新型超濾技術(shù)在凈水廠的應(yīng)用

葉書榮，馮暨偉

(華電水務(wù)控股有限公司，北京　100160)

?

新型超濾技術(shù)在凈水廠的應(yīng)用

葉書榮，馮暨偉

(華電水務(wù)控股有限公司，北京100160)

摘要：介紹了超濾技術(shù)的特點，結(jié)合漯河某凈水廠項目，對比了壓力式超濾系統(tǒng)和浸沒式超濾系統(tǒng)的膜組件參數(shù)、建設(shè)成本及運行成本等，確定壓力式超濾膜系統(tǒng)可以長期維持較高膜通量運行，較浸沒式超濾系統(tǒng)更具技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。最后指出，在凈水廠采用“混凝沉淀+超濾”的新型短流程工藝，應(yīng)優(yōu)先選擇鐵鹽混凝劑，嚴(yán)格控制沉淀池出水的混凝劑和助凝劑殘余量。

關(guān)鍵詞：凈水廠；自來水；超濾膜；壓力式超濾系統(tǒng)；浸沒式超濾系統(tǒng)

0引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人民生活水平日益提高，城市飲用水水質(zhì)要求更加嚴(yán)格，供水保證率和供水安全度將會不斷提高，尤其是體現(xiàn)感官性狀、一般化學(xué)指標(biāo)以及微生物含量等綜合情況的濁度指標(biāo)日趨嚴(yán)格。超濾技術(shù)是第3代飲用水處理工藝，其產(chǎn)水濁度低且穩(wěn)定，可以有效去除水中的微生物，極大地提高飲用水的生物安全性。漯河某凈水廠是一座采用超濾技術(shù)新型工藝路線的現(xiàn)代化自來水工廠，水廠水源為南水北調(diào)中線工程水源，工程處理規(guī)模2.5萬t/d，采用“高密度沉淀池+外壓式超濾”的新型短流程工藝，投資費用低，產(chǎn)水水質(zhì)能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。

1超濾技術(shù)的特點

具備“安全保障、運行穩(wěn)定、成本經(jīng)濟(jì)”特點的自來水技術(shù)才是值得大力推廣實施的技術(shù)。長久以來，自來水廠都是采用傳統(tǒng)的凈水處理工藝，即“混凝+沉淀+過濾+消毒”。傳統(tǒng)工藝在工藝路線和形式上的選擇都已十分成熟，但其抗沖擊負(fù)荷小，當(dāng)來水水質(zhì)波動，特別是短時高濁度的原水沖擊對產(chǎn)水水質(zhì)影響較大時，會直接導(dǎo)致產(chǎn)水水質(zhì)不合格。

我國對飲用水的安全十分關(guān)注，在已全面實施的GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中提出了106項污染物控制指標(biāo)，其中對賈第鞭毛蟲(直徑為5～15 μm)和隱孢子蟲(直徑為3～5 μm)的去除要求是首次提出。傳統(tǒng)砂濾池的過濾精度無法滿足對“兩蟲”的去除要求，因此，新的過濾技術(shù)需要引入傳統(tǒng)的自來水行業(yè)中。超濾膜的過濾孔徑小于0.1 μm，可絕對去除“兩蟲”。

超濾技術(shù)已被工程用戶廣泛接受，是一種成熟可靠的過濾技術(shù)，主要應(yīng)用于反滲透前的預(yù)處理，具備產(chǎn)水水質(zhì)和水量穩(wěn)定、自動化程度高、運行狀態(tài)穩(wěn)定的特點，可以很好地滿足后段工藝的需要，在電廠和回用水項目上得到廣泛應(yīng)用。國外已有采用超濾技術(shù)穩(wěn)定運行的自來水廠，超濾的出水水質(zhì)明顯高于我國的生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，其產(chǎn)水水質(zhì)一般能滿足以下要求：懸浮物(SS)質(zhì)量濃度≤1 mg/L，濁度≤0.1 NTU，細(xì)菌去除率≥99.99%[1]。

