旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾凈水工藝在農(nóng)村飲水中的應(yīng)用

阮清波，肖飛鵬，耿安朝，黃偉軍

（1.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，530023，南寧；2.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，530023，南寧；3.蘇州膜海分離技術(shù)有限公司，215011，蘇州）

超濾凈水工藝是繼“混凝—沉淀—過(guò)濾—氯消毒”常規(guī)工藝和“臭氧—活性炭”深度處理工藝兩代飲用水凈化工藝之后，采用活性炭吸附和超濾處理的又一新型水處理工藝，它不僅能有效去除濁度，還能對(duì)水中的細(xì)菌和病毒進(jìn)行有效地去除，并能在不含任何添加劑情況下去除水中的有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物，保留對(duì)身體有用的物質(zhì)，因此越來(lái)越受到供水行業(yè)關(guān)注。但從廣西的示范應(yīng)用來(lái)看，作為超濾凈水工藝中常用的中空纖維膜超濾凈水工藝對(duì)原水有一定要求，使用地表水源要做好預(yù)處理過(guò)濾設(shè)施，才能有效延長(zhǎng)超濾膜的使用壽命，而加強(qiáng)預(yù)處理措施除增加投資和管護(hù)成本外，有些方面也需專業(yè)人員管理維護(hù)，同時(shí)，頻繁的反沖洗也增加運(yùn)行成本，這些因素限制了膜分離技術(shù)在農(nóng)村飲水工程中的推廣應(yīng)用。為探討簡(jiǎn)化或取消預(yù)處理措施，結(jié)合蘇州膜海分離技術(shù)有限公司提出的旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾膜凈水創(chuàng)新工藝，通過(guò)立項(xiàng)“廣西農(nóng)村飲水凈化工藝與關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用”等課題，探討了旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾凈水工藝在小型農(nóng)村飲水工程中應(yīng)用的可行性。

一、旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾凈水創(chuàng)新工藝設(shè)備研發(fā)情況

為使先進(jìn)的超濾凈水工藝廣泛應(yīng)用于水源水質(zhì)復(fù)雜多變的小型農(nóng)村飲水工程，我們開(kāi)展了“廣西農(nóng)村飲水凈化工藝與關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用”等研究，結(jié)合蘇州膜海分離技術(shù)有限公司提出的旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾膜凈水創(chuàng)新工藝，開(kāi)展了旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾膜凈水工藝設(shè)備優(yōu)化研究。經(jīng)多年實(shí)踐探討和篩選，形成了處理能力分別為 4～5 m3/h、8～10 m3/h、25～30 m3/h等系列化旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾凈水工藝設(shè)備。

旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾凈水工藝設(shè)備開(kāi)發(fā)的思路是：通過(guò)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用轉(zhuǎn)盤(pán)式膜組件在水中的程控旋轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)錯(cuò)流過(guò)濾。凈水工藝原理是：依靠膜組件在切向運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的剪切力、離心力和濾液湍流，高效沖刷和清潔膜表面，提高并穩(wěn)定膜通量，顯著改善膜污染，從而克服當(dāng)前常用的中空纖維膜超濾凈水工藝超濾膜易堵塞、難清洗、維護(hù)管理繁雜等技術(shù)缺陷以及曝氣操作造成的低效率、高能耗、不適用于厭氧水處理和工業(yè)精濾等局限，提升膜技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用水平。核心技術(shù)是基于平板式膜組件在濾液中的程控旋轉(zhuǎn)運(yùn)行而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式錯(cuò)流過(guò)濾，消除膜操作過(guò)程中的濃差極化現(xiàn)象（而非靠濾液在膜表面切向運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的被動(dòng)式錯(cuò)流）。

二、旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾凈水工藝設(shè)備典型應(yīng)用及其效果

1.典型工程的選擇及凈水工藝設(shè)備

（1）典型工程的選擇

為了重點(diǎn)檢驗(yàn)旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾凈水工藝設(shè)備可直接用于天然地表水、不需采取預(yù)處理措施這一突出特性和其他相關(guān)指標(biāo)，典型工程選擇使用在汛期相對(duì)比較渾濁、污染雜質(zhì)較多的紅水河干流河段水源的大化縣百馬鄉(xiāng)科優(yōu)村飲水工程和使用紅水河二級(jí)支流羌圩河水源的大化縣羌圩鄉(xiāng)政府駐地飲水工程，以及使用易受降雨影響的淺層地下水水源的欽州市欽南區(qū)東場(chǎng)鎮(zhèn)關(guān)塘村委窖墩自然村飲水工程。各典型工程的凈水工藝流程為：

