地下水除铁除锰－超滤组合工艺的膜污染特性

由图4可知，在超滤膜的通量为20L/(m2˙h)时，超滤膜的TMP增长速率呈现出明显的差异。工艺1的TMP始终呈现出较快增长趋势，初始TMP为7.0kPa，运行到217h时的TMP增长至44.8kPa，平均增长率为0.17kPa/h。工艺2的TMP是最低的，在0～55h范围内仅出现了略微的增长，平均增长率为0.05kPa/h，而在之后的运行过程中TMP基本保持不变。工艺3中在0～151h范围内TMP表现出较慢增长的趋势，从7.0kPa增长至22.7  kPa，平均增长率为0.11kPa/h，在此阶段其TMP低于工艺1但高于工艺2，但在151～217h的运行中，TMP呈现一个急速增长的趋势，从22.7  kPa增长至64kPa，平均增长率达0.63kPa/h。

工艺1的跨膜压差的增长主要是原水在水箱和膜池停留时被空气自然氧化形成的三价铁以及二价铁在膜表面氧化成三价铁而形成的滤饼层。工艺2的原水进行曝气后形成了大量的三价铁，部分三价铁在膜池内或进入膜池前沉淀，且从总铁与亚铁含量变化对比可以看出，工艺2即曝气后进水胶体态铁在3个膜池进水中最多，大量的胶态铁形成均匀疏松的滤饼，但是对跨膜压差的贡献并不大，主要由于滤饼构成颗粒是氧化相对完善的三价铁胶体。这些因素可能造成了工艺1的TMP比工艺2的增长更快。

工艺3的砂滤池使铁、锰都得以有效去除，砂滤出水的铁、锰含量均较低，锰离子穿过膜孔，铁氧化颗粒较少，初期运行过程中形成滤饼层较薄且疏松，随着时间的积累，滤饼层发生塌陷，使滤饼层较致密，故跨膜压差有一个突增过程。

2.2.2膜污染物形态与成分

为了进一步研究污染膜表面形态及其污染物成分，进行了膜表面的SEM-EDS和XPS分析，结果可知，3种受污染的膜表面均积累了一层颗粒状物质。工艺1的膜表面的颗粒物质大而松散，颗粒间空隙明显较大，可能是由于原水中二价铁在膜池停留时原位生成的三价铁，而且未经曝气过程的剪切力影响而集结成较大的松散颗粒，Yu等研究也表明二价铁可原位生成三价铁形成较为疏松的滤饼层。工艺2在曝气后绝大多数二价铁都形成了三价铁，由于较大的颗粒态三价铁部分沉淀在曝气池及膜池中，更多的小颗粒三价铁被超滤膜截留，故在膜表面截留的颗粒物质小而均匀，且颗粒间空隙较小。工艺3的砂滤出水中颗粒态和胶体态三价铁很少，可能更多的是粒径很小的胶体态颗粒，在超滤膜表面形成了致密的滤饼层。

观察滤饼层表面元素组成的EDS检测结果可以看出，工艺1、工艺2和工艺3的超滤膜表面铁的重量百分数分别为61.35%、59.47%和45.32%，锰的重量百分数分别为0.33%、0.38%和0.26%，可见膜表面形成的颗粒态物质铁元素是主要成分。从XPS检测结果中可以看出，铁的峰值为711.8eV，此值即为三价氧化铁的特征能量值，这表明二价铁已经转化成三价铁。由于超滤膜不能有效截留二价锰，因此工艺1和工艺2的大部分二价锰都穿透过超滤膜，而工艺3中的绝大多数二价锰都在砂滤过程中去除，因此超滤膜截留的锰所占百分比很少，难以检测出锰的峰值。

综上所述，超滤膜的TMP主要是由于三价铁颗粒物造成的，超滤膜前的除铁除锰处理方式可对超滤膜的滤饼层形态和结构产生很大影响，使得TMP的变化过程和特性有显著差异。

3结论

对3种超滤工艺的除铁除锰效果对比结果表明，原水直接超滤工艺出水的总铁和总锰的去除作用效果不佳;曝气-超滤工艺出水的总铁和总锰平均含量为0.13mg/L和0.52mg/L，锰的去除作用也不显著;曝气-砂滤-超滤工艺的铁和锰含量分别为0.10mg/L和0.02mg/L，去除率分别为99.39%和98.19%，除铁除锰效果均得到充分保障，可以满足GB5749-2006。

直接超滤工艺、曝气-超滤工艺和曝气-砂滤-超滤工艺的TMP变化规律有显著差异，与滤饼层形成与膜表面铁、锰氧化物的含量有关;直接超滤工艺的膜表面滤饼层颗粒大而松散，颗粒间空隙明显可见，曝气-超滤工艺的膜表面滤饼层颗粒小而均匀，且颗粒间空隙较小;曝气-砂滤-超滤工艺的膜表面滤饼层铁锰氧化物颗粒虽然量少，但形成的滤饼层较致密，使运行后期跨膜压差快速增长。

直接超滤工艺、曝气-超滤工艺和曝气-砂滤-超滤工艺的超滤膜滤饼层表面中铁和锰的重量百分数分别为61.35%、59.47%和45.32%，以及0.33%、0.38%和0.26%，可见三价铁是膜表面滤饼层的主要污染物，是造成膜污染和跨膜压差的主要成分。