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(jī)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(duì)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(duì)水中有機(jī)物有28.1%~41.4%的去除率。研究對(duì)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(jī)物，緩解納濾膜污染和有機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)在運(yùn)行過程中部分地下水進(jìn)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(jì)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(jì)，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(lái)說(shuō)，岸濾工藝主要作為飲用水的預(yù)處理工藝，同時(shí)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(shí)納濾工藝能有效截留水中多價(jià)無(wú)機(jī)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，有利于納濾技術(shù)的推廣使用。基于此目的，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(duì)納濾膜污染的緩解情況。同時(shí)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(yàn)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(lái)水1∶1混合后所得。三種原水水質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)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(jìn)水，頂部溢流排水，通過蠕動(dòng)泵（中國(guó)，蘭格，BT100-2 J）進(jìn)水，調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵控制濾速和停留時(shí)間，濾速范圍為0.1~0.5 m/d。兩套岸濾設(shè)備正式試驗(yàn)前，先使用常規(guī)水源預(yù)運(yùn)行30 d，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

活性炭吸附預(yù)處理試驗(yàn)在六聯(lián)攪拌機(jī)上進(jìn)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(shí)間均為 30 min，攪拌速度采用100 rpm。吸附預(yù)處理后的水樣進(jìn)行納濾過濾試驗(yàn)。

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

1.3 分析檢測(cè)方法

試驗(yàn)中濁度使用濁度儀（中國(guó)，雷磁，WZS-180 A）檢測(cè)；總有機(jī)碳（TOC）使用總有機(jī)碳分析儀（德國(guó)，Jena，N/C 2100）檢測(cè)；有機(jī)物的熒光強(qiáng)度使用三維熒光激發(fā)-發(fā)射矩陣檢測(cè)（日本，Hitachi，F(xiàn)2100）。除此外還使用凝膠色譜測(cè)定水中有機(jī)物的分子量分布，所用儀器為高效液相色譜（美國(guó)，Agilent，1200），凝膠色譜柱為日本 TSK 公司 G4000PWXL 型號(hào)凝膠排阻柱，使用紫外吸收檢測(cè)器檢測(cè)。檢測(cè)流動(dòng)相采用磷酸鹽緩沖溶液，流動(dòng)相流速為 0.3 mL/min，檢測(cè)時(shí)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(jì)算的阻力；膜自身阻力（Rm），即潔凈納濾膜過濾純水時(shí)計(jì)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(jì)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(duì)原水的處理效能

水中顆粒物和懸浮物對(duì)納濾工藝運(yùn)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(píng)價(jià)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(yàn)周期內(nèi)兩套岸濾系統(tǒng)在不同水質(zhì)條件下進(jìn)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(zhǎng)時(shí)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(jìn)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(yùn)行初期較高，且存在波動(dòng)，處于1.9~2.8 NTU，這主要因?yàn)樵屑?xì)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(xì)小顆粒物穿透系統(tǒng)，影響出水水質(zhì)。但運(yùn)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(jìn)水水質(zhì)作用，因此運(yùn)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(yùn)行效果差異也表明，岸濾工藝對(duì)水中濁度的去除主要依靠機(jī)械截留，原理與砂濾或慢濾池類似。

除了濁度外，對(duì)水中有機(jī)物含量的削減也是預(yù)處理的重要作用之一。圖1為試驗(yàn)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(duì)于有機(jī)物的去除效果差距較大。沉積層系統(tǒng)對(duì)水中有機(jī)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?yàn)樵杏袡C(jī)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(jī)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(shí)，已有超過50%的有機(jī)物被降解。試驗(yàn)中沉積層系統(tǒng)經(jīng)過預(yù)運(yùn)行，系統(tǒng)內(nèi)生物作用穩(wěn)定。然而試驗(yàn)岸濾系統(tǒng)規(guī)模較小，當(dāng)原水有機(jī)物含量較高時(shí)，已超過系統(tǒng)負(fù)荷，因此造成去除率下降。對(duì)于含水層系統(tǒng)，岸濾對(duì)水中有機(jī)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(jī)物，這主要因?yàn)楹畬酉到y(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(zhǎng)，因此系統(tǒng)內(nèi)沒有明顯的生物降解作用。

