1 材料与方法
1.1 实验材料
仪器：MY3000-6F型混凝试验搅拌仪，武汉市梅宇仪器有限公司；8010型超滤杯，美国Merck Millipore公司；BS224S型电子天平，德国Sartorious公司；TOC-V型总有机碳分析仪，日本岛津公司；F-4500荧光分光光度计，日本Hitachi公司；723N型可见分光光度计，上海光学仪器一厂；ECLIPSE 80i显微操作系统，日本Nikon公司。
试剂：聚合氯化铝（PAC），化学纯，巩义市宏达供水材料厂；三氯化铁（FeCl3），分析纯，重庆茂业化学试剂有限公司。超滤杯所用超滤膜，美国Millipore公司，膜材质为再生纤维素，截留分子质量为10 ku。
实验用水来自某城市污水厂二级出水，实验期间水质：pH 7.48~7.64，浊度2.01~3.17 NTU，DOC 8.06~14.23 mg/L，UV254 0.136~0.201 cm-1。
1.2 实验方法
1.2.1 絮凝实验
在搅拌强度为250 r/min，搅拌时间为2 min的条件下，对原水进行絮凝实验。PAC、FeCl3投加量均为1.0 mg/L。絮凝过程结束后，立即采用玻璃管收集絮体样本，置于载玻片上，在显微镜下进行拍摄，并利用显微图像分析技术进行分析测量，通过函数关系计算得到絮体的分形维数D2。
1.2.2 超滤杯实验
如图1所示，超滤杯实验为死端过滤，压力由氮气提供，跨膜压力为80 kPa。将超滤杯过滤出水收集于烧杯中，并将烧杯置于与计算机相连的电子天平上，实时记录收集的过滤出水质量，经计算可得到膜比通量J/J0。实验结束后，立即测定滤液的UV254、DOC及三维荧光图谱。
图1
1.3 分析方法
絮体分形维数D2的计算公式〔6〕：
式中：A——絮体面积，m2；
α——比例常数；
L——絮体的最大长度，m；
D2——絮体的二维分形维数。
对式（1）取对数：
测出絮体面积A和最大长度L，根据式（2）计算得出的直线斜率即为絮体的二维分形维数D2。
三维荧光图谱是利用分子在激发光照射下发出的特征发射光原理，分析物质的成分、含量以及荧光光谱特征〔7〕。本实验激发光波长为200~450 nm，发射光波长为200~550 nm，狭光电倍增管电压为400 V，扫描速度为12 000 nm/min，狭缝宽度为5 nm，原水水样稀释5倍。
2 结果与讨论
2.1 絮凝-超滤联用工艺对有机物的去除效果
图2为超滤、絮凝-超滤对有机物的去除效果。
图2
由图2可知，超滤对UV254和DOC的去除率分别为28.3%和66.2%，去除效果不够理想，原因是超滤膜对亲水性有机物如蛋白类、腐殖酸类等的去除率不高。超滤对有机物的去除并不是简单的截留筛分，还包括膜表面与膜孔对有机物的吸附作用。以PAC为絮凝剂的絮凝-超滤联用工艺对UV254和DOC的去除率分别为68.6%和85.4%，以FeCl3为絮凝剂的絮凝-超滤联用工艺对UV254和DOC的去除率分别为62.1%和79.6%。与超滤相比，絮凝预处理显著提高了超滤对有机物的去除率，其中PAC对有机物的去除效果要略优于FeCl3。絮凝剂水解后形成具有带正电荷的多核络合物〔8〕，这些络合物通过在脱稳带负电荷的有机物之间形成架桥连接〔9〕，将腐殖酸类、蛋白类等亲水性有机物强烈地吸附于水解产物的表面，结合成的絮体被超滤膜表面所截留，最终有效提高了超滤膜对有机物的去除效果。
2.2 三维荧光图谱（3D-EEM）分析
采用荧光光谱技术分析超滤与絮凝-超滤联用工艺去除水中蛋白类和腐殖酸类有机物的荧光特征，如图3所示。
图3
三维荧光光谱一般分为4个区〔10-11〕：A区，芳香族蛋白类，如芳香性氨基酸；B区，紫外区富里酸类；C区，可见区腐殖酸类；D区，溶解性微生物代谢物，如蛋白质和多糖。原水在A区的响应强度最强，荧光峰的位置为激发波长/发射波长为230/342，峰值强度为1 037，说明原水可能受到人类活动产生的污染影响〔12〕；同时A区高响应强度的荧光峰值可导致B、C、D区域的峰形受到掩蔽，因此B、C、D区域不能显现完整的峰形。原水经超滤后在A区荧光峰的强度有所减弱，在激发波长/发射波长为230/341处的荧光峰峰值为523，同时其他各区域也均有一定程度的减弱，说明超滤对原水中的蛋白类和腐殖酸类有机物有一定的去除效果。原水经PAC、FeCl3的絮凝-超滤后在A区芳香族蛋白类的荧光峰强度比单纯超滤后明显减弱，经PAC、FeCl3的絮凝-超滤后A区荧光峰峰值分别降至331、339.8，说明絮凝预处理可有效强化超滤对原水中有机物的去除效果。
2.3 絮体分形维数
图4
2.4 超滤膜污染分析
图5为超滤、絮凝-超滤后膜比通量变化曲线。
图5
由图5可以看出，在采用超滤杯过滤500 mL原水的条件下，经超滤后的最终膜比通量J/J0为0.419，此条件下，PAC、FeCl3絮凝-超滤的最终J/J0分别为0.523、0.456。与超滤相比，絮凝预处理减缓了超滤膜的膜通量下降速度。絮凝反应产生的絮体层可吸附部分有机物，有效减少了膜污染负荷；同时，絮体层还可阻止有机污染物与膜材料进行直接接触，起到了预过滤的作用，从而避免了由于吸附与膜孔堵塞导致的不可逆污染，有助于后续膜清洗过程中膜通量的恢复。此外，絮体层的阻力与絮体特征有关，絮体结构决定了絮体层的孔隙度及压缩度〔15〕。PAC形成的絮体分形维数D2比FeCl3更小，说明FeCl3形成的絮体更加密实，PAC形成的絮体层结构更加疏松；这种疏松的絮体结构具有较高的渗透性，从而减少了超滤膜表面滤饼层的过滤阻力，对膜通量下降起到更好的减缓作用。将絮凝作为超滤的预处理，改变了原水中污染物的尺寸，改善了超滤膜表面沉积层的性质，对膜污染有明显的改善作用。
3 结论
（1）絮凝预处理可提高超滤对有机物的去除效果。PAC的絮凝-超滤对污水中UV254和DOC的去除率分别可达68.6%和85.4%，FeCl3的絮凝-超滤对污水中UV254和DOC的去除率分别可达62.1%和79.6%，絮凝强化了超滤对原水中蛋白类和腐殖酸类有机物的去除效果。
（2）PAC和FeCl3形成的絮体的分形维数D2分别为1.691和1.839，絮体具有明显的分形特征。PAC比FeCl3形成的絮体尺寸要小，且絮体也更加疏松，这种疏松的絮体结构具有较高的渗透性，可减少超滤膜表面滤饼层的过滤阻力。
（3）絮凝反应产生的絮体层可吸附部分有机物，可有效减少膜污染负荷，并可避免由于吸附与膜孔堵塞导致的污染。超滤的最终膜比通量J/J0为0.419，PAC、FeCl3絮凝-超滤的最终J/J0分别为0.523、0.456，絮凝有效减缓了超滤膜的污染程度。
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津公网安备 12010602120337号