（2）典型工程水源水質(zhì)及其選擇的工藝設(shè)備

①大化縣百馬鄉(xiāng)科優(yōu)村飲水工程水源為紅水河干流河水，其汛期濁度變化較大，水質(zhì)較差，根據(jù)2014年12月16日抽樣檢測(cè)結(jié)果，其渾濁度35.7 NTU，肉眼可見(jiàn)物有黃色泥巴沉淀，總大腸菌群540 MPN/100mL，耐熱大腸菌群240 MPN/100mL，菌落總數(shù)1 300 CFU/mL，均遠(yuǎn)超國(guó)家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。工程采用蘇州膜海分離技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MH/XZ100/010型旋轉(zhuǎn)式超濾凈水設(shè)備，其凈水處理能力為8～10 m3/h，按一天運(yùn)行20 h計(jì)，相當(dāng)于供水規(guī)模160～200 t/d。設(shè)備使用PES超濾膜片，平均孔徑0.04 μm，超濾膜面積100 m2，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)膜組件的電機(jī)功率為1.50 kW、配套紫外線消毒器功率為80 W。

②大化縣羌圩鄉(xiāng)政府駐地飲水工程水源為紅水河一級(jí)支流靈岐河的支流——羌圩河河水，其汛期濁度變化較大，水質(zhì)較差，根據(jù)2014年12月16日抽樣檢測(cè)結(jié)果，其渾濁度67.9 NTU，總大腸菌群大于1 600 MPN/100mL，耐熱大腸菌群1 600 MPN/100mL，菌落總數(shù)2 000 CFU/mL，均遠(yuǎn)超國(guó)家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。工程采用蘇州膜海分離技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MH/XZ050/005型旋轉(zhuǎn)式超濾凈水設(shè)備，其凈水處理能力為4～5 m3/h，按一天運(yùn)行20 h計(jì)，相當(dāng)于供水規(guī)模80～100 t/d。設(shè)備使用PES超濾膜片，平均孔徑 0.04 μm，超濾膜面積50 m2，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)膜組件的電機(jī)為0.85 kW、配套紫外線消毒器功率為36 W。

③欽州市欽南區(qū)東場(chǎng)鎮(zhèn)關(guān)塘村委窖墩自然村飲水工程水源為淺層地下水，其受降雨影響濁度變化較大，水質(zhì)較差，根據(jù)2013年6月14日抽樣檢測(cè)結(jié)果，其色度175°，渾濁度163NTU，肉眼可見(jiàn)物呈黃色、較多，總大腸菌群1 600 MPN，耐熱大腸菌群33 MPN，均遠(yuǎn)超國(guó)家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。工程采用蘇州膜海分離技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MH/XZ050/005型旋轉(zhuǎn)式超濾凈水設(shè)備，其凈水處理能力為2～3 m3/h，按一天運(yùn)行 20 h計(jì)，相當(dāng)于供水規(guī)模40～60 t/d。設(shè)備使用PES超濾膜片，平均孔徑0.04 μm，超濾膜面積50 m2，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)膜組件的電機(jī)為0.85 kW、配套紫外線消毒器功率為36 W。

2.典型工程應(yīng)用成效及水質(zhì)測(cè)試成果

（1）典型工程水質(zhì)抽樣檢驗(yàn)結(jié)果

各典型工程從2014年1月安裝完成開(kāi)始運(yùn)行，到2017年5月底已運(yùn)行近3年半，運(yùn)行期間經(jīng)當(dāng)?shù)乜h（區(qū)）疾病預(yù)防控制中心抽樣檢測(cè)，各飲水工程使用旋轉(zhuǎn)式超濾凈水設(shè)備后，能高效去除水中懸浮與膠體微粒、生物大分子、細(xì)菌、原生動(dòng)物、藻類等致病微生物，出水濁度小于2 NTU，總大腸菌群等于零，出水水質(zhì)均達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家現(xiàn)行《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）， 各飲水工程的典型抽樣檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1（其中大化縣百馬鄉(xiāng)科優(yōu)村飲水工程和羌圩鄉(xiāng)政府駐地飲水工程為2014年12月16日的抽樣檢測(cè)結(jié)果，欽南區(qū)窖墩村飲水工程為2014年11月28日的抽樣檢測(cè)結(jié)果）。

