不同膜組件在凈水工程中運(yùn)行效能對比研究

王旭陽，唐凱峰，張燕平，仝致琦

(1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051;2.山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，濟(jì)南 250101;3.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南 開封 475004)

近年來的研究表明，以超濾為核心的組合制水工藝是保障飲用水化學(xué)安全和生物安全的有效技術(shù)，是能夠體現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的綠色凈水技術(shù)［1］，2009年以來在國內(nèi)大型市政給水工程中的應(yīng)用越來越多.超濾組合工藝能否經(jīng)受實(shí)踐的考驗(yàn)發(fā)展成為城市供水領(lǐng)域的第三代凈水工藝，關(guān)鍵在于超濾膜的質(zhì)量能否滿足要求.當(dāng)前國內(nèi)外市場上的超濾膜生產(chǎn)商很多，制作工藝和運(yùn)行方式差別較大，在激烈的市場競爭中選擇性價(jià)比高、能耗低的超濾組件成為該工藝得以推廣的關(guān)鍵技術(shù)之一.

1 試驗(yàn)流程和裝置

1.1 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)場地位于蘇南地區(qū)某自來水公司，除超濾外其余的工序均采用廠區(qū)現(xiàn)有的凈水設(shè)施，超濾系統(tǒng)處理能力為250 m3/d.試驗(yàn)分為2個(gè)階段，第1階段工藝流程如圖1所示.第2階段工藝流程如圖2所示.

圖1 第1階段工藝流程

1.2 主要工藝參數(shù)

試驗(yàn)采用的超濾組件均為國產(chǎn)大型知名品牌，制作工藝及運(yùn)行方式差別較大，具有一定的代表性，表1為兩種膜組件性能，表2為兩種膜組件的運(yùn)行方式.

圖2 第2階段工藝流程

表1 兩種超濾組件的基本性能

表2 兩種超濾膜組件的運(yùn)行工況

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)在運(yùn)行通量及運(yùn)行周期相似條件下對兩種膜組件出水濁度、藻類、CODMn、UV254、NH3—N 等指標(biāo)進(jìn)行了對比分析.

2.1 濁度變化

第1階段砂濾出水濁度在0.24～0.49 ntu之間波動(dòng)，平均值為0.36 ntu;超濾A 出水濁度在0.07～0.19 ntu之間波動(dòng)，平均值為0.1 ntu，去除率為72.2%;超濾B出水在0.08 ～0.22 ntu 之間波動(dòng)，平均值為0.12 ntu，去除率為66.7%.第2階段氣浮出水濁度在1.4～2.8 ntu之間波動(dòng)，平均值為2.03 ntu;超濾A出水濁度在0.09 ～－0.33 ntu 之間波動(dòng)，平均值0.16 ntu，去除率92.1%;超濾B出水在0.09～0.19 ntu之間波動(dòng)，平均值為0.12 ntu，去除率為94.1%.見圖3～7.超濾出水濁度不僅達(dá)到了《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749－2006)的限值(≤1.0～7 ntu)，而且達(dá)到了《飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ94－2005)的規(guī)定值(≤0.5 ntu).超濾膜對濁度的去除優(yōu)勢明顯，受原水濁度變化影響很小.超濾用于砂濾出水時(shí)，進(jìn)水濁度較低，A組件去除效率較高;超濾用于氣浮出水時(shí)，進(jìn)水濁度較高，B組件去除效率較高.兩種超濾組件對濁度的去除效果差別不大，均不能穩(wěn)定達(dá)到傳統(tǒng)認(rèn)為的0.1 ntu的效果.