目前，用水量的需求在不斷增加，但自來水廠附近可能已無可供使用的土地，超濾技術(shù)所需占地面積是傳統(tǒng)過濾技術(shù)所需占地面積的一半，節(jié)省土建費用；另外，隨著超濾膜成本的降低，超濾技術(shù)應(yīng)用在市政自來水處理，將會體現(xiàn)其“技術(shù)先進(jìn)、水質(zhì)穩(wěn)定、節(jié)省空間、經(jīng)濟(jì)高效”的優(yōu)點。與傳統(tǒng)水處理工藝相比，超濾工藝更能確保飲用水水質(zhì)的安全，并且具有綠色、高效、節(jié)能、工藝簡便、過程易控制等優(yōu)點，是新一代飲用水凈化工藝的較佳選擇。

截至2013年，我國采用膜處理工藝的凈水廠運行規(guī)模已超過338.91萬m3/d，多年的研究和工程實踐使其技術(shù)更加成熟、系統(tǒng)投資和成本逐年降低，運行管理經(jīng)驗逐漸豐富。

2壓力式超濾及浸沒式超濾形式比選

漯河某凈水廠項目設(shè)計過程中，業(yè)主方根據(jù)下游用戶需求確定了采用超濾技術(shù)作為凈水廠的主要技術(shù)路線，并調(diào)研了目前國內(nèi)超濾工藝應(yīng)用于市政給水的新建項目，主要有兩種實現(xiàn)途徑，一種是成套機(jī)架設(shè)備形式的壓力式超濾路線，另一種是采用土建膜池結(jié)構(gòu)的負(fù)壓抽吸浸沒式超濾路線，對于采用哪種超濾形式，對比分析如下。

2.1超濾膜組件參數(shù)對比

在超濾系統(tǒng)運行過程中，外界需提供一定的壓力或吸力作為驅(qū)動力，驅(qū)動力大于膜過濾的總阻力才能順利產(chǎn)水。超濾膜作為過濾材料存在極限通量，即當(dāng)膜表面形成凝膠層后，若再增加超濾壓力，則會出現(xiàn)凝膠層厚度增加而溶劑通量不增加的現(xiàn)象，這是由于增加的壓力差被凝膠層阻力所抵消，這時的滲透通量為極限通量[2]。

超濾膜在低通量運行時，水流流速較小，膜通量符合達(dá)西公式[3]

式中：J為膜通量；ptm為膜兩側(cè)的壓差；μ為水的黏度；Ft為膜過濾的總阻力。膜過濾的總阻力包括膜自有阻力、可逆膜表面污染物累積阻力和不可逆污染累積阻力，其中：膜自有阻力由膜材質(zhì)親水性、孔徑大小、孔隙率、膜斷面結(jié)構(gòu)等特性所決定，可逆膜表面污染物累積阻力可采取日常氣洗、反洗及化學(xué)清洗方式去除。

超濾系統(tǒng)一般在恒流或恒壓模式下操作。在恒定的壓力下，一段時間后超濾膜通量會因為膜污染而下降。大多數(shù)的超濾系統(tǒng)采用恒流過濾模式，通過變頻水泵來提供逐漸升高的產(chǎn)水驅(qū)動力，以克服膜污染而導(dǎo)致的阻力，維持超濾系統(tǒng)穩(wěn)定的產(chǎn)水流量。超濾系統(tǒng)運行的跨膜壓差為20～300 kPa，通常情況下，超濾系統(tǒng)典型值的范圍為50～200 kPa[4]。

由于浸沒式超濾膜的產(chǎn)水驅(qū)動力源于離心泵的負(fù)壓抽吸，為避免真空度過高而導(dǎo)致水中溶解性氣體溢出，損害管道或水泵等設(shè)備，最大抽吸壓力一般為-80～-70 kPa，因此，實際運行過程中，當(dāng)膜表面截留污染物累積造成膜阻力增加時，用于克服阻力的產(chǎn)水驅(qū)動力僅限于80 kPa以內(nèi)。而壓力式膜組件是通過水泵將水輸送至膜殼內(nèi)形成產(chǎn)水驅(qū)動力的，因此，運行過程中可通過增大進(jìn)水壓力維持較高的產(chǎn)水量。

