超滤膜（UF）和微滤膜（MF）所需操作压力低，水通量大，对预处理要求低，并且超滤膜可以有效地去除贾滴虫胞囊和隐孢子虫卵囊等微生物，因而在许多方面优于传统的过滤技术。超滤膜由于较大的孔径，对水中溶解性有机物去除效果较差，单独使用超滤膜过滤原水，出水水质难以令人满意；同时在膜的运行过程中存在着膜污染现象，使膜通量降低，制水成本增加，严重制约了膜的发展应用。许多研究表明，天然水中溶解性有机物是造成膜污染的主要因素[1]。
为解决这一问题，超滤膜与混凝、粉末活性炭（Powdered activated carbon，PAC）联用，形成深度处理膜工艺，将PAC的吸附作用与UF的截留作用相结合来改善处理工艺的性能。同时一些研究表明，投加PAC能有效地降低膜过滤阻力，提高膜过滤通量，减缓膜污染[1-2]。
本试验结合PAC的吸附作用和UF的截留作用，构建了一体式粉末活性炭－超滤膜反应器，并将其用来处理微污染原水，考察PAC－UF组合工艺对水中的溶解性有机污染物的去除效果，以及投加粉末活性炭对提高膜通量以及减缓膜污染的影响，并获得优化的工艺参数，以期为未来工程应用提供有益的参考。
1试验装置与方法
1.1试验装置
试验装置由一体式活性炭－膜反应器、膜组件、空气扩散系统、反冲洗泵和虹吸出水系统组成，具体见图1。
反应器为浸没式超滤膜反应器，有效容积2.88L。
粉末活性炭－超滤膜组合工艺
处理微污染原水试验研究
潘若平，邓慧萍，胥红，刘晓聪，胡婧逸
（同济大学环境科学与工程学院，上海200092）
摘要：采用粉末活性炭和超滤膜联用技术对微污染原水进行试验，考察该工艺对溶解性有机物的去除效果、粉末炭改善膜通量以及防止膜污染的效果。结果表明，随着反应器内活性炭浓度升高，工艺处理效果有极大改善，膜通量明显提高，反应器最佳活性炭投加量为0.5g·L-1。工艺运行1110min，出水TOC、UV254去除率保持稳定，平均去除率分别为44.8%、48.9%，膜通量降低缓慢，1110min后通量为初始通量的70%。反冲洗对膜通量有所恢复，多次反冲后效果不明显，且反冲后破坏膜表面的滤饼层使出水水质稍有降低。
关键词：微污染原水；粉末活性炭；超滤膜；溶解性有机物
中图分类号：TQ028.8文献标识码：A文章编号：1000-3770(2010)08-0104-004
收稿日期：2009-10-28
基金项目：水体污染控制与治理科技重大专项（2008ZX07407-007）
作者简介：潘若平（1983－），男，硕士研究生，研究方向为饮用水深度处理技术联系作者：邓慧萍；联系电话：021-********；E-mail：denghuiping@https://www.doczj.com/doc/dd16225352.html,
图1试验装置
Fig.1Sketch of experimental device
第36卷第8期2010年8月
水处理技术
TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT
Vol.36No.8
Aug.,2010
104
为保持容器内液面恒定，进水由浮球阀控制，反应器内设外压式中空纤维超滤膜，通过曝气头冲刷膜表面，底部设环流泵使水流围绕隔板循环流动，并在膜表面形成剪切力，以降低污染物在膜面形成滤饼的速度和厚度，同时防止粉末活性炭在反应器内沉积。采用虹吸式出水，出水口与反应器液面高差保持在1.5m水头，虹吸条件由反冲洗泵创造。
1.2试验方法
试验先考察反应器内活性炭浓度对膜过滤效果和膜通量的影响，在改变PAC投加量后对膜进行化学清洗。在确定反应器PAC浓度后，膜运行周期为2h，反冲洗5min，反冲水量10L·h-1，过滤压力保持恒定为0.015MPa（虹吸1.5m水头），定期补充反应器内活性炭。
1.3试验材料
试验进水采用腐殖酸配水模拟微污染原水，其TOC平均值为7.269mg·L-1（6.807～7.812mg·L-1），原水254nm紫外光吸光度（UV
254
）平均值为0.712 cm-1（0.679～0.766cm-1）。
试验膜组件采用昆山精诚膜技术有限公司生产的聚丙烯中空纤维超滤膜，膜组件参数为：微孔平均孔径0.01μm，外径Φ450μm，壁厚40～50μm，纵向抗拉强度120MPa，孔隙率40%～50%，破裂强度＞1.0MPa，流量3～4L·h-1，工作压力0.01～0.03 MPa，长度200mm。
活性炭采用上海某公司生产的粉末活性炭。粒度75μm，碘吸附值800mg·g-1，亚甲基兰吸附值150mL·g-1，比表面积950m2·g-1，耐磨强度95%，灰分10%，水分5%，pH为5～7，比重0.52g·mL-1，铁含量0.05%。
1.4分析方法
过膜流量采用液体转子流量计测定；UV
254
采用UV755B分光光度计测定；总有机炭（Total organic carbon，TOC）质量浓度采用TOC-VCPH测定。
