王馨梅 賈生海 趙婷婷 柴庶桐 趙國榮
摘 要: 西北農(nóng)村地區(qū)集雨水窖污染物數(shù)量多、種類繁雜,窖水水質(zhì)不能滿足居民安全飲水標(biāo)準(zhǔn)。利用一種新型節(jié)能、高效的凈水處理工藝(重力流超濾技術(shù))是改善窖水水質(zhì)的重要手段。在描述西北地區(qū)集雨水窖特征的基礎(chǔ)上,著重分析了膜材質(zhì)、膜組件、進(jìn)水水質(zhì)和膜清洗方式等因素對影響膜出水量、膜污染或膜堵塞的運(yùn)行效果和機(jī)理。深入探討和分析了重力流超濾技術(shù)在西北農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用和推廣方面的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,提出重力流超濾技術(shù)適用于我國西北農(nóng)村缺水地區(qū)發(fā)展,以期為提高和改善窖水水質(zhì)及居民安全飲水提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞:水窖;重力流超濾技術(shù);膜出水量;膜污染;西北地區(qū)
中圖分類號:S274文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:2095-1795(2023)11-0054-04
DOI:10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.11.009
0 引言
《中華人民共和國鄉(xiāng)村振興促進(jìn)法》的頒布,對全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興、實(shí)現(xiàn)小康社會具有里程碑意義。解決農(nóng)村安全飲水是提高農(nóng)村居民生活的基本保障,需加強(qiáng)農(nóng)村飲水安全、保護(hù)飲用水水源和建立符合地區(qū)實(shí)際的農(nóng)村飲水管理體系。水窖作為西北農(nóng)村缺水地區(qū)主要的微型水利工程,因其水源廣泛,難以保障水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)(濁度、色度、有機(jī)物和微生物等指標(biāo))。因此,采用適配的凈水技術(shù)對于保障農(nóng)村地區(qū)的飲水安全具有重要的意義。
凈水技術(shù)、工藝逐漸完善,迫切要求其朝著低成本、高效率、低耗能和低維護(hù)的方向發(fā)展。在某些環(huán)節(jié)上,重力流超濾技術(shù)因消耗能源較低、運(yùn)行維護(hù)成本較低等技術(shù)優(yōu)勢,能夠充分保障農(nóng)村安全飲水需求,已在部分農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用和推廣[1]。
1 水窖
西北地區(qū)作為我國主要的干旱地區(qū)之一,常年日照時長,降雨時空分布不均勻,蒸發(fā)量大,地表水資源嚴(yán)重匱乏,地下水資源量少,資源型和水質(zhì)型缺水較嚴(yán)重[1]。因此,集雨水窖成為西北地區(qū)應(yīng)用最為廣泛的主要微型水利工程。
水窖主要有混凝土水窖和紅泥水窖兩種形式,其通常修筑于地下5 m 左右,并通過道路、地面和房屋集流面等來集蓄雨水,調(diào)配利用氣候和季節(jié)性水源,能有效保障西北缺水地區(qū)飲水安全問題[2]。但對于水質(zhì)型缺水地區(qū),存在有機(jī)物和微生物污染嚴(yán)重,pH 值超標(biāo)、感官指標(biāo)異?;蛘吒叩V水某些離子超標(biāo)等問題,使飲用水水質(zhì)不能達(dá)到居民安全飲水標(biāo)準(zhǔn)( GB5749—2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)》),需做進(jìn)一步凈化處理方可飲用。
2 重力流超濾技術(shù)
為有效解決和改善窖水水質(zhì)問題,許多研究人員開展了窖水水處理技術(shù)應(yīng)用研究。目前,凈化改善窖水水質(zhì)的方法包括混凝沉淀、生物慢濾、超濾技術(shù)及重力流超濾技術(shù)等。其中,重力流超濾技術(shù)(GravitydrivenMembrane,GDM)應(yīng)用是指利用水的自重壓差作為動力改善原水水質(zhì)的一種超濾技術(shù)。它是通過水所產(chǎn)生的自重作為動力進(jìn)行跨膜運(yùn)行,無須借助外部動力即可長期運(yùn)行[3]。通過GDM 的膜分離,原水中的污染顆粒物大多被截留于膜表面,而水體中微生物通過其生化反應(yīng)保持恒定的出水量,使得膜在無清洗的條件下保持長期穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)[4]。膜技術(shù)在飲水安全、凈化效果方面具有相對優(yōu)勢,并且具有高效率、節(jié)約能源、操作工藝簡便等優(yōu)勢,在改善西北農(nóng)村地區(qū)水窖水質(zhì)方面高度契合[5]。然而,無論是膜材質(zhì)、膜組件、原水水質(zhì)還是清洗方式,均對GDM 的膜出水量和膜污染或膜堵塞產(chǎn)生較大的影響,從而影響其運(yùn)行效果和運(yùn)營成本。
