對比研究：岸濾工藝是否適合作為納濾預(yù)處理工藝？

全康環(huán)保:岸濾（RBF）工藝作為一種綠色的水處理工藝，可以去除水中顆粒物、懸浮物和有機物，能作為納濾工藝的預(yù)處理工藝。研究考察了兩種岸濾系統(tǒng)對不同水質(zhì)的處理效能，結(jié)果表明模擬沉積層過濾的岸濾系統(tǒng)在不同水質(zhì)條件下均能保證出水濁度在0.4~1.1 NTU，且對水中有機物有28.1%~41.4%的去除率。研究對比岸濾工藝和活性炭吸附作為納濾預(yù)處理工藝的效果。結(jié)果表明，在水質(zhì)較好的情況下，岸濾預(yù)處理效果好于活性炭吸附，且岸濾預(yù)處理能更有效去除水中大分子有機物，緩解納濾膜污染和有機物在膜表面的沉積。研究證明岸濾工藝在合適的條件下，適合作為納濾預(yù)處理工藝。

0 引言

河岸過濾（riverbank filtration，RBF），或者岸濾工藝是一種飲用水的處理方法，該工藝以含水層或河流為水源，通過在河岸附近設(shè)置抽水井開采飲用水。岸濾過程的凈化機制與慢濾過程相近，主要通過河流附近含水層和沉積層的機械過濾、吸附、離子交換、氧化還原和生物降解去除水中污染物，同時在運行過程中部分地下水進入系統(tǒng)，稀釋原水，降低污染物濃度。岸濾系統(tǒng)作為一種綠色經(jīng)濟的水處理技術(shù)，在150年前的歐洲就已作為飲用水處理技術(shù)被使用。通過科學(xué)合理的設(shè)計，岸濾工藝能有效去除水中的顆粒物以及病原體，去除率在90%以上。目前來說，岸濾工藝主要作為飲用水的預(yù)處理工藝，同時也是一種有效的膜過濾工藝的預(yù)處理技術(shù)。

納濾工藝是一種高壓膜濾技術(shù)，過濾精度高，能去除水中絕大部分污染物。同時納濾工藝能有效截留水中多價無機鹽離子，去除水中硫酸鹽，降低水中硬度，顯著改善水質(zhì)。納濾工藝通常需要完善的預(yù)處理工藝，目前常用的納濾預(yù)處理工藝包括常規(guī)水處理工藝（混凝、沉淀、過濾）、活性炭吸附、臭氧預(yù)氧化、超濾等，主要目的是去除水中顆粒物、膠體等污染物，緩解納濾膜污染，提高納濾運行效率。完備的預(yù)處理雖然去除了水中污染物，緩解了納濾膜污染，但也顯著提高了納濾工藝的運行成本和工藝復(fù)雜性，不利于納濾技術(shù)的推廣使用。

如果在條件合適地區(qū)使用節(jié)能高效的岸濾工藝作為納濾預(yù)處理技術(shù)，替代傳統(tǒng)預(yù)處理流程，將顯著提高納濾工藝運行的經(jīng)濟性，有利于納濾技術(shù)的推廣使用?；诖四康?，本文研究了不同水質(zhì)條件下岸濾工藝的處理效能和作為預(yù)處理工藝對納濾膜污染的緩解情況。同時作為參照，比較研究了活性炭吸附預(yù)處理技術(shù)與岸濾技術(shù)的預(yù)處理效果差距，通過不同水質(zhì)條件下的綜合比較，提出適宜使用岸濾作為納濾預(yù)處理的條件，為岸濾預(yù)處理技術(shù)的應(yīng)用提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 試驗用水

研究為考察岸濾在不同條件下的適用性和效能，構(gòu)建了三種水源水質(zhì)條件：高濁度水源條件、常規(guī)水源條件和微污染水源條件。其中高濁度水采用夏季雨洪期的松花江水為原水；常規(guī)水質(zhì)水采用將雨洪期松花江水靜止24 h后的上清液為原水；微污染水是將雨洪期松花江水靜止24 h后過0.45 μm微濾膜，過膜后與脫氯后自來水1∶1混合后所得。三種原水水質(zhì)見表1。