2.2 藻類的去除

第1階段砂濾出水藻類數(shù)量在1.08～10.4萬個(gè)/L之間波動(dòng)，平均值為0.64萬個(gè)/L;超濾A出水藻類數(shù)量在360～1800個(gè)/L之間波動(dòng)，平均值864個(gè)/L，去除率86.5%;超濾 B出水在360～1800個(gè)/L之間波動(dòng)，平均值為1080個(gè)/L，去除率83.1%.第二階段氣浮出水藻類數(shù)量在2.2～4.8萬個(gè)/L之間波動(dòng)，平均值為3.56萬個(gè)/L;超濾A出水藻類數(shù)量在3600～9000個(gè)/L之間波動(dòng)，平均值為6240個(gè)/L，去除率為82.5%;超濾B出水在1800～7200個(gè)/L之間波動(dòng)，平均值為4671個(gè)/L，去除率為86.9%.由于超濾公稱孔徑遠(yuǎn)小于藻類的細(xì)胞直徑，理論上超濾膜能將藻類全部去除，但由于膜組件存在一定的破損量和斷絲率，因此實(shí)際工程中總會存在一定的泄露量.分析結(jié)果顯示，超濾對藻類具有非常顯著的分離截留作用，相對其他工藝而言超濾膜在截留過程中對藻類細(xì)胞破壞率低，細(xì)胞內(nèi)的毒素和有機(jī)物釋放量小，生成副產(chǎn)物少，超濾在除藻方面具有明顯的優(yōu)勢.用于砂濾出水時(shí)，進(jìn)水藻類含量較低，A組件去除效率較高;用于氣浮出水時(shí)，進(jìn)水藻類含量較高，B組件去除效率較高.兩種超濾組件對藻類的去除效果差別不大，去除率均能達(dá)到85%左右.

2.3 CODMn值的變化

第1階段砂濾出水 CODMn在2.24～2.88mg/L之間波動(dòng)，平均值為2.58mg/L;超濾A出水在1.68 ～2.53mg/L 之間波動(dòng)，平均值為 2.25mg/L，去除率為13.0%;超濾B 出水在1.76 ～2.46mg/L 之間波動(dòng)，平均值為2.19mg/L，去除率為15.4%.第2階段氣浮出水 CODMn在 2.8～4.4mg/L之間波動(dòng)，平均值為3.16mg/L;超濾 A 出水在1.91～2.93mg/L之間波動(dòng)，平均值為2.46mg/L，去除率為21.96%;超濾 B 出水在 1.83 ～3.34mg/L 之間波動(dòng)，平均值為 2.44mg/L，去除率為 22.86%.CODMn表征了溶解態(tài)、膠體態(tài)和顆粒態(tài)有機(jī)物的總和，超濾系統(tǒng)對原水中膠體態(tài)和顆粒態(tài)物質(zhì)具有高效的截留效能，同時(shí)也去除了以膠體和顆粒狀態(tài)存在的CODMn.試驗(yàn)期間超濾出水CODMn小于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749－2006)的限值(≤3.0mg/L)，高于《飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ94－2005)的規(guī)定值(≤2.0mg/L).分析結(jié)果顯示，試驗(yàn)第1階段和第2階段超濾B組件的處理效果均比A組件略好，但優(yōu)勢不明顯.見圖8.

圖8 第2階段CODMn對比曲線

2.4 UV254的去除率

第1階段砂濾出水 UV254在 0.043～0.059之間波動(dòng)，平均值為 0.052;超濾 A出水 UV254在0.039～0.055 之間波動(dòng)，平均值為 0.049，去除率為6.6%;超濾 B 出水 UV254在 0.042 ～0.057 之間波動(dòng)，平均值為0.050，去除率為4.5%.第2階段氣浮出水UV254在0.045～0.059之間波動(dòng)，平均值為0.052;超濾 A 出水在0.042～0.059之間波動(dòng)，平均值為0.051，去除率為3.26%;超濾B出水在0.044 ～0.056 之間波動(dòng)，平均值為 0.051，去除率為2.82%.UV254表征的是水中含不飽和鍵的有機(jī)物，其數(shù)值與TOC及THMFP具有較好的相關(guān)性，大多數(shù)為疏水性有機(jī)物［2］.而試驗(yàn)采用的超濾膜組件材質(zhì)PVDF和PVC合金均為親水性材料，UV254類有機(jī)物不易與超濾膜接觸，去除效果不明顯.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，超濾A組件對UV254的去除率比超濾B略好，可能與超濾膜的材質(zhì)及制作工藝有關(guān).見圖 9、10.

