SCI搬運工 | 砂濾和超濾，到底哪個更勝一籌？

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美國《科學引文索引》（Science Citation Index, 簡稱 SCI ）於1957 年由美國科學信息研究所（Institute for Scientific Information, 簡稱 ISI）在美國費城創辦，是由美國科學信息研究所（ISI）1961 年創辦出版的引文資料庫。SCI（科學引文索引）與EI（工程索引）、ISTP（科技會議錄索引）被並稱為世界著名的三大科技文獻檢索系統。

雨水、地下水、地表水和再生水等替代飲用水的水源往往同時含有化學汙染物和微生物汙染物(如病原體、有機微汙染物和重金屬)，可能對人體健康構成嚴重威脅。快速砂濾(SF)和超濾（UF）在飲用水處理中各有其優勢和缺點，在這項研究中進行了砂濾（SF）和超濾（UF）的詳細比較，目的是為替代UF和SF技術提供支持。

方法

該實驗在中國東營市的飲用水處理廠（DWTP）中進行，原水的主要特性如下。

在本研究中開發了由絮凝，吸附，沉澱，SF和UF組成的中試混合工藝。根據水的濁度，將聚氯化鋁（PACl）和粉狀活性炭（PAC）分別以3~7 mg Al2O3/L和3~5 mg / L的劑量添加到原水中。在折流板式絮凝池中的總接觸時間約為30分鐘，水平沉降池的表面負荷為1.5 m3/(m2·h)。SF柱由1000mm石英砂層組成。該柱以9 m/h的過濾速率在下流模式下操作。膜總表面積為15 m2的超濾系統在3.6~10.8 m3/d的流量範圍內運行，膜組件通過水力衝洗以60 L /(m2·h)的強度每2h反衝洗2min。

消毒實驗在恆溫（20±1℃）的琥珀色玻璃瓶（500 mL）中進行，用紫外/可見分光光度計測量氯和二氧化氯。確定了與氯和二氧化氯相關的三滷甲烷（THM）和亞氯酸鹽為代表性的DBP。

並行的一階反應模型如下，用於評估氯的衰減，其前提是衰減速率僅取決於氯的濃度。另外，將氯衰減反應分為快速反應階段和緩慢反應階段。

結果與討論

01、UF和SF工藝的去除性能

為了比較UF和SF的性能，測定了進水和廢水中的UV254，DOC，氨和濁度。CA-S的控制過程對DOC和UV254的去除性能有限，平均去除率分別為6.2％和9.8％，無法滿足對飲用水的要求。當與UF或SF結合使用時，有機物去除率得到提高，而UF在DOC去除率方面優於SF。在CA-S處理過程中，溶解的有機物可能被絮凝物和PAC吸附，並可以被超濾膜有效保留。結果，在超濾過程中觀察到較高的DOC去除性能。相比之下，SF可以比UF更好地去除與UV254相關的有機化合物，這可能是由於砂濾池內物理吸附和生物降解的結合，關於氨的去除，UF和SF的氨濃度分別從0.34降至0.12和0.15 mg/L。UF對氨的大量去除可能歸因於膜表面形成的濾餅層的「次級膜」功能，此外，超濾工藝對顆粒物、膠體和懸浮物的去除率均高於SF工藝，濁度去除率達99%，明顯高於SF工藝，說明超濾工藝比SF工藝更適合生產微生物穩定水。總的來說，UF和SF都有助於去除汙染物，而且與不考慮UV吸收化合物的SF相比，UF具有略高的去除效果。

為了研究螢光組分的去除，利用EEM光譜對原水和處理水進行了表徵。根據半分裂分析，對PARAFAC結果擬合三分量模型。組分1 (C1)顯示出兩個激發峰(250 nm和300 nm)和一個單一發射峰(420 nm)，這與微生物衍生的類腐殖質有關。組分2在240nm處有一個激發峰，在345nm處有一個發射峰，代表類酪氨酸物質。組分3 (C3)在225和280 nm處有兩個激發峰，在330 nm處有一個發射峰，與蛋白樣物質有關。從PARAFAC模型得到的各螢光組分的Fmaxof與各組分的相對濃度有關，圖3d為三種螢光物質的去除率。在CA-S處理過程中，C1和C3的濃度僅比原水降低了11%和13%，其餘螢光化合物的濃度仍然較高。有趣的是，UF法和SF法過濾後，C1、C2和C3的強度均顯著降低，說明濾後處理可以顯著提高螢光組分的去除效果。同樣，在另一種混凝與超濾相結合的工藝中，微生物產物、類黃腐酸物質和類腐植酸物質優先被去除。此外如圖所示，SF對螢光發酵劑的去除率略高，與UV254去除率一致。在去除C2方面，UF和SF也有類似的下降，降幅約為10%。