2结果与讨论
2.1活性炭投加量对膜处理效果的影响
2.1.1活性炭投加量对TOC去除效果的影响
由图2可以看出，反应器内投加活性炭后对膜出水水质有了极大改善，随着投加量的增加水质逐渐变好，投加量达到一定限度后，TOC去除率升高不太明显。在没有投加活性炭的情况下，原水直接过膜TOC去除率在前10min内还稍高于20%，但出水水质在20min后就降至15%左右，在约1h后膜
表面形成滤饼层使出水水质稍微有所回升，但去除率依
然低于20%。在反应器内PAC投加量为0.1g·L-1
时，开始时，出水去除率能达到约40%，随着反应进
行，去除效果缓慢下降，在50min后基本达到平衡
并维持在20%以上，由于反应器内活性炭没有及时
补充，在PAC吸附饱和后，反应器内有机污染物浓
度逐渐升高，TOC去除率较原水直接过膜的效果改
善不太明显。PAC投加量达到0.3、0.5、0.7g·L-1时，
运行180min，去除效果都很稳定，其中投加0.3g·L-1
PAC使TOC去除率比原水直接过膜高出约17%，
投加活性炭到0.5g·L-1时，TOC去除率在前20min
不到40%，但在20min后去除率近50%并稍有波
动，这可能跟膜表面滤饼层的形成有关，当膜表面形
成滤饼层后截留了较多的有机污染物。当继续增加
PAC投加量到0.7g·L-1后，去除效果基本不再增
加，但出水稳定性得到提高。
2.1.2活性炭投加量对UV254去除效果的影响
UV254可以作为TOC及THMs前驱物的代用参
数，与三卤甲烷前驱物有很好的相关性。由图3可以
看出，PAC的加入明显增强了超滤膜过滤去除
UV254的能力，其改变趋势与TOC基本相似。随着
图3活性炭投加量对UV
254
去除效果的影响
Fig.3Effect on removal of organic compounds measured as
UV254of different PAC concentrations
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图2活性炭投加量对TOC去除效果的影响
Fig.2Effect on removal of organic compounds measured as
TOC of different PAC concentrations
潘若平等，粉末活性炭－超滤膜组合工艺处理微污染原水试验研究105
PAC 投加量的增加，UV 254去除率逐渐升高，在投加量达到0.5g ·L -1以上时，UV 254去除率改善不太明显。同时在图中可见，无论PAC 投加量为多少，膜在运行一段时间后表面形成一定厚度的滤饼层，此滤饼层对UV 254物质有一定的截留作用，使去除率得到一定程度的提高。
从对TOC 、UV 254去除效果来看，最佳PAC 的投加量为0.5g ·L -1，过高此投加量时PAC 对出水水质的改善不太明显。活性炭和膜联用在去除有机污染物方面有一定的互补作用，由于超滤膜孔径较大，对小分子量物质的截留作用较小，对大分子量物质去除效果明显，而活性炭对小分子量物质具有较好的吸附去除能力。二者在去除不同分子量有机物方面有较好的互补功能[3]。故投加活性炭能较好的提高工艺处理效果，随着活性炭投加量增加有机物去除效果也显著升高，由于PAC 吸附充分吸附小分子量物质后，过多投加PAC 后改善作用就不明显。2.2活性炭投加量对膜过滤性能的影响
由图4可以看出，在没有投加活性炭时，膜通量急剧降低，在100min 内通量降低到初始时通量的41.4%。投加活性炭后，即使在较小的浓度下都可以使通量保持稳定，并在180min 后还能维持在初始通量的83.6%以上。Maria Tomaszewska [3]、Sylwia Mozia [4]研究发现投加活性炭对膜通量有较好的改善作用，并随着活性炭的投加量的增加，有机污染物的去除效果也逐渐升高。
投加粉末炭后，沉积在膜表面的滤饼层变得富有弹性，而且投加量越大，弹性也越明显。这种现象是由于投加粉末炭后的滤饼层的孔隙率增加所导致
的。当悬浮固体沉积在膜表面形成滤饼层时，有机物起着一种“黏合剂”的作用，将固体颗粒黏合成紧密的滤饼层，滤饼层的孔隙率减少，导致通量下降，同时滤饼层的弹性丧失。投加粉末炭后，粉末炭吸附有
机物，使得滤饼层中的有机物黏合作用减弱，滤饼层变得富有弹性，使内部孔隙率增加且不易堵塞[2]，同时膜表面形成的PAC 层提高了潜在污染物的反扩散，还可过滤胶体颗粒，减少了它们到达膜表面的数量，因而单位膜面积在膜寿命期内产水量大大提高[5]。另外投加活性炭能够吸附部分有机污染物，使反应器内污染物浓度降低，从而对膜通量具有一定的改善作用[6]。
