对比研究：岸滤工艺是否适合作为纳滤预处理工艺？
岸滤（RBF）工艺作为一种绿色的水处理工艺，可以去除水中颗粒物、悬浮物和有机物，能作为纳滤工艺的预处理工艺。研究考察了两种岸滤系统对不同水质的处理效能，结果表明模拟沉积层过滤的岸滤系统在不同水质条件下均能保证出水浊度在0.4~1.1 NTU，且对水中有机物有28.1%~41.4%的去除率。研究对比岸滤工艺和活性炭吸附作为纳滤预处理工艺的效果。结果表明，在水质较好的情况下，岸滤预处理效果好于活性炭吸附，且岸滤预处理能更有效去除水中大分子有机物，缓解纳滤膜污染和有机物在膜表面的沉积。研究证明岸滤工艺在合适的条件下，适合作为纳滤预处理工艺。
0 引言
河岸过滤（riverbank filtration，RBF），或者岸滤工艺是一种饮用水的处理方法，该工艺以含水层或河流为水源，通过在河岸附近设置抽水井开采饮用水。岸滤过程的净化机制与慢滤过程相近，主要通过河流附近含水层和沉积层的机械过滤、吸附、离子交换、氧化还原和生物降解去除水中污染物，同时在运行过程中部分地下水进入系统，稀释原水，降低污染物浓度。岸滤系统作为一种绿色经济的水处理技术，在150年前的欧洲就已作为饮用水处理技术被使用。通过科学合理的设计，岸滤工艺能有效去除水中的颗粒物以及病原体，去除率在90%以上。目前来说，岸滤工艺主要作为饮用水的预处理工艺，同时也是一种有效的膜过滤工艺的预处理技术。
纳滤工艺是一种高压膜滤技术，过滤精度高，能去除水中绝大部分污染物。同时纳滤工艺能有效截留水中多价无机盐离子，去除水中硫酸盐，降低水中硬度，显著改善水质。纳滤工艺通常需要完善的预处理工艺，目前常用的纳滤预处理工艺包括常规水处理工艺（混凝、沉淀、过滤）、活性炭吸附、臭氧预氧化、超滤等，主要目的是去除水中颗粒物、胶体等污染物，缓解纳滤膜污染，提高纳滤运行效率。完备的预处理虽然去除了水中污染物，缓解了纳滤膜污染，但也显著提高了纳滤工艺的运行成本和工艺复杂性，不利于纳滤技术的推广使用。
如果在条件合适地区使用节能高效的岸滤工艺作为纳滤预处理技术，替代传统预处理流程，将显著提高纳滤工艺运行的经济性，有利于纳滤技术的推广使用。基于此目的，本文研究了不同水质条件下岸滤工艺的处理效能和作为预处理工艺对纳滤膜污染的缓解情况。同时作为参照，比较研究了活性炭吸附预处理技术与岸滤技术的预处理效果差距，通过不同水质条件下的综合比较，提出适宜使用岸滤作为纳滤预处理的条件，为岸滤预处理技术的应用提供理论和技术基础。
1 研究方法
1.1 试验用水
研究为考察岸滤在不同条件下的适用性和效能，构建了三种水源水质条件：高浊度水源条件、常规水源条件和微污染水源条件。其中高浊度水采用夏季雨洪期的松花江水为原水；常规水质水采用将雨洪期松花江水静止24 h后的上清液为原水；微污染水是将雨洪期松花江水静止24 h后过0.45 μm微滤膜，过膜后与脱氯后自来水1∶1混合后所得。三种原水水质见表1。
1.2 试验装置
试验搭建两套岸滤装置，分别模拟岸滤过程中的含水层过滤和沉积层过滤。含水层过滤的主要介质为含水层中的砾石，因此这套岸滤的滤料使用150~200目石英砂模拟砾石过滤，后文中称为含水层岸滤系统；沉积层过滤主要依靠河流底部附着在泥沙中的沉积物的过滤、吸附和生物降解作用，这套岸滤装置滤料使用松花江岸泥烘干后与150~200目石英砂按3∶1混合，模拟河底与河岸边的沉积层过滤，后文称为沉积层岸滤系统。两套岸滤装置直径20 cm，高100 cm，装置底部进水，顶部溢流排水，通过蠕动泵（中国，兰格，BT100-2 J）进水，调节蠕动泵控制滤速和停留时间，滤速范围为0.1~0.5 m/d。两套岸滤设备正式试验前，先使用常规水源预运行30 d，以保证系统稳定。