為了評價UF法和SF法生產的水的微生物安全性，測量了出水中總細菌和大腸菌的數量。在進水中，總菌數和大腸菌群數的平均值分別為270 CFU/mL和48 MPN/L。與SF法相比，超濾膜明顯降低了總菌數和大腸菌群數，且由於超濾膜中細菌的尺寸大於膜孔，幾乎未發現微生物的存在。這一結果與研究結果一致，即無論膜材料的不同，UF幾乎可以清除100%的微生物。因此，UF法具有較好的去除微生物的性能，可以產生微生物穩定的飲用水，比SF法更適合處理微生物汙染的水資源。

02、超濾和超濾工藝出水的特點

NOM的分子量分布和親水性是評價處理水的重要因素，有助於深入評價SF和UF在DBP形成方面的差異。以MW為基準，可以將水中的NOM大致定義為低MW (<1 kDa)、中MW (1-10 kDa)和高MW (>100 kDa)，分別佔總有機物的77%、11%和7%。其他有機物(10-100 kDa)只佔很小的比例(5%)。在超濾和超濾過程的廢水中，可以觀察到有機物的MW分布的顯著差異。具體來說，UF和SF系統的出水中MW的高含量分別為2.4%和6.5%。在中-MW組分的情況下，SF的去除性能略高於SF。Guo等人也報導了類似的結果：SF可以去除更多的medium-MW有機物，而UF對高MW組分的去除效果更好。此外，前體的分子量影響DBPs的可處理性，SF對中-MW組分的較大去除可能會減少DBPs的形成。

NOM在UF和SF出水中的親水性如下圖。在進水中，HPO、TPI和HPI組分分別佔47%、5%和48%，CA-S處理後HPO的百分比有所下降，HPO的含量分別從47.5%降至46.7%和46.9%，說明UF和SF對部分疏水NOM有排斥作用，但對HPI的去除有一定的局限性。NOM的親水性對DBPs的形成也有影響，疏水性部分，包括腐植酸和黃腐酸，是DBPs最強的前體，據報導，疏水前驅體的THM貢獻為66.6 ug/ mgC，其他組分對DBPs的形成有一定的貢獻。

03、UF和SF工藝對消毒效果的影響

相對於SF工藝後的餘氯，UF處理後的餘氯略低。SF和微濾之間的比較研究報告了相似的結果，其中微濾中的氯衰減比SF快。可能的解釋是，SF工藝比UF系統更有效地去除了飲用水中通常被氯消耗的紫外線吸收化合物和螢光物質。另外，NOM的分布在氯的衰變中也起一定作用。NOM分布的差異主要集中在中MW餾分上，它可以消耗更多的氯。在這種情況下，UF和SF顯示出相似的疏水和親水有機部分。因此，可以推斷出親水性不是影響氯衰減的主要作用。

氯衰減模型中的f值在SF處理後的滲透物中最高，表明由於反應速度慢，氯的消耗量更多，這與氯殘留曲線很好地吻合。可能的解釋是，與UF處理相比，SF工藝可以更有效地去除快速反應的有機成分，例如中等分子量的有機物。

在最初的8小時內，二氧化氯迅速衰減，然後逐漸衰減。隨著劑量的增加，二氧化氯的殘留濃度增加。就kR和kS而言，最快速的二氧化氯衰減發生在CA-S過程中。此外，CA-S的f值低於其他過程，說明快速反應化合物在處理水中殘留有機物較少的情況下消耗了更多的二氧化氯。UF和SF都有助於減緩二氧化氯的衰變，因為它們的有機化合物濃度低於CA-S。同時，由於其UV254和中- mw有機物含量較低，SF工藝的二氧化氯殘留量最大，其結果與氯的衰變符合較好，大部分二氧化氯是在慢反應階段消耗掉的。此外，UF和SF的慢速反應的反應速率相似。總體而言，SF處理的二氧化氯濃度最高，其次為UF處理和CA-S處理，UF處理比SF處理的二氧化氯衰減率高，與出水汙染物的特性顯著相關。