由图2～图4可知，PAC 投加量为0.1g ·L -1对膜通量已经有了很好的提高作用，继续增加投加量对膜通量的改善作用已不明显，但考虑到膜的出水水质，在投加量为0.5g ·L -1时达到最好，并且PAC －膜工艺运行一段时间后，活性炭上会有微生物生长，为增加后期反应器内生物膜含量，工艺初期反应器内PAC 投加量保持在0.5g ·L -1，并定期补充少量新炭，以维持活性炭吸附有机物的作用。
2.3PAC －膜一体式反应器优化运行效果
通过以上试验结果分析，确定工艺运行初期反应器最佳活性炭投加量为0.5g ·L -1。工艺运行初期
由于通量降低缓慢，每2h 进行一次反冲洗，
反冲洗水量为10L ·h -1，进水TOC 、UV 254较高，平均值分别为7.269mg ·L -1、0.712cm -1。此工况下，工艺处理效果如图5所示，膜通量变化如图6所示。
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400
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?图6PAC －UF 工艺膜通量变化
Fig.6Changes of permeate flux in time during PAC-UF processes
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??? ??áèá?áá??? ??áèá?ááá
??? ??áèá?图4活性炭投加量对膜通量的影响
Fig.4
Effect on permeate flux of different PAC concentrations
020040060080010001200
10
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304050
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t /min
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图5PAC －UF 工艺对有机污染物的去除效果Fig.5Removal of organic compounds measured as TOC and
UV 254during PAC-UF processes
水处理技术第36卷第8期
106
由图5可见，经过长时间运行，膜对有机污染物去除效果一直较为稳定，TOC 平均去除率约为44.8%，UV 254去除率与TOC 有较好的相关性，去除效果稍高于TOC ，平均去除率约为48.9%，最高时达到59.4%。从图6可以看出，膜通量减低缓慢，在
运行1110min 后出水通量由最初的23mL ·
min -1降为16.2mL ·min -1，通量降低约29.8%。
在连续运行约280min 后TOC 、UV 254去除率略微有所升高，这可能跟膜孔部分堵塞，孔径相对变小再加上表面形成稳定致密的滤饼层，使污染物不易通过膜有关。同时从图6中可以看出，280min 后膜通量降低较快，一定程度反映了膜孔堵塞和滤饼层
阻力增大的现象。
试验过程进行定期反冲洗，反冲洗使膜通量稍微有所恢复，但同时反冲后膜的出水水质却相对降低，反映了膜表面的滤饼层对截留污染物有积极作用，但长时间运行后滤饼层逐渐致密又会使膜通量降低，随着反冲次数增多，不可逆污染影响越来越显著，使通量逐渐减小。
3结论
加入PAC 到UF 系统中组成PAC-UF 工艺以
强化水体中有机物的去除。试验结果表明，投加活性炭能够有效提高有机物的去除效果，随着活性炭投加量增大，TOC 、UV 254去除率逐渐升高，最佳活性炭投加量为0.5g ·L -1，继续增大PAC 投加量对TOC 、
UV 254去除率提高不太明显。
活性炭投加量为0.1g ·L -1时膜通量提高最大，再增大PAC 投加量，膜通量没有相应提高，但0.1
g ·L -1PAC 投加量对膜处理出水水质改善有限。综合考虑膜通量和出水水质，工艺运行初期反应器内活
性炭投加量定为0.5g
·L -1。PAC －UF 工艺连续运行1110min ，对TOC 、UV 254有稳定的去除率，平均去除率分别为44.8%、48.9%，UV 254最高时达到59.4%。反冲洗对膜通量有一定回复作用，多次反冲后效果不太明显，且反冲洗会破坏膜表面滤饼层使出水水质略有降低。
参考文献：
[1]董秉直,曹达文,范瑾初.UF 膜过滤天然原水阻力特性的研究[J].水处理技术,2001,27(2):80-83.
[2]董秉直,陈艳,高乃云,等.粉末活性炭-超滤膜处理微污染原水试验研究[J].同济大学学报:自然科学版,2005,33(6):777-780.[3]Maria Tomaszewska,Sylwia Mozia.Removal of organic matter from water by PAC/UF system[J].Water Res.,2002,36:4137-4143.[4]