1.2 試驗裝置

試驗搭建兩套岸濾裝置，分別模擬岸濾過程中的含水層過濾和沉積層過濾。含水層過濾的主要介質(zhì)為含水層中的礫石，因此這套岸濾的濾料使用150~200目石英砂模擬礫石過濾，后文中稱為含水層岸濾系統(tǒng)；沉積層過濾主要依靠河流底部附著在泥沙中的沉積物的過濾、吸附和生物降解作用，這套岸濾裝置濾料使用松花江岸泥烘干后與150~200目石英砂按3∶1混合，模擬河底與河岸邊的沉積層過濾，后文稱為沉積層岸濾系統(tǒng)。兩套岸濾裝置直徑20 cm，高100 cm，裝置底部進水，頂部溢流排水，通過蠕動泵（中國，蘭格，BT100-2 J）進水，調(diào)節(jié)蠕動泵控制濾速和停留時間，濾速范圍為0.1~0.5 m/d。兩套岸濾設(shè)備正式試驗前，先使用常規(guī)水源預(yù)運行30 d，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

活性炭吸附預(yù)處理試驗在六聯(lián)攪拌機上進行，吸附劑為木質(zhì)粉末活性炭，比表面積為 1 299 m2/g，投量為50 mg/L，吸附時間均為 30 min，攪拌速度采用100 rpm。吸附預(yù)處理后的水樣進行納濾過濾試驗。

納濾膜過濾裝置為平板式錯流過濾裝置（美國，STERLITECH，CF042D），有效過濾面積43 cm2，使用齒輪泵（中國，蘭格，WT3000-1JB）增壓，運行壓力0.5 MPa，使用電子天平記錄產(chǎn)水量，錯流水回流原水箱，納濾過濾試驗連續(xù)運行50 h。試驗用納濾膜為美國陶氏NF270。

1.3 分析檢測方法

試驗中濁度使用濁度儀（中國，雷磁，WZS-180 A）檢測；總有機碳（TOC）使用總有機碳分析儀（德國，Jena，N/C 2100）檢測；有機物的熒光強度使用三維熒光激發(fā)-發(fā)射矩陣檢測（日本，Hitachi，F(xiàn)2100）。除此外還使用凝膠色譜測定水中有機物的分子量分布，所用儀器為高效液相色譜（美國，Agilent，1200），凝膠色譜柱為日本 TSK 公司 G4000PWXL 型號凝膠排阻柱，使用紫外吸收檢測器檢測。檢測流動相采用磷酸鹽緩沖溶液，流動相流速為 0.3 mL/min，檢測時間60 min。

1.4 膜阻力分析方法

研究中將納濾膜阻力分為污染總阻力，即過濾結(jié)束后，用污染后的膜過濾純水計算的阻力；膜自身阻力（Rm），即潔凈納濾膜過濾純水時計算的阻力；水力可逆阻力（Rr），即在過濾結(jié)束后使用純水大流量正沖洗，用沖洗后的膜過濾計算膜阻力，相比總阻力減少的部分為水力可逆阻力；水力不可逆阻力（Ri），減去水力可逆阻力后剩余膜污染造成的阻力為水力不可逆阻力。

2 結(jié)果與討論

2.1 岸濾工藝對原水的處理效能

水中顆粒物和懸浮物對納濾工藝運行危害較大，因此能否有效降低原水濁度，保證出水濁度穩(wěn)定是評價岸濾工藝能否作為納濾預(yù)處理工藝的重要條件。表2為試驗周期內(nèi)兩套岸濾系統(tǒng)在不同水質(zhì)條件下進出水的濁度值。從表2中可以看出，兩套岸濾系統(tǒng)均能有效去除水中顆粒物和懸浮物，降低原水濁度。其中常規(guī)地表水源和微污染水源條件下，含水層岸濾系統(tǒng)和沉積層岸濾系統(tǒng)的出水濁度為0.4~0.8 NTU，且長時間保持穩(wěn)定。高濁度水源條件下，沉積層濾系統(tǒng)出水濁度為0.8~1.1 NTU，雖然高于前兩種水源條件，但仍能在惡劣的進水條件下保證出水濁度處于較低水平。而高濁度水源條件下含水層系統(tǒng)的出水濁度在運行初期較高，且存在波動，處于1.9~2.8 NTU，這主要因為原水中細小顆粒物較多，含水層系統(tǒng)過濾精度小于沉積層系統(tǒng)，造成大量細小顆粒物穿透系統(tǒng)，影響出水水質(zhì)。但運行8 d后，原水中的顆粒物在含水層系統(tǒng)的水砂界面形成顆粒物沉積，起到穩(wěn)定系統(tǒng)進水水質(zhì)作用，因此運行后期含水層系統(tǒng)出水濁度有所降低，也趨于穩(wěn)定，出水濁度在1.4 NTU左右。兩套系統(tǒng)的運行效果差異也表明，岸濾工藝對水中濁度的去除主要依靠機械截留，原理與砂濾或慢濾池類似。