為進(jìn)一步了解有機(jī)物的去除情況，試驗(yàn)檢測(cè)了有機(jī)物的熒光強(qiáng)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(jī)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(jìn)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(qiáng)度有不同程度降低，說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物有去除作用。

但另一方面，試驗(yàn)預(yù)運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)，沉積層岸濾系統(tǒng)在預(yù)運(yùn)行初期出水有機(jī)物含量甚至高于進(jìn)水，推測(cè)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(yàn)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(yàn)證此推測(cè)，在試驗(yàn)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(shuō)明岸濾運(yùn)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?yàn)闉V速越低，水力停留時(shí)間越長(zhǎng)，生物降解作用越明顯。通過對(duì)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(jìn)行預(yù)處理效能研究時(shí)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(duì)納濾運(yùn)行的影響，同時(shí)為了更好的掌握岸濾作為預(yù)處理工藝的適用性，同時(shí)比較研究了活性炭吸附作為預(yù)處理工藝對(duì)納濾運(yùn)行的影響。需要說(shuō)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(shí)際使用條件，原水先過0.45 μm的微濾膜，再進(jìn)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(duì)納濾運(yùn)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(lái)說(shuō)，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?yàn)樵谶M(jìn)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(duì)水中部分有機(jī)物的吸附，起到了較好的預(yù)處理效果。同時(shí)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(yùn)行保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，特別對(duì)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(yùn)行，相比常規(guī)水質(zhì)，比通量?jī)H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?xiàng)l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(shì)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(shí)，岸濾工藝相比活性炭技術(shù)，更能充分發(fā)揮其多種機(jī)理的協(xié)同作用，帶來(lái)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(jìn)一步了解兩種預(yù)處理工藝的效果差異，對(duì)納濾膜阻力進(jìn)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?yàn)榘稙V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(jī)物，而附著在膜表面的顆粒物在正沖洗過程中會(huì)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(jī)污染物，有機(jī)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(duì)顆粒物和有機(jī)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?yàn)槿鄙倭宋V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(jī)物對(duì)預(yù)處理的影響

水中的天然有機(jī)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(cè)分析了原水過濾后納濾系統(tǒng)中有機(jī)物的分布情況。由圖5a可以看出，過濾后約有25.7%的有機(jī)物粘附在膜表面，這些有機(jī)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(jī)物占比的變化，從圖中可以看出，對(duì)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(jī)物的占比，這主要因?yàn)樗械膽腋∥镌谶^濾過程中與有機(jī)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(jī)物的量。但對(duì)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(jī)物占比，特別是活性炭預(yù)處理，膜表面的有機(jī)物占比達(dá)到29.5%，大于原水的25.7%和岸濾預(yù)處理的26.5%。

為進(jìn)一步探究造成有機(jī)物更易沉積的原因，在微污染水源條件下對(duì)原水和納濾濃水，以及兩種預(yù)處理出水中有機(jī)物進(jìn)行了凝膠色譜測(cè)定，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)物曲線，分析水中有機(jī)物的分子量分布。我們可以看出松花江水中的主要有機(jī)物的保留時(shí)間為33 min(如圖6)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)物檢測(cè)結(jié)果，松花江水中的主要有機(jī)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(jī)物的量都有所降低，但活性炭吸附相比岸濾，不僅在有機(jī)物去除效能上有所不如，對(duì)于分子量相對(duì)較大的組分，活性炭去除效果也一般。岸濾工藝去除有機(jī)物是依靠過濾、吸附和生物降解綜合作用，根據(jù)報(bào)道，岸濾工藝對(duì)于中等分子量和大分子量的有機(jī)物去除率接近70%，且降解轉(zhuǎn)變?yōu)槌尚》肿拥挠袡C(jī)物。同時(shí)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(jī)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(jī)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(gè)NTU以下；同時(shí)通過過濾、吸附和生物降解的綜合作用，對(duì)水中有機(jī)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(shí)，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(jī)物，抑制有機(jī)物在納濾膜表面的沉積，從而保證納濾系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

總的來(lái)說(shuō)，在水質(zhì)合適的條件下，單獨(dú)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(duì)于納濾系統(tǒng)的高效運(yùn)行和推廣應(yīng)用具有重要意義。借此研究，希望為未來(lái)納濾預(yù)處理工藝的選擇和設(shè)計(jì)提供新的思路。