混凝对膜过滤的影响

董秉直¹，曹达文¹，管晓涛²，范瑾初¹，李景华3，徐强³?
( 1.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092；
2.华东交通大学土木工程系，江西南昌　330013；3.淮南市公用事业局，安徽淮南232007)

　　摘　要：采用混凝—膜分离技术对黄浦江原水进行试验的结果表明，混凝不仅可提高膜的透水通量，还可有效地降低滤饼层阻力和浓差极化阻力；混凝剂投量为2～4mg/L(以Al计)时，滤饼层阻力最小；投加硫酸铝会增加吸附阻力且造成膜污染。
　　关键词：膜分离；混凝；滤饼层阻力；膜污染
　　中图分类号：TU991.2
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2002)12-0034-03

　　用膜直接过滤原水会产生较大的过滤阻力和通量下降。在膜分离前投加混凝剂可降低膜过滤阻力、提高透水通量已为许多研究所证实。但混凝剂如何降低膜阻力，投加量多少合适以及混凝剂本身是否会对膜产生影响还需进一步研究。
　　膜过滤阻力由膜阻力、滤饼层阻力、浓差极化阻力、凝胶层阻力和吸附阻力组成。由于天然原水中的胶体和高分子有机物含量较低，加之一般膜过滤时间较短而不大会形成凝胶层，故可认为凝胶层阻力对膜过滤阻力影响较小。

1　试验方法

　　试验通过如下步骤确定膜阻力、滤饼层阻力和浓差极化阻力：①首先用纯水过滤，所产生的阻力即为膜阻力；②然后用原水过滤，当原水滤尽后用纯水替代原水继续过滤，测定过滤阻力；③将截留在膜表面的滤饼层用纯水洗净，再用纯水过滤测定膜阻力，第②步骤测定的阻力与第③步骤测定的阻力之差为滤饼层阻力(包含凝胶层阻力)；④将原水用0.45μm微孔膜滤去原水中的悬浮固体物质，滤过液用超滤膜过滤，其阻力为大分子的胶体和有机物所产生的，故可视为浓差极化阻力。
　　试验时保持过滤水量为300mL，过滤时间大约为30min，这也是膜分离处理地表水的实际过滤时间，因此试验情况和实际运行情况基本一致。所用超滤膜的材质为聚丙烯腈，截留分子质量为7×10⁴u。过滤装置为杯式超滤器，过滤面积为3.32×10^-3m²，由中国科学院上海原子核研究所膜分离技术研究开发中心提供。压力驱动采用纯氮气，过滤压力为0.1MPa。出水通量采用容积法测定。TOC仪为ShimadzuTOC-500，紫外分光光度计为Shima dzuUV-2201。颗粒粒径分布用Mastersizer2000测定。?

2　结果与讨论

2.1　混凝提高透水通量的效果
　　试验采用的混凝剂为硫酸铝，投量为2～20mg/L(以Al计)。用纯水配制硫酸铝溶液，按所需量投加到原水中，先快速搅拌1min，再慢速搅拌30min，随后置入超滤器中过滤(分搅拌和不搅拌两种情况，搅拌模拟错流过滤，不搅拌模拟终端过滤)。试验结果如图1、2所示。由图可知，当过滤原水时透水通量随过滤时间下降很快，投加了硫酸铝后透水通量变化与硫酸铝投量有关。当硫酸铝投量在2～4mg/L时，其透水通量明显比过滤原水时的大，且随时间下降大大减缓。同时也可看出，混凝剂投加过量会导致透水通量下降，透水通量产生上述变化是因为过滤原水时大分子的有机物和胶体为膜截留而累积在膜表面，导致浓差极化阻力逐渐增大；投加混凝剂后，大部分的大分子有机物和胶体被去除则浓差极化阻力大为减小，因而透水通量随过滤时间下降很慢；混凝剂投加量过多则形成的矾花细小，增大了过滤阻力，因而通量下降。另外，有搅拌时的透水通量高于没有搅拌的。

2.2　混凝对滤饼层阻力的影响
　　滤饼层阻力与混凝剂投量的关系见图3。?

　　由图3可知，当混凝剂投量为4mg/L时滤饼层阻力最小，此后随其投量的增加则滤饼层阻力也逐渐增加。由图3也可知，搅拌情况下的滤饼层阻力低于没有搅拌的，这是因为搅拌能促进颗粒特别是大颗粒的反向迁移，使滤饼层阻力降低。投加混凝剂前后的悬浮颗粒尺寸变化如图4所示。?

　　由图4可知，当硫酸铝投量为4mg/L时形成的矾花尺寸最大，混凝剂的过量投加会使矾花变得细小，这表明滤饼层阻力的变化规律较符合Carmen-Kozeny公式。
2.3　混凝对浓差极化阻力的影响
　　投加混凝剂后的浓差极化阻力变化如图5所示。

　　由图5可知，当混凝剂投量为2mg/L时浓差极化阻力最小(通过试验发现混凝主要去除分子质量＞10000u的有机物，因此混凝可降低浓差极化阻力是由于去除了大分子有机物的缘故)，此后随着混凝剂投量的增加，浓差极化阻力上升。这是因为增加混凝剂的投量使残留在水中的铝离子含量增加，而铝离子会改变溶解性有机物的表观尺寸和电性，并在膜表面形成更紧密的浓差极化阻力层。
　　综上所述，投加适量的混凝剂可有效地降低滤饼层阻力和浓差极化阻力，搅拌能提高透水通量、降低滤饼层阻力和浓差极化阻力。因此，膜过滤时宜采用切向流过滤方式。
2.4　投加混凝剂对膜的影响
　　分别过滤原水与投加了混凝剂的原水，其吸附阻力的比较见图6。?

　　由图6可知，投加混凝剂后的膜吸附阻力明显大于直接过滤原水时的吸附阻力，这表明硫酸铝会对膜产生污染。污染膜的因素可能是铝，其他研究者的研究结果也支持了这一看法，如曹达文^［1］用截留分子质量为50000u的超滤膜过滤黄浦江上游原水后，用X-荧光光谱分析仪对膜表面进行全元素扫描分析，发现膜内的铝含量较高(原水中的铝含量很低)。MaartensA^［2］投加AlCl₃作为膜分离的预处理，发现经AlCl₃预处理后膜污染反而加重。铝之所以污染膜可能是因为铝会与原水中的天然有机物，特别是腐殖酸类有机物形成络合物，并沉积在膜[LL]表面。图6还表明，当硫酸铝投量增加到一定量时吸附阻力反而下降，这是由于随着硫酸铝投量的增加则水的pH值下降，当低pH值的水透过膜时会将原先吸附在膜内的铝离子溶解。
　　因此，为降低膜过滤阻力、提高透水通量和避免膜污染，混凝剂投量不宜太大，试验表明2～4mg/L的投量较为合适。

3　结语

　　投加适量的混凝剂不仅可提高膜的透水通量，还可有效地降低滤饼层阻力和浓差极化阻力。混凝剂投量为2～4mg/L(以Al计)时，滤饼层阻力和浓差极化阻力最小。投加硫酸铝会增加吸附阻力且造成膜污染。

参考文献：

　　［1］曹达文.黄浦江原水膜分离特性研究［J］.膜科学与技术,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.

　　电　　话：(021)65158653(H)65981522(O)
　　收稿日期：2002-05-10