活性炭吸附预处理试验在六联搅拌机上进行，吸附剂为木质粉末活性炭，比表面积为 1 299 m²/g，投量为50 mg/L，吸附时间均为 30 min，搅拌速度采用100 rpm。吸附预处理后的水样进行纳滤过滤试验。
纳滤膜过滤装置为平板式错流过滤装置（美国，STERLITECH，CF042D），有效过滤面积43 cm²，使用齿轮泵（中国，兰格，WT3000-1JB）增压，运行压力0.5 MPa，使用电子天平记录产水量，错流水回流原水箱，纳滤过滤试验连续运行50 h。试验用纳滤膜为美国陶氏NF270。
1.3 分析检测方法
试验中浊度使用浊度仪（中国，雷磁，WZS-180 A）检测；总有机碳（TOC）使用总有机碳分析仪（德国，Jena，N/C 2100）检测；有机物的荧光强度使用三维荧光激发-发射矩阵检测（日本，Hitachi，F2100）。除此外还使用凝胶色谱测定水中有机物的分子量分布，所用仪器为高效液相色谱（美国，Agilent，1200），凝胶色谱柱为日本 TSK 公司 G4000PWXL 型号凝胶排阻柱，使用紫外吸收检测器检测。检测流动相采用磷酸盐缓冲溶液，流动相流速为 0.3 mL/min，检测时间60 min。
1.4 膜阻力分析方法
研究中将纳滤膜阻力分为污染总阻力，即过滤结束后，用污染后的膜过滤纯水计算的阻力；膜自身阻力（Rm），即洁净纳滤膜过滤纯水时计算的阻力；水力可逆阻力（Rr），即在过滤结束后使用纯水大流量正冲洗，用冲洗后的膜过滤计算膜阻力，相比总阻力减少的部分为水力可逆阻力；水力不可逆阻力（Ri），减去水力可逆阻力后剩余膜污染造成的阻力为水力不可逆阻力。
2 结果与讨论
2.1 岸滤工艺对原水的处理效能
水中颗粒物和悬浮物对纳滤工艺运行危害较大，因此能否有效降低原水浊度，保证出水浊度稳定是评价岸滤工艺能否作为纳滤预处理工艺的重要条件。表2为试验周期内两套岸滤系统在不同水质条件下进出水的浊度值。从表2中可以看出，两套岸滤系统均能有效去除水中颗粒物和悬浮物，降低原水浊度。其中常规地表水源和微污染水源条件下，含水层岸滤系统和沉积层岸滤系统的出水浊度为0.4~0.8 NTU，且长时间保持稳定。高浊度水源条件下，沉积层滤系统出水浊度为0.8~1.1 NTU，虽然高于前两种水源条件，但仍能在恶劣的进水条件下保证出水浊度处于较低水平。而高浊度水源条件下含水层系统的出水浊度在运行初期较高，且存在波动，处于1.9~2.8 NTU，这主要因为原水中细小颗粒物较多，含水层系统过滤精度小于沉积层系统，造成大量细小颗粒物穿透系统，影响出水水质。但运行8 d后，原水中的颗粒物在含水层系统的水砂界面形成颗粒物沉积，起到稳定系统进水水质作用，因此运行后期含水层系统出水浊度有所降低，也趋于稳定，出水浊度在1.4 NTU左右。两套系统的运行效果差异也表明，岸滤工艺对水中浊度的去除主要依靠机械截留，原理与砂滤或慢滤池类似。
除了浊度外，对水中有机物含量的削减也是预处理的重要作用之一。图1为试验周期内两套岸滤系统在不同水质条件下TOC的去除率情况。从图中我们可以看出，两套系统对于有机物的去除效果差距较大。沉积层系统对水中有机物有一定的去除效果，且这种效果与原水水质相关，在微污染水源条件下，TOC的出去率为41.4%，常规水质条件下，TOC的去除率为29.5%，高浊度水质条件下TOC去除率为28.1%。去除率的差异主要因为原水中有机物含量的差异，河流沉积物中含有大量微生物，这些富含微生物的沉积层是去除水中有机物的主要作用区域，有研究表明河水渗入沉积层几厘米时，已有超过50%的有机物被降解。试验中沉积层系统经过预运行，系统内生物作用稳定。然而试验岸滤系统规模较小，当原水有机物含量较高时，已超过系统负荷，因此造成去除率下降。对于含水层系统，岸滤对水中有机物去除效果不佳，三种水质条件下TOC的去除率在5.5%~8.6%，没能有效去除水中有机物，这主要因为含水层系统模拟含水层中的砾石层，颗粒较大，水流通道较宽，造成水流入渗速度较快，不利于微生物的附着生长，因此系统内没有明显的生物降解作用。