除了濁度外，對水中有機物含量的削減也是預(yù)處理的重要作用之一。圖1為試驗周期內(nèi)兩套岸濾系統(tǒng)在不同水質(zhì)條件下TOC的去除率情況。從圖中我們可以看出，兩套系統(tǒng)對于有機物的去除效果差距較大。沉積層系統(tǒng)對水中有機物有一定的去除效果，且這種效果與原水水質(zhì)相關(guān)，在微污染水源條件下，TOC的出去率為41.4%，常規(guī)水質(zhì)條件下，TOC的去除率為29.5%，高濁度水質(zhì)條件下TOC去除率為28.1%。去除率的差異主要因為原水中有機物含量的差異，河流沉積物中含有大量微生物，這些富含微生物的沉積層是去除水中有機物的主要作用區(qū)域，有研究表明河水滲入沉積層幾厘米時，已有超過50%的有機物被降解。試驗中沉積層系統(tǒng)經(jīng)過預(yù)運行，系統(tǒng)內(nèi)生物作用穩(wěn)定。然而試驗岸濾系統(tǒng)規(guī)模較小，當(dāng)原水有機物含量較高時，已超過系統(tǒng)負(fù)荷，因此造成去除率下降。對于含水層系統(tǒng)，岸濾對水中有機物去除效果不佳，三種水質(zhì)條件下TOC的去除率在5.5%~8.6%，沒能有效去除水中有機物，這主要因為含水層系統(tǒng)模擬含水層中的礫石層，顆粒較大，水流通道較寬，造成水流入滲速度較快，不利于微生物的附著生長，因此系統(tǒng)內(nèi)沒有明顯的生物降解作用。

為進一步了解有機物的去除情況，試驗檢測了有機物的熒光強度，圖2是常規(guī)水質(zhì)條件下原水和兩套岸濾系統(tǒng)出水的三維熒光響應(yīng)。從圖中我們可以看出，原水存在腐殖類有機物的特征峰，屬于典型的松花江水質(zhì)。含水層系統(tǒng)的出廠三維熒光圖與原水相比幾乎沒有變化，也沒有顯著的蛋白峰，進一步證明了含水層系統(tǒng)內(nèi)未形成有效的微生物系統(tǒng)。與之不同的是，沉積層岸濾出水相比原水各峰強度有不同程度降低，說明系統(tǒng)對有機物有去除作用。

但另一方面，試驗預(yù)運行時發(fā)現(xiàn)，沉積層岸濾系統(tǒng)在預(yù)運行初期出水有機物含量甚至高于進水，推測可能的原因是河岸沉積物中積累了較多腐殖質(zhì)，這些腐殖質(zhì)正常情況下附著在沉積層和泥沙中，試驗初期岸濾系統(tǒng)濾速較快，造成了這部分附著的腐殖質(zhì)的釋放。為了驗證此推測，在試驗初期考察了濾速為0.5 、0.2和0.1 m/d條件下，沉積層系統(tǒng)出水的三維熒光響應(yīng)，結(jié)果見圖3。從圖中可以明顯看出，當(dāng)濾速為0.5 m/d，出水水質(zhì)有明顯惡化，說明岸濾運行過程中破壞了沉積物的穩(wěn)定，造成腐殖質(zhì)的釋放。當(dāng)濾速逐漸降低，出水水質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)好，除了低濾速有利于沉積層的穩(wěn)定外，還因為濾速越低，水力停留時間越長，生物降解作用越明顯。通過對兩種不同的岸濾系統(tǒng)的處理效果的比較研究，結(jié)果表明富含沉積物的沉積層岸濾系統(tǒng)處理效果好于含水岸濾系統(tǒng)。進行預(yù)處理效能研究時選用沉積岸濾系統(tǒng)作為預(yù)處理工藝，濾速為0.1 m/d。