THMs的基因毒性、細胞毒性和致癌性對公眾健康構成極大威脅。為了考察和比較水的安全性，測定了UF和SF的出水中THMs的濃度。四種化學THMs的濃度變化趨勢一致，均為溴二氯甲烷(BDCM)、三氯甲烷(TCM)、二溴氯甲烷(DBCM)和三溴甲烷(TBM)。BDCM的最高濃度可能與原水中溴的高濃度有關。結果表明，UF和SF均能減少BDCM的形成，這與DOC的去除一致。SF過程中UV254略高，UV254對THMs的形成很敏感，螢光物質也有利於THMs的形成。SF在還原類腐殖質和蛋白類物質方面表現出較高的去除率，也有助於THMs產量的降低。就微波分布而言，超濾法對中微波有機物的去除率較高，而超濾法基本保留了高微波有機物。因此，SF對THMs的形成有較好的控制作用。

與THMs的形成趨勢相似，在較高的二氧化氯劑量和較長的接觸時間下，亞氯酸鹽的形成會加劇。總的來說，SF工藝由於能有效地影響出水有機物的特性，在控制DBPs的形成方面表現出了較好的效果。

04、季節性藻類水處理

地表水中的季節性藻類大量繁殖給飲用水處理帶來了巨大挑戰，並引起了味道，氣味和消毒副產物的形成。由於藻類細胞的幹擾，CA-S工藝去除的DOC相對較低，並且隨著原水類型的變化顯著波動。超濾過程中的DOC去除率（16.7％）比SF處理（8.9％）高，因為藻類及其細胞外有機物是高分子量級分，由於尺寸排阻可以被UF有效去除。UF賦予了更高的抗藻類負荷衝擊能力。此外在藻華期間，CA-S和SF的出水中混濁度顯著升高，這對SF處理的水安全構成了潛在風險。由於膜的機械篩分，超濾膜為藻類，膠體和顆粒提供了足夠的屏障，最終使廢水的濁度低於0.2 NTU。儘管藻類在SF輔助處理中得到有效減少，但廢水中殘留藻類的濃度仍然很高，足以對人類安全構成潛在風險，這表明常規飲用水處理工藝處理含藻水的能力有限。當用CA-S工藝補充超濾時，藻類的去除率提高了約98.7％。因此，超濾在處理含藻類水資源方面具有廣闊的發展潛力，與通過SF工藝獲得的飲用水相比，可以生產出具有更高微生物安全性的飲用水。

結論

（1）UF工藝對DOC、氨、濁度和微生物顯示出更高的去除性能，而SF系統在減少吸收紫外線的化合物，腐殖質樣物質和蛋白質樣物質方面效率更高。

（2）UF和SF對有機部分的去除性能不同。UF對高分子量有機物顯示出更高的去除率，SF具有比UF更大的減少有機物中等MW的潛力。

（3）氯的消耗量顯示出CA-S>UF> SF的趨勢。SF具有顯著較高的潛力，可減少亞氯酸鹽的形成，而具有較高的潛力，可減少THM的形成。

（4）在季節性藻類開花期，超濾具有較高的排斥藻類的能力，並具有降低濁度，DOC和UV254吸附的化合物的能力，從而在藻類開花期產生具有更高微生物安全性的飲用水，從而為系統提供了支持比SF工藝具有更多的潛力來處理藻類豐富的水資源。

（5）對於輕度汙染的地表水，超濾系統可有效減少DBP的形成，且對受微生物和顆粒物汙染的水資源，特別是對季節性藻類載水錶現出較好的性能。在實際應用中，SF或UF輔助處理的選擇應主要基於原水特性、飲用水需求和當地條件。

參考文獻

Xu D, Bai L, Tang X, et al. A comparison study of sand filtration and ultrafiltration in drinking water treatment: Removal of organic foulants and disinfection by-product formation[J]. Science of The Total Environment, 2019, 691: 322-331.

《淨水技術·水行業SCI最新科技動態專題情報》

2020年第4期（SCI彙編總第16期）

飲用水中消毒副產物控制專題

本期所檢索文獻的發表時間範圍：

2019年5月1日~2020年5月1日

排版：王佳

校對：黃如詩

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