2.1 膜
中空纖維膜是一種性能優(yōu)異、穩(wěn)定性較高的熱塑性高分子材料,在水處理技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,特別是重力流超濾、反滲透和超濾等方面,是近年GDM開發(fā)應(yīng)用的主要膜材料之一。然而,由于中空纖維膜的強(qiáng)疏水特性,使得原水中的微生物、顆粒、膠狀物及大顆粒有機(jī)物等通過吸附作用致使膜阻力迅速增加和膜出水量迅速下降,造成嚴(yán)重的膜污染或膜堵塞。如蛋白質(zhì)易依附于膜表面,降低膜出水量。對中空纖維膜表面進(jìn)行改性是提高膜出水量和降低膜消耗的重要手段[6]。
中空纖維膜的改性方法包含表面和基內(nèi)改性兩種。基內(nèi)改性是通過直接或間接的方法改變膜的基本結(jié)構(gòu)和性質(zhì),如將中空纖維材料按一定比例混合,得到孔徑分布均勻、孔徑小且親水性較強(qiáng)的中空纖維膜。即通過與親水性較好的聚合物混合改變中空纖維膜的性質(zhì),有效地調(diào)節(jié)膜的親疏水性、膜結(jié)構(gòu)和膜的孔徑分布等[7-8]。
不同材質(zhì)的膜對同一種物質(zhì)膜出水量的影響具有明顯的差異性,而同種材質(zhì)的膜重力流超濾不同物質(zhì),其利用效率也具有顯著差異[2]。如利用聚砜膜對蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)和果膠進(jìn)行超濾時,前兩者的膜出水量比果膠利用率高[9]。不僅如此,膜孔徑的大小也是決定膜出水量的一個關(guān)鍵因素。膜孔徑越寬,膜出水量越大;但膜污染的速率也隨之加快[10-11]。
2.2 膜組件
膜組件是GDM 凈水工藝的重要組成部分,膜的特性是影響膜污染的一個重要參數(shù),因此合理規(guī)劃設(shè)計(jì)其特性在實(shí)際應(yīng)用中起到不可忽視的效果。由于膜組件設(shè)計(jì)參數(shù)(孔徑、裝填密度、長度)影響GDM 凈水工藝性能及膜污染程度[12]。如裝填密度的大小決定膜絲之間的距離,較小的膜絲間距(較大的裝填密度)易引起膜污染,從而降低膜出水量。因此,膜組件的裝填密度對提高膜出水量、延緩膜污染具有重要意義。
裝填密度的大小通過改變膜絲的有效長度來影響膜出水量效率。鄭雨[5] 通過分析膜組件中不同長度的膜絲,得出膜絲越長,膜組件的穩(wěn)定出水量越小。需將膜絲長度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi),避免對膜產(chǎn)生二次污染[13]。
2.3 原水水質(zhì)
GDM 凈水效率、膜污染或膜堵塞程度均與原水水質(zhì)和污染物種類相聯(lián)系。許多研究人員研究結(jié)果表明,引起超濾膜污染和堵塞的污染物主要是天然有機(jī)物(NOM)和顆粒物。TANG X 等[13] 研究發(fā)現(xiàn),無機(jī)顆粒濃度含量較高的原水,對膜污染的影響很小。SUN W等[6] 研究表明,天然多糖類的某些有機(jī)物能夠降低膜出水量。YAN M 等[7] 研究發(fā)現(xiàn),天然有機(jī)物和無機(jī)顆粒相互混合過濾的過程中,總的膜出水量衰減率大于兩者相互獨(dú)立的衰減率之和。因此,污染物的種類及其組合,都會造成不同程度膜污染或膜堵塞,其污染機(jī)理也存在較大差異。
集雨水窖中引起膜污染的主要污染物有3 種。①無機(jī)顆粒。無機(jī)顆粒(如土質(zhì))易依附于膜表面形成多孔狀的濾餅層,對膜的影響程度較低,具有較強(qiáng)的恢復(fù)性[14-15]。②天然有機(jī)物。天然有機(jī)物能同時引起膜孔徑堵塞、表面沉積及膜內(nèi)吸附等作用,是膜出水量衰減和膜污染速率加快的主要原因[16-17]。③天然有機(jī)物+無機(jī)顆粒。天然有機(jī)物可以減少無機(jī)顆粒的形成,同時可以加強(qiáng)其顆粒凝聚程度,增強(qiáng)濾餅層的密集程度,導(dǎo)致天然有機(jī)物和無機(jī)顆粒間進(jìn)行頻繁的交互作用。
原水的pH 值對超濾效果具有顯著影響。ZHANG Y等[8] 研究發(fā)現(xiàn),在原水中天然有機(jī)物含量較低、酸性條件的情況下,超濾膜的運(yùn)行效果更好,而中型條件下更適用于集雨窖水。