为进一步了解有机物的去除情况，试验检测了有机物的荧光强度，图2是常规水质条件下原水和两套岸滤系统出水的三维荧光响应。从图中我们可以看出，原水存在腐殖类有机物的特征峰，属于典型的松花江水质。含水层系统的出厂三维荧光图与原水相比几乎没有变化，也没有显著的蛋白峰，进一步证明了含水层系统内未形成有效的微生物系统。与之不同的是，沉积层岸滤出水相比原水各峰强度有不同程度降低，说明系统对有机物有去除作用。
但另一方面，试验预运行时发现，沉积层岸滤系统在预运行初期出水有机物含量甚至高于进水，推测可能的原因是河岸沉积物中积累了较多腐殖质，这些腐殖质正常情况下附着在沉积层和泥沙中，试验初期岸滤系统滤速较快，造成了这部分附着的腐殖质的释放。为了验证此推测，在试验初期考察了滤速为0.5 、0.2和0.1 m/d条件下，沉积层系统出水的三维荧光响应，结果见图3。从图中可以明显看出，当滤速为0.5 m/d，出水水质有明显恶化，说明岸滤运行过程中破坏了沉积物的稳定，造成腐殖质的释放。当滤速逐渐降低，出水水质逐渐转好，除了低滤速有利于沉积层的稳定外，还因为滤速越低，水力停留时间越长，生物降解作用越明显。通过对两种不同的岸滤系统的处理效果的比较研究，结果表明富含沉积物的沉积层岸滤系统处理效果好于含水岸滤系统。进行预处理效能研究时选用沉积岸滤系统作为预处理工艺，滤速为0.1 m/d。
2.2 预处理工艺效能研究
研究考察了3种水质条件下，岸滤工艺作为预处理工艺对纳滤运行的影响，同时为了更好的掌握岸滤作为预处理工艺的适用性，同时比较研究了活性炭吸附作为预处理工艺对纳滤运行的影响。需要说明的是，在常规水源和高浊度水源条件下，为了符合活性炭吸附工艺实际使用条件，原水先过0.45 μm的微滤膜，再进行吸附预处理，而微污染水源条件下直接吸附预处理。图4为3种水源条件下，两种预处理工艺对纳滤运行产水量、比通量和膜阻力的影响。从图中我们可以看出，在常规水源和高浊度水源条件下，活性炭吸附的预处理效果好于岸滤预处理效果，其中常规水源条件下，活性炭预处理后的比通量和膜阻力分别为0.66和8.5×1014 m-1，优于岸滤预处理的0.59和9.8×1014 m-1，高浊度水源条件下结果类似，整体来说，膜污染减轻27.6%。而岸滤工艺两种水质情况下，膜污染平均减轻21.2%。这主要因为在进行活性炭吸附预处理之前，原水先过了0.45 μm微滤膜，预先去除了水中的颗粒物，降低了原水的浊度，因此在这两种水质条件下，活性炭预处理工艺出水中颗粒物和悬浮物较少，加之活性炭对水中部分有机物的吸附，起到了较好的预处理效果。同时我们注意到，虽然原水浊度急剧增加，但在两种预处理工艺的作用下，纳滤运行保持在一个稳定的状态，特别对于岸滤工艺，凭借其良好的过滤作用，在高浊度条件下，仍保障出水浊度在1 NTU左右，保障了纳滤稳定运行，相比常规水质，比通量仅下降0.03。
与前两种情况相比，在微污染水源条件下，岸滤预处理的效果好于活性炭预处理，而且由于水质较好，纳滤整体污染较轻，在岸滤预处理条件下，纳滤比通量和膜阻力分别为0.73和7.3×1014 m-1，膜污染减轻23.1%；活性炭预处理后比通量和膜阻力为0.69和9.1×1014 m-1，膜污染减轻3.9%。造成这种预处理效果趋势变化的主要原因是在微污染水源条件下，原水直接经过两种预处理技术，虽然水质较好，但水中仍存在少量的颗粒物和悬浮物，此时，岸滤工艺相比活性炭技术，更能充分发挥其多种机理的协同作用，带来更好的出水水质，缓解纳滤膜污染。
2.3 膜污染阻力分析