（2）典型工程應(yīng)用成效

①旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾凈水工藝設(shè)備取消了傳統(tǒng)工藝中瓷砂和活性炭過(guò)濾以及加氯環(huán)節(jié)，無(wú)須更換耗材，無(wú)須像中空纖維膜超濾凈水工藝那樣頻繁反沖洗和設(shè)置預(yù)處理保安過(guò)濾，即可實(shí)現(xiàn)高效錯(cuò)流過(guò)濾和膜表面自我清潔，抗污染能力強(qiáng)，不易堵塞。

②在3年半的運(yùn)行期間經(jīng)歷了各年度中的季節(jié)性水源水質(zhì)變化，特別經(jīng)歷了降雨時(shí)濁度的較大變化，目前運(yùn)行正常，觀測(cè)表明，旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾凈水工藝設(shè)備出水通量沒(méi)有減少，出水水質(zhì)達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家現(xiàn)行生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

③旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾凈水工藝設(shè)備水質(zhì)凈化仍是一種物理過(guò)程，不需發(fā)生相的變化和添加助劑，保持原水干凈時(shí)的口感，受到農(nóng)村群眾普遍歡迎，避免加氯消毒易引起群眾反感、不愿意添加使用的尷尬。

表1　典型工程凈水設(shè)備進(jìn)、出水水質(zhì)對(duì)比表

表2　小型農(nóng)村飲水工程典型凈水工藝應(yīng)用效果及相關(guān)指標(biāo)比較表

3.旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾凈水工藝設(shè)備與其他典型凈水工藝設(shè)備的應(yīng)用比較

旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾凈水工藝設(shè)備通過(guò)完善形態(tài)設(shè)計(jì)，解決污堵問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)膜表面自清潔；膜基體進(jìn)行納米表面修飾，排斥有機(jī)物黏附，形成荷葉效應(yīng)，具有獨(dú)特的旋碟自凈效果。不需設(shè)置預(yù)處理措施，不用像中空纖維膜超濾那樣預(yù)置濾芯、濾柱等需要頻繁更換的裝置，可直接抽取各種水源水進(jìn)行凈化，出水水質(zhì)滿足要求。成套設(shè)備可由PLC程控自動(dòng)控制，無(wú)須人工干預(yù)；旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流自身制水成本不到0.1元/m3，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾凈水工藝設(shè)備典型應(yīng)用成效及與其他典型凈水工藝比較見(jiàn)表2。

三、結(jié) 語(yǔ)

①旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾凈水工藝設(shè)備集膜分離和紫外消毒技術(shù)于一身，加載0.04 μm平板式PES超濾膜片，除可高效去除懸浮微粒、膠體和天然大分子物質(zhì)外，還能將水中的細(xì)菌、原生動(dòng)物、藻類等致病微生物全部去除，出水即可穩(wěn)定達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家現(xiàn)行生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

②旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾凈水工藝無(wú)須采取預(yù)處理措施，能直接凈化可能出現(xiàn)較大濁度變化的天然地表水，出水量無(wú)明顯下降，旋轉(zhuǎn)錯(cuò)流式超濾凈水工藝設(shè)備可廣泛在農(nóng)村中小型飲水工程中推廣應(yīng)用，能更有效地保障農(nóng)村飲水安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]張先峰，李新燕.淺談超濾膜技術(shù)在供水領(lǐng)域的應(yīng)用[J].硅谷，2011（12）.

[2]李攀岳.超濾膜在農(nóng)村飲水安全工程中的應(yīng)用[J].中國(guó)水利，2009（5）.

[3]黃旭升，等.超濾膜技術(shù)的引進(jìn)及在廣西農(nóng)村人飲安全工程中的應(yīng)用[J].廣西水利水電，2016（5）.

[4]汪巡，等.以中空纖維超濾膜技術(shù)為核心的組合工藝在水處理中的應(yīng)用[J].化工新型材料，2012（6）.