用膜直接過(guò)濾原水會(huì )產(chǎn)生較大的過(guò)濾阻力和通量下降。在膜分離前投加混凝劑可降低膜過(guò)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 )對膜產(chǎn)生影響還需進(jìn)一步研究。
膜過(guò)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(guò)濾時(shí)間較短而不大會(huì )形成凝膠層，故可認為凝膠層阻力對膜過(guò)濾阻力影響較小。
1 試驗方法
試驗通過(guò)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(guò)濾，所產(chǎn)生的阻力即為膜阻力；②然后用原水過(guò)濾，當原水濾盡后用純水替代原水繼續過(guò)濾，測定過(guò)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(guò)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(guò)液用超濾膜過(guò)濾，其阻力為大分子的膠體和有機物所產(chǎn)生的，故可視為濃差極化阻力。
試驗時(shí)保持過(guò)濾水量為300mL，過(guò)濾時(shí)間大約為30min，這也是膜分離處理地表水的實(shí)際過(guò)濾時(shí)間，因此試驗情況和實(shí)際運行情況基本一致。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(guò)濾裝置為杯式超濾器，過(guò)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(kāi)發(fā)中心提供。壓力驅動(dòng)采用純氮氣，過(guò)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(guò)濾(分攪拌和不攪拌兩種情況，攪拌模擬錯流過(guò)濾，不攪拌模擬終端過(guò)濾)。試驗結果如圖1、2所示。由圖可知，當過(guò)濾原水時(shí)透水通量隨過(guò)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)。當硫酸鋁投量在2～4mg/L時(shí)，其透水通量明顯比過(guò)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(guò)量會(huì )導致透水通量下降，透水通量產(chǎn)生上述變化是因為過(guò)濾原水時(shí)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(guò)濾時(shí)間下降很慢；混凝劑投加量過(guò)多則形成的礬花細小，增大了過(guò)濾阻力，因而通量下降。另外，有攪拌時(shí)的透水通量高于沒(méi)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(guān)系見(jiàn)圖3。
由圖3可知，當混凝劑投量為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(méi)有攪拌的，這是因為攪拌能促進(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，當硫酸鋁投量為4mg/L時(shí)形成的礬花尺寸最大，混凝劑的過(guò)量投加會(huì )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(shí)濃差極化阻力最小(通過(guò)試驗發(fā)現混凝主要去除分子質(zhì)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(zhù)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(huì )改變溶解性有機物的表觀(guān)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(guò)濾時(shí)宜采用切向流過(guò)濾方式。
2.4 投加混凝劑對膜的影響
分別過(guò)濾原水與投加了混凝劑的原水，其吸附阻力的比較見(jiàn)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(guò)濾原水時(shí)的吸附阻力，這表明硫酸鋁會(huì )對膜產(chǎn)生污染。污染膜的因素可能是鋁，其他研究者的研究結果也支持了這一看法，如曹達文［1］用截留分子質(zhì)量為50000u的超濾膜過(guò)濾黃浦江上游原水后，用X-熒光光譜分析儀對膜表面進(jìn)行全元素掃描分析，發(fā)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(fā)現經(jīng)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(huì )與原水中的天然有機物，特別是腐殖酸類(lèi)有機物形成絡(luò )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(shí)吸附阻力反而下降，這是由于隨著(zhù)硫酸鋁投量的增加則水的pH值下降，當低pH值的水透過(guò)膜時(shí)會(huì )將原先吸附在膜內的鋁離子溶解。
因此，為降低膜過(guò)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(yǔ)
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�2～4mg/L(以Al計)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。來(lái)源：谷騰水網(wǎng)
