；膜污染
　　中圖分類號(hào)：TU991.2
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)12-0034-03

　　用膜直接過濾原水會(huì)產(chǎn)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(shí)。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(huì)對(duì)膜產(chǎn)生影響還需進(jìn)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(jī)物含量較低，加之一般膜過濾時(shí)間較短而不大會(huì)形成凝膠層，故可認(rèn)為凝膠層阻力對(duì)膜過濾阻力影響較小。

1　試驗(yàn)方法

　　試驗(yàn)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(chǎn)生的阻力即為膜阻力；②然后用原水過濾，當(dāng)原水濾盡后用純水替代原水繼續(xù)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(zhì)，濾過液用超濾膜過濾，其阻力為大分子的膠體和有機(jī)物所產(chǎn)生的，故可視為濃差極化阻力。
　　試驗(yàn)時(shí)保持過濾水量為300mL，過濾時(shí)間大約為30min，這也是膜分離處理地表水的實(shí)際過濾時(shí)間，因此試驗(yàn)情況和實(shí)際運(yùn)行情況基本一致。所用超濾膜的材質(zhì)為聚丙烯腈，截留分子質(zhì)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(xué)院上海原子核研究所膜分離技術(shù)研究開發(fā)中心提供。壓力驅(qū)動(dòng)采用純氮?dú)猓^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(jì)為Shima dzuUV-2201。顆粒粒徑分布用Mastersizer2000測定。?

2　結(jié)果與討論

2.1　混凝提高透水通量的效果
　　試驗(yàn)采用的混凝劑為硫酸鋁，投量為2～20mg/L(以Al計(jì))。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?jǐn)嚢韬筒粩嚢鑳煞N情況，攪拌模擬錯(cuò)流過濾，不攪拌模擬終端過濾)。試驗(yàn)結(jié)果如圖1、2所示。由圖可知，當(dāng)過濾原水時(shí)透水通量隨過濾時(shí)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(guān)。當(dāng)硫酸鋁投量在2～4mg/L時(shí)，其透水通量明顯比過濾原水時(shí)的大，且隨時(shí)間下降大大減緩。同時(shí)也可看出，混凝劑投加過量會(huì)導(dǎo)致透水通量下降，透水通量產(chǎn)生上述變化是因?yàn)檫^濾原水時(shí)大分子的有機(jī)物和膠體為膜截留而累積在膜表面，導(dǎo)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(jī)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(shí)間下降很慢；混凝劑投加量過多則形成的礬花細(xì)小，增大了過濾阻力，因而通量下降。另外，有攪拌時(shí)的透水通量高于沒有攪拌的。

2.2　混凝對(duì)濾餅層阻力的影響
　　濾餅層阻力與混凝劑投量的關(guān)系見圖3。?

　　由圖3可知，當(dāng)混凝劑投量為4mg/L時(shí)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?yàn)閿嚢枘艽龠M(jìn)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(dāng)硫酸鋁投量為4mg/L時(shí)形成的礬花尺寸最大，混凝劑的過量投加會(huì)使礬花變得細(xì)小，這表明濾餅層阻力的變化規(guī)律較符合Carmen-Kozeny公式。
2.3　混凝對(duì)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(dāng)混凝劑投量為2mg/L時(shí)濃差極化阻力最小(通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)混凝主要去除分子質(zhì)量＞10000u的有機(jī)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(jī)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?yàn)樵黾踊炷齽┑耐读渴箽埩粼谒械匿X離子含量增加，而鋁離子會(huì)改變?nèi)芙庑杂袡C(jī)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(shí)宜采用切向流過濾方式。
2.4　投加混凝劑對(duì)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(shí)的吸附阻力，這表明硫酸鋁會(huì)對(duì)膜產(chǎn)生污染。污染膜的因素可能是鋁，其他研究者的研究結(jié)果也支持了這一看法，如曹達(dá)文^［1］用截留分子質(zhì)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(duì)膜表面進(jìn)行全元素掃描分析，發(fā)現(xiàn)膜內(nèi)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(yù)處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)AlCl₃預(yù)處理后膜污染反而加重。鋁之所以污染膜可能是因?yàn)殇X會(huì)與原水中的天然有機(jī)物，特別是腐殖酸類有機(jī)物形成絡(luò)合物，并沉積在膜[LL]表面。圖6還表明，當(dāng)硫酸鋁投量增加到一定量時(shí)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(dāng)?shù)蚿H值的水透過膜時(shí)會(huì)將原先吸附在膜內(nèi)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(yàn)表明2～4mg/L的投量較為合適。

3　結(jié)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。混凝劑投量為2～4mg/L(以Al計(jì))時(shí)，濾餅層阻力和濃差極化阻力最小。投加硫酸鋁會(huì)增加吸附阻力且造成膜污染。

參考文獻(xiàn)：

　　［1］曹達(dá)文.黃浦江原水膜分離特性研究［J］.膜科學(xué)與技術(shù),2000,20(3):9-13.
　　［2］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