2.4 清洗方式
在GDM 凈水工藝運(yùn)行的過程中,不可避免會產(chǎn)生膜污染。針對膜污染,可利用膜清洗方式改善膜出水量利用效率。目前,膜清洗方式主要有表面清洗、反沖洗和化學(xué)沖洗3 種方法。劉雷等[9] 研究得出,表面清洗僅適用于窖水水質(zhì)較好的GDM 凈水工藝;與表面清洗相比,反沖洗對膜出水量影響效果更為明顯,但反沖洗后無法使膜出水量恢復(fù)至原有水平。化學(xué)清洗后膜出水量可恢復(fù)率高達(dá)91%[18]。但在我國西北農(nóng)村地區(qū),表面清洗和手動反沖洗可使膜出水量恢復(fù)80%,其操作簡便并且具有較高的適用性。郭強(qiáng)等[10] 對高礦化度礦井水進(jìn)行膜污染處理時發(fā)現(xiàn),物理清洗不能有效去除鈣鎂晶體的沉淀物,需進(jìn)行化學(xué)沖洗,減少膜出水量的下降率。
3 應(yīng)用前景
3.1 技術(shù)優(yōu)勢
解決膜污染或膜堵塞是GDM 凈水處理工藝在西北農(nóng)村地區(qū)水窖中應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵因素。然而,選用適配的膜材質(zhì)、孔徑大小及膜組件,以及優(yōu)化GDM 的操作條件等改善窖水水質(zhì)措施,可有效控制和改善膜污染的形成[19]。王子捷等[11] 研究得出,nm-Si 體系中Si 去除率均低于μm-Si 體系,在納米顆粒物體系中投加混凝劑后膜出水量從0.79 提升至0.80~0.84。
鄭雨[5] 研究發(fā)現(xiàn),膜材料影響GDM 對濁度的去除效果,如PS 材質(zhì)濁度去除率94%、PVDF 材質(zhì)95% 左右、PES 材質(zhì)96%, 平板膜組件( 單層PES 材質(zhì)、雙層PES 材質(zhì)、單層PVDF 材質(zhì)和雙層PVDF 材質(zhì))對濁度去除率達(dá)97% 以上。研究表明,GDM 系統(tǒng)能有效地改善地表水中鐵、錳污染物的含量[12-13]。GDM 對AOC 的去除率高達(dá)80%,并且與慢濾池或生物濾床聯(lián)用時,可進(jìn)一步提高AOC 的去除率,保障出水的生物穩(wěn)定性[20-21]。慢濾池和生物預(yù)處理能有效地去除水中的AOC,降低生物膜污染和堵塞的形成及其內(nèi)的生物作用,提高GDM 的膜出水量[22]。
3.2 經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢
GDM 應(yīng)用理論上需消耗大量能源,充足資金、高新的運(yùn)營技術(shù)及復(fù)雜的維護(hù)程序。尤其是經(jīng)濟(jì)成本,是制約其在西北農(nóng)村地區(qū)水窖中應(yīng)用和發(fā)展的主要因素。因此,解決經(jīng)濟(jì)困難尤為重要[23-24]。而GDM 是利用水的自重產(chǎn)生壓差,將原水依次通過孔徑、膜絲、膜組件等設(shè)備實(shí)現(xiàn)水質(zhì)優(yōu)化的凈水技術(shù)。李洪興[1] 研究得出,在10~15 kPa 的靜水壓力下,PES 超濾膜對窖水的膜出水量長期穩(wěn)定在7~12 L/(h·m2);農(nóng)戶所需承擔(dān)的超濾膜材料費(fèi)(包含膜組件費(fèi)用、設(shè)備安裝費(fèi)等其他費(fèi)用)最多150 元/年??紤]在西北偏遠(yuǎn)地區(qū)的情況,在經(jīng)濟(jì)層面上GDM 推廣和應(yīng)用是具有可行性的。GDM 在西北農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用,是有效提高窖水水質(zhì)、降低成本、減少能源消耗,保障農(nóng)村飲用水水質(zhì)安全的重要手段。
4 結(jié)束語
對GDM 進(jìn)行多方面分析,從技術(shù)或經(jīng)濟(jì)層面來看,選用配適的膜材質(zhì)、孔徑大小及膜組件(成本≤0.5元/d),能有效改善和提高GDM 的膜出水量。從膜污染或膜堵塞層面來看,基于GDM 在水處理領(lǐng)域具有低耗能、高效率等優(yōu)點(diǎn),但在改善窖水水質(zhì)的情況下會不同程度產(chǎn)生膜污染或膜堵塞,需要根據(jù)實(shí)際窖水選擇合理的膜材質(zhì)、孔徑大小及膜組件、優(yōu)化操作系統(tǒng)參數(shù)及對窖水的預(yù)處理等手段,降低和預(yù)防膜污染的程度。隨著對GDM 的不斷探索與研究,膜的價格進(jìn)行了不斷改良,GDM 以其高效的水質(zhì)凈化能力,低廉的運(yùn)行成本和簡易的操作程序,將在西北缺水地區(qū)得到廣泛應(yīng)用和推廣。
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