2.2 預(yù)處理工藝效能研究

研究考察了3種水質(zhì)條件下，岸濾工藝作為預(yù)處理工藝對納濾運行的影響，同時為了更好的掌握岸濾作為預(yù)處理工藝的適用性，同時比較研究了活性炭吸附作為預(yù)處理工藝對納濾運行的影響。需要說明的是，在常規(guī)水源和高濁度水源條件下，為了符合活性炭吸附工藝實際使用條件，原水先過0.45 μm的微濾膜，再進行吸附預(yù)處理，而微污染水源條件下直接吸附預(yù)處理。圖4為3種水源條件下，兩種預(yù)處理工藝對納濾運行產(chǎn)水量、比通量和膜阻力的影響。從圖中我們可以看出，在常規(guī)水源和高濁度水源條件下，活性炭吸附的預(yù)處理效果好于岸濾預(yù)處理效果，其中常規(guī)水源條件下，活性炭預(yù)處理后的比通量和膜阻力分別為0.66和8.5×1014 m-1，優(yōu)于岸濾預(yù)處理的0.59和9.8×1014 m-1，高濁度水源條件下結(jié)果類似，整體來說，膜污染減輕27.6%。而岸濾工藝兩種水質(zhì)情況下，膜污染平均減輕21.2%。這主要因為在進行活性炭吸附預(yù)處理之前，原水先過了0.45 μm微濾膜，預(yù)先去除了水中的顆粒物，降低了原水的濁度，因此在這兩種水質(zhì)條件下，活性炭預(yù)處理工藝出水中顆粒物和懸浮物較少，加之活性炭對水中部分有機物的吸附，起到了較好的預(yù)處理效果。同時我們注意到，雖然原水濁度急劇增加，但在兩種預(yù)處理工藝的作用下，納濾運行保持在一個穩(wěn)定的狀態(tài)，特別對于岸濾工藝，憑借其良好的過濾作用，在高濁度條件下，仍保障出水濁度在1 NTU左右，保障了納濾穩(wěn)定運行，相比常規(guī)水質(zhì)，比通量僅下降0.03。

與前兩種情況相比，在微污染水源條件下，岸濾預(yù)處理的效果好于活性炭預(yù)處理，而且由于水質(zhì)較好，納濾整體污染較輕，在岸濾預(yù)處理條件下，納濾比通量和膜阻力分別為0.73和7.3×1014 m-1，膜污染減輕23.1%；活性炭預(yù)處理后比通量和膜阻力為0.69和9.1×1014 m-1，膜污染減輕3.9%。造成這種預(yù)處理效果趨勢變化的主要原因是在微污染水源條件下，原水直接經(jīng)過兩種預(yù)處理技術(shù)，雖然水質(zhì)較好，但水中仍存在少量的顆粒物和懸浮物，此時，岸濾工藝相比活性炭技術(shù)，更能充分發(fā)揮其多種機理的協(xié)同作用，帶來更好的出水水質(zhì)，緩解納濾膜污染。

2.3 膜污染阻力分析

為了進一步了解兩種預(yù)處理工藝的效果差異，對納濾膜阻力進行分類分析。從阻力分布圖中（圖4d）可以看出，在常規(guī)水源和高濁水源條件下，雖然岸濾預(yù)處理后膜總阻力較大，但其中水力不可逆阻力較小，僅為 0.6×1014和0.8×10¹⁴m-1。而活性炭預(yù)處理后水力不可逆阻力為0.9×10¹⁴和1.1×10¹⁴ m-1。這可能因為岸濾預(yù)處理產(chǎn)水中造成納濾膜污染的主要污染物包括殘余的顆粒物和有機物，而附著在膜表面的顆粒物在正沖洗過程中會被沖洗脫落，因此構(gòu)成了水力可逆污染；活性炭預(yù)處理過程中，使用了微濾膜預(yù)過濾，出水中顆粒物較少，主要為有機污染物，有機物在過濾過程中形成的膜污染通過單純的水力正沖洗難以去除，需要化學(xué)清洗，因此造成了較多的水力不可逆污染。在微污染水源條件下，得益于原水水質(zhì)的改善和岸濾工藝對顆粒物和有機物的同步去除，岸濾工藝的水力可逆阻力和不可逆阻力均有下降，僅為2.2×10¹⁴和0.6×10¹⁴ m-1。雖然水質(zhì)較好，但因為缺少了微濾膜的預(yù)過濾，活性炭預(yù)處理工藝預(yù)處理效果變化不大。