Sylwia Mozia,Maria Tomaszewska,Antoni W,et al.Studies on the effect of humic acids and phenol on adsorption-ultrafiltration process performance[J].Water Res.,2005,39:501-509.[5]孙逊,孙瑾,张栋华,等.粉末活性炭对膜过滤性能的影响[J].环境污染治理技术与设备,2006,7(12):89-91.
[6]
Xia Shengji,LIU Yanan,LI Xing,et al.Drinking water production by ultrafiltration of songhuajiang river with PAC adsorption [J].Journal of Environmental Sciences,2007,19:536-539.
TREATMENT OF MICRO-POLLUTED WATER RESOURCES BY POWDERED
ACTIVATED CARBON-ULTRAFILTRATION MEMBRANE PROCESS
Pan Ruoping,Deng Huiping,Xu Hong,Liu Xiaocong,Hu Jingyi
(Environmental Science &Engineering Department,Tongji University,Shanghai 200092,China)
Abstract:Investigations are presented on the effect of the powdered activated carbon (PAC)/UF process performance,especially on the efficiency of organics removal,enhancing flux and effect of preventing membrane from fouling.The results showed that,a high effectiveness of model organics removal was obtained with the increase of PAC addition,at the same time PAC can prevent membrane from fouling and lead to a small drop in the permeate flux.It was found that the most advantageous dosage was 0.5mg ·L -1,with this PAC concentrations,PAC /UF process worked for almost 1110minutes,and it turned out a stable performance on removal organic compounds.TOC and UV 254were reduced by about 44.8%and 48.9%,respectively.After a long time work,the membrane still keep a high flux which amounts 70%for the beginning flux .Back washing could lead to a little recover of membrane permeate flux,but for several times it lost this function,and back flushing could destroy the cake on the surface of membrane,which may have a small effect on the quality of the outlet.
Keywords:micro-polluted water resources ；powdered activated carbon;ultrafiltration membrane;dissolved organic matters
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
潘若平等，粉末活性炭－超滤膜组合工艺处理微污染原水试验研究鸟儿渴望洁净的天空，
人类渴望绿色的家园。
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