市政自來水處理過程中，超濾膜組件需要具有更高載污能力的組件結(jié)構(gòu)，保證組件在使用過程中能穩(wěn)定運行。膜表面的污染清洗可選用水洗或氣水擦洗模式，要求膜絲材質(zhì)能長期耐高濃度的氧化性藥劑且能保證強(qiáng)度，延長膜元件的使用壽命，同時要求膜元件的孔徑小且分布均勻，能夠去除微小顆粒、細(xì)菌、病菌和膠體等。

為進(jìn)行有效的比較，選取了同一家公司生產(chǎn)的壓力式超濾膜元件和浸沒式超濾膜元件，其參數(shù)對比見表1。

表1　膜元件參數(shù)對比

2.2建設(shè)成本對比

壓力式超濾系統(tǒng)比浸沒式超濾系統(tǒng)占地面積略小，無需膜池，但膜前需要中間水池，因此總的土建投資差別不大。在設(shè)備投資方面，浸沒式超濾系統(tǒng)所需的工藝設(shè)備較多，如膜池排空泵、真空泵、膜擦洗風(fēng)機(jī)等，對電氣控制系統(tǒng)的要求也更高。伴隨超濾膜的技術(shù)革新和價格競爭，超濾膜的售價較10年前有了大幅度降低，國產(chǎn)品牌的膜產(chǎn)品目前售價約為150元/m2，進(jìn)口品牌膜產(chǎn)品目前售價約為220元/m2，已不足10年前售價的50%。漯河某2.5萬t凈水廠超濾系統(tǒng)的建設(shè)成本對比見表2。

表2　2.5萬t凈水廠超濾系統(tǒng)建設(shè)成本對比

2.3運行成本對比

參照全生命周期評價體系，對凈水廠項目所選擇超濾形式的運行成本進(jìn)行評價。除超濾膜外的設(shè)備使用年限按20年計算，超濾膜按每3年更換1次計算，電費按0.56元/(kW·h)計算，設(shè)備每年的潤滑、維修、保養(yǎng)費用按設(shè)備總價的1.2%計算，漯河某凈水廠項目超濾系統(tǒng)制1 t水的成本對比見表3。

由于壓力式超濾系統(tǒng)的提升壓力高于浸沒式超濾系統(tǒng)的抽吸壓力，因此，能耗略高于浸沒式超濾系統(tǒng)，但其膜通量選擇范圍較大，可采用相對少的膜數(shù)量，更換膜的費用遠(yuǎn)低于浸沒式超濾系統(tǒng)。對比漯河某凈水廠項目的建造成本和運行成本可以看出，壓力式超濾技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價更有優(yōu)勢。

表3　超濾系統(tǒng)制水成本對比　元

2.4超濾應(yīng)用對比

浸沒式超濾工藝相對于壓力式超濾工藝的優(yōu)勢是可利用原有的砂濾池改造作為膜池，并且可節(jié)省動力提升的電耗；缺點是浸沒式超濾工藝膜通量較小，一般為30～40 L/(m2·h)，對應(yīng)的膜數(shù)量較大，膜更換費用高。這兩種工藝目前均有一定的應(yīng)用業(yè)績，在系統(tǒng)設(shè)計、運行成本、一次性投資等方面略有差異，見表4。

3凈水廠工藝方案

3.1凈水廠工藝流程

通過比選，漯河某凈水廠最終選定采用外壓式中空纖維聚偏氟乙烯(PVDF)超濾元件的超濾系統(tǒng)。結(jié)合水源水質(zhì)特點，建議超濾系統(tǒng)前設(shè)置絮凝沉淀工藝，降低原水的SS質(zhì)量濃度和濁度，減輕超濾膜系統(tǒng)的沖擊負(fù)荷，有效保證后續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定運行。原水經(jīng)過超濾裝置可有效去除水中的顆粒物質(zhì)和膠體，超濾系統(tǒng)回收率在90%以上。