2.5 NH3—N的質(zhì)量質(zhì)量濃度變化

第1階段砂濾NH3—N出水在0.02～0.3mg/L之間波動(dòng)，平均值為0.11mg/L;超濾A出水在0.04 ～0.39mg/L 之間波動(dòng)，平均值為 0.16mg/L，質(zhì)量濃度提高 37.2%;超濾 B出水 NH3—N在0.03 ～0.46mg/L 之間波動(dòng)，平均值為 0.15mg/L，質(zhì)量濃度提高33.1%.第2階段氣浮出水NH3—N質(zhì)量濃度在0.10～0.40mg/L之間波動(dòng)，平均值為0.19mg/L;超濾 A 出水在 0.08 ～0.30mg/L 之間波動(dòng)，平均值為0.17mg/L，去除率為5.3%;超濾B出水在0.10 ～0.32mg/L 之間波動(dòng)，平均值為0.18mg/L，去除率為4.8%.見圖11、12.結(jié)果顯示，第 1階段超濾處理以后兩種膜組件NH3—N質(zhì)量濃度均有30%以上的提高，主要是由于在過濾過程中部分有機(jī)物富集在膜表面，發(fā)生了氨化反應(yīng);另外藻類在過濾過程中在膜表面擠壓部分破碎，體內(nèi)的氮素進(jìn)入水體也是NH3—N質(zhì)量濃度提高的重要原因.由于進(jìn)水質(zhì)量濃度很低，試驗(yàn)期間一直穩(wěn)定達(dá)到了GB5749－2006標(biāo)準(zhǔn)限值的要求(0.5mg/L).第2階段超濾進(jìn)水的NH3—N質(zhì)量濃度提高70%以上，兩種超濾組件對NH3—N的去除率均在5%左右.分析認(rèn)為可能是由于試驗(yàn)期間為避免出水水箱中藻類及其他微生物的滋生，每天定量投加了部分NaClO，對水中NH3—N具有一定的氧化作用所致.兩種形式的超濾組件對NH3—N的去除都表現(xiàn)出了相似的規(guī)律性，不同的超濾組件運(yùn)行效果差別不大.

3 結(jié)論

1)本試驗(yàn)采用的兩種超濾組件，性能及運(yùn)行方式差別較大，基本代表了市場上大部分超濾系統(tǒng).試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩種超濾組件出水主要檢測指標(biāo)均能夠達(dá)到GB5749－2006規(guī)定的各項(xiàng)指標(biāo)限制的要求，均可作為當(dāng)前市政給水處理系統(tǒng)提標(biāo)改造的備選方案，實(shí)際工程中選擇膜組件應(yīng)更多的考慮初期投資、使用壽命、破損量極斷絲率、與現(xiàn)有工程的銜接及運(yùn)行過程中的物耗、能耗等其他因素.膜處理技術(shù)的另一個(gè)突出優(yōu)勢是對隱孢子蟲和賈第蟲等原生動(dòng)物具有極高的去除率，這是常規(guī)工藝無法達(dá)到的［3］.

2)在運(yùn)行工況相似的條件下(通量、周期等基本參數(shù)相似)，進(jìn)水質(zhì)量濃度較低時(shí)，A組件對濁度和藻類的去除率較B組件高;進(jìn)水質(zhì)量濃度較高時(shí)，B組件對濁度和藻類的去除率較A組件高.B組件對CODMn的去除率略好于A組件，A組件對UV254的去除率略好于 B組件.由于試驗(yàn)期間NH3—N質(zhì)量濃度一直很低，兩種膜組件對NH3—N的去除沒有明顯的區(qū)別.超濾均存在難以處理小分子有機(jī)物和溶解性物質(zhì)的問題［4］.

3)試驗(yàn)結(jié)果顯示，在相似的運(yùn)行工況下兩種超濾組件出水水質(zhì)差別不大，A組件對進(jìn)水水質(zhì)要求較低，在升級改造的過程中能夠充分利用現(xiàn)狀的處理設(shè)施，比如沉淀池、濾池，土建工程量較小，但運(yùn)行通量較小，可用于市政給水凈化處理，也可用于污水再生利用領(lǐng)域.B組件運(yùn)行通量大，跨膜壓差較小，但對進(jìn)水水質(zhì)要求較為嚴(yán)格，需要新建獨(dú)立的處理設(shè)施，一般認(rèn)為適用于市政給水水質(zhì)凈化領(lǐng)域.

4)實(shí)驗(yàn)過程中兩種膜組件的運(yùn)行通量及跨膜壓差均沒有達(dá)到飽和值，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)具體的進(jìn)水水質(zhì)，進(jìn)一步摸索超濾系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行方式，努力提高運(yùn)行通量、延長過濾周期、減少反洗及化學(xué)清洗頻率，減少絮凝劑的投加量，體現(xiàn)綠色環(huán)保的優(yōu)勢［5－6］.

［1］李圭白，楊艷玲.超濾—第三代飲用水凈化工藝的核心技術(shù)［J］.供水技術(shù)，2007，4(1):1－3.

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