为了进一步了解两种预处理工艺的效果差异，对纳滤膜阻力进行分类分析。从阻力分布图中（图4d）可以看出，在常规水源和高浊水源条件下，虽然岸滤预处理后膜总阻力较大，但其中水力不可逆阻力较小，仅为 0.6×1014和0.8×1014m-1。而活性炭预处理后水力不可逆阻力为0.9×1014和1.1×1014 m-1。这可能因为岸滤预处理产水中造成纳滤膜污染的主要污染物包括残余的颗粒物和有机物，而附着在膜表面的颗粒物在正冲洗过程中会被冲洗脱落，因此构成了水力可逆污染；活性炭预处理过程中，使用了微滤膜预过滤，出水中颗粒物较少，主要为有机污染物，有机物在过滤过程中形成的膜污染通过单纯的水力正冲洗难以去除，需要化学清洗，因此造成了较多的水力不可逆污染。在微污染水源条件下，得益于原水水质的改善和岸滤工艺对颗粒物和有机物的同步去除，岸滤工艺的水力可逆阻力和不可逆阻力均有下降，仅为2.2×1014和0.6×1014 m-1。虽然水质较好，但因为缺少了微滤膜的预过滤，活性炭预处理工艺预处理效果变化不大。
2.4 天然有机物对预处理的影响
水中的天然有机物同样是造成膜污染的主要因素，特别是水力不可逆膜污染。研究以微污染水源条件为例，首先通过质量平衡原理，检测分析了原水过滤后纳滤系统中有机物的分布情况。由图5a可以看出，过滤后约有25.7%的有机物粘附在膜表面，这些有机物是造成膜污染，特别是不可逆污染的主要因素。图5b为不同条件下预处理后，粘附在纳滤膜表面的有机物占比的变化，从图中可以看出，对于常规水源和高浊水源，两种预处理技术均能减少沉积在膜表面的有机物的占比，这主要因为水中的悬浮物在过滤过程中与有机物共同易在膜表面沉积，而两种预处理有效减少了水中颗粒物和悬浮物，降低了沉积有机物的量。但对于微污染水源，两种预处理虽然都能缓解膜污染，但均增加了沉积在膜表面的有机物占比，特别是活性炭预处理，膜表面的有机物占比达到29.5%，大于原水的25.7%和岸滤预处理的26.5%。
为进一步探究造成有机物更易沉积的原因，在微污染水源条件下对原水和纳滤浓水，以及两种预处理出水中有机物进行了凝胶色谱测定，结合标准物曲线，分析水中有机物的分子量分布。我们可以看出松花江水中的主要有机物的保留时间为33 min(如图6)，结合标准物检测结果，松花江水中的主要有机物为7 kDa左右的腐殖质。经过岸滤工艺和活性炭吸附预处理后，水中有机物的量都有所降低，但活性炭吸附相比岸滤，不仅在有机物去除效能上有所不如，对于分子量相对较大的组分，活性炭去除效果也一般。岸滤工艺去除有机物是依靠过滤、吸附和生物降解综合作用，根据报道，岸滤工艺对于中等分子量和大分子量的有机物去除率接近70%，且降解转变为成小分子的有机物。同时我们可以看到，在纳滤浓水中，这些大分子组分被富集，并在过滤过程中不断循环，使得这些大分子有机物沉积在膜表面，造成膜污染。因此相比于活性炭吸附，岸滤工艺能更有效去除大分子有机物，有利于缓解膜污染。
3 结论
岸滤工艺作为一种绿色的水处理技术，使用河岸沉积物作为过滤介质，在不同水质条件下，均能有效保证出水浊度在1个NTU以下；同时通过过滤、吸附和生物降解的综合作用，对水中有机物有一定去除作用，去除率在28%~41%之间。基于岸滤的处理特性，可以将岸滤作为纳滤工艺的预处理工艺，同活性炭吸附预处理工艺相比，在原水水质较好时，岸滤工艺的预处理效能优于活性炭吸附工艺，不仅能缓解膜污染，减少水力不可逆污染，而且能通过去除水中大分子有机物，抑制有机物在纳滤膜表面的沉积，从而保证纳滤系统的高效运行。
总的来说，在水质合适的条件下，单独的岸滤工艺具有作为纳滤预处理工艺的能力，使用节能高效的岸滤作为预处理，对于纳滤系统的高效运行和推广应用具有重要意义。借此研究，希望为未来纳滤预处理工艺的选择和设计提供新的思路。
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