為保證超濾系統(tǒng)穩(wěn)定運行，需要設(shè)置超濾化學(xué)清洗系統(tǒng)，以控制水體中污染物對超濾膜的污堵，維持較高通量穩(wěn)定運行，延長超濾膜的使用壽命。在超濾系統(tǒng)產(chǎn)水過程中引入反洗氣洗系統(tǒng)，通過由內(nèi)向外的反洗水流，配合空氣擦洗振動膜絲，能有效地控制污染物在膜絲表面的積累，保證超濾膜穩(wěn)定運行。在水廠日常生產(chǎn)過程中，超濾系統(tǒng)具備判斷膜絲是否有破損或斷絲現(xiàn)象并準(zhǔn)確定位受損膜元件的膜絲完整性檢測系統(tǒng)，方便進(jìn)行維修和更換膜元件。漯河某凈水廠工藝流程如圖1所示。

圖1　漯河某凈水廠工藝流程

3.2凈水廠預(yù)處理技術(shù)對超濾系統(tǒng)的影響

超濾技術(shù)使用精細(xì)的高分子材料過濾單元，因此超濾系統(tǒng)對進(jìn)水有一定要求，必須設(shè)置預(yù)處理設(shè)備。在凈水廠中，飲用水源一般為Ⅰ類或Ⅱ類水體，通常設(shè)混凝沉淀工藝裝置，位于超濾系統(tǒng)前段的混凝沉淀工藝所投加的藥劑和殘留量對超濾膜系統(tǒng)存在一定的影響。在混凝劑的選取上，一般優(yōu)先采用鐵鹽混凝劑[5]，鐵鹽絮狀膠體顆粒團(tuán)粒徑較大，更利于超濾膜去除，其出水濁度優(yōu)于采用鋁鹽混凝劑。另外，混凝劑反應(yīng)不充分時，會在后續(xù)工藝中繼續(xù)進(jìn)行絮凝反應(yīng)，造成產(chǎn)水濁度升高。在高密度沉淀池中會投加助凝劑，通常采用有機(jī)高分子助凝劑聚丙

表4　自來水行業(yè)中浸沒式超濾和壓力式超濾的應(yīng)用對比

烯酰胺(PAM)，其分子量很高，有很強(qiáng)的黏性，殘留的PAM對超濾膜有較大的污堵影響，一定要將預(yù)處理出水中PAM的含量控制在安全值范圍內(nèi)。因此在凈水廠運行過程中，對于沉淀池出水中混凝劑和助凝劑的含量應(yīng)進(jìn)行重點監(jiān)控。

4結(jié)束語

超濾技術(shù)在市政自來水領(lǐng)域推廣并實施，以南水北調(diào)工程為水源的漯河某凈水廠成功采用該技術(shù)，能確保其水質(zhì)安全、可靠。膜材料更換成本仍是超濾系統(tǒng)的主要運行費用，在日處理量為2.5萬t的新建項目上采用壓力式超濾工藝比采用浸沒式超濾工藝經(jīng)濟(jì)性更好。采用“混凝沉淀+超濾”的短流程凈水新工藝時，應(yīng)優(yōu)先選擇鐵鹽混凝劑，嚴(yán)格控制沉淀池出水的混凝劑和助凝劑殘余量。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈裘昌，雒安國.給水工程中超濾膜的應(yīng)用分析[C]//2011膜法水處理技術(shù)研究與應(yīng)用國際會議.哈爾濱：中國科學(xué)技術(shù)部國際合作司，2011：36-50.

[2]張建明，李亮，李星.浸沒式方型超濾膜裝置處理沉后水的中試研究[J].供水技術(shù)，2013(1):14-17.

[3]肖友道,張維佳,王東田,等.運行參數(shù)對浸沒式超濾膜污染影響中試研究[J].水處理技術(shù),2012,38(4):122-125.

[4]ALSPACH B, ADHAM S, COOKE T, et al.Microfiltration and ultrafiltration membranes for drinking water[J].Journal american water works association,2008,100(12):84-97.

[5]李曉波，吳水波，顧平.鐵鹽和鋁鹽混凝微濾工藝除As(V)的比較研究[J].環(huán)境科學(xué),2007,28(10):2198-2202.

(本文責(zé)編：劉芳)

收稿日期：2016-02-23；修回日期：2016-03-16

中圖分類號：TU 991.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1674-1951(2016)03-0014-03

作者簡介：

葉書榮(1977—)，男，福建建甌人，工程師，從事水處理工程管理方面的工作(E-mail:53546523@qq.com)。