2.4 天然有機物對預(yù)處理的影響

水中的天然有機物同樣是造成膜污染的主要因素，特別是水力不可逆膜污染。研究以微污染水源條件為例，首先通過質(zhì)量平衡原理，檢測分析了原水過濾后納濾系統(tǒng)中有機物的分布情況。由圖5a可以看出，過濾后約有25.7%的有機物粘附在膜表面，這些有機物是造成膜污染，特別是不可逆污染的主要因素。圖5b為不同條件下預(yù)處理后，粘附在納濾膜表面的有機物占比的變化，從圖中可以看出，對于常規(guī)水源和高濁水源，兩種預(yù)處理技術(shù)均能減少沉積在膜表面的有機物的占比，這主要因為水中的懸浮物在過濾過程中與有機物共同易在膜表面沉積，而兩種預(yù)處理有效減少了水中顆粒物和懸浮物，降低了沉積有機物的量。但對于微污染水源，兩種預(yù)處理雖然都能緩解膜污染，但均增加了沉積在膜表面的有機物占比，特別是活性炭預(yù)處理，膜表面的有機物占比達到29.5%，大于原水的25.7%和岸濾預(yù)處理的26.5%。

為進一步探究造成有機物更易沉積的原因，在微污染水源條件下對原水和納濾濃水，以及兩種預(yù)處理出水中有機物進行了凝膠色譜測定，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)物曲線，分析水中有機物的分子量分布。我們可以看出松花江水中的主要有機物的保留時間為33 min(如圖6)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)物檢測結(jié)果，松花江水中的主要有機物為7 kDa左右的腐殖質(zhì)。經(jīng)過岸濾工藝和活性炭吸附預(yù)處理后，水中有機物的量都有所降低，但活性炭吸附相比岸濾，不僅在有機物去除效能上有所不如，對于分子量相對較大的組分，活性炭去除效果也一般。岸濾工藝去除有機物是依靠過濾、吸附和生物降解綜合作用，根據(jù)報道，岸濾工藝對于中等分子量和大分子量的有機物去除率接近70%，且降解轉(zhuǎn)變?yōu)槌尚》肿拥挠袡C物。同時我們可以看到，在納濾濃水中，這些大分子組分被富集，并在過濾過程中不斷循環(huán)，使得這些大分子有機物沉積在膜表面，造成膜污染。因此相比于活性炭吸附，岸濾工藝能更有效去除大分子有機物，有利于緩解膜污染。

3 結(jié)論

岸濾工藝作為一種綠色的水處理技術(shù)，使用河岸沉積物作為過濾介質(zhì)，在不同水質(zhì)條件下，均能有效保證出水濁度在1個NTU以下；同時通過過濾、吸附和生物降解的綜合作用，對水中有機物有一定去除作用，去除率在28%~41%之間?；诎稙V的處理特性，可以將岸濾作為納濾工藝的預(yù)處理工藝，同活性炭吸附預(yù)處理工藝相比，在原水水質(zhì)較好時，岸濾工藝的預(yù)處理效能優(yōu)于活性炭吸附工藝，不僅能緩解膜污染，減少水力不可逆污染，而且能通過去除水中大分子有機物，抑制有機物在納濾膜表面的沉積，從而保證納濾系統(tǒng)的高效運行。

總的來說，在水質(zhì)合適的條件下，單獨的岸濾工藝具有作為納濾預(yù)處理工藝的能力，使用節(jié)能高效的岸濾作為預(yù)處理，對于納濾系統(tǒng)的高效運行和推廣應(yīng)用具有重要意義。借此研究，希望為未來納濾預(yù)處理工藝的選擇和設(shè)計提供新的思路。