飲用水處理中超濾與砂濾技術特性的比較試驗

祖 良，馬金保，張宗雷，周 斌

(國電龍源南京膜技術有限公司，江蘇南京 211200)

近年來，我國飲用水水源受到微污染的威脅，現有的常規水處理工藝由于流程簡單，局限性逐漸凸顯，出水水質已難以滿足我國飲用水衛生標準的要求。在此背景下，更高標準的水處理工藝開始逐步普及，其中，超濾工藝具有精密過濾、出水水質穩定、運行穩定可靠、處理成本較低等特點，在飲用水處理領域日益受到重視。筆者通過對超濾與傳統過濾方式——砂濾在實際運行過程中的對比，分析了超濾工藝在飲用水處理中的特點。

超濾作用機理為機械篩分，過濾過程膜面存在濃差極化現象，在凝膠層形成前，膜通量與壓差的關系為［1］:

式中:Jγ為膜通量，L/(m2·h);Pw為膜對水的透過特性，m2/(Pa·s);δm為膜的邊界層厚度，m;ΔP 為壓差，Pa。

可見，膜通量與跨膜壓差大致呈正比。當進水中膠體濃度很低時，超濾工藝壓差小，通量大。超濾技術這一優異的分離性能在給水凈化中可以充分發揮作用，研究超濾的基本特性及凈化效率，拓展超濾在凈水工藝中的應用是十分必要的。

1 試驗內容

以水廠沉淀池出水為對象，研究超濾工藝的膜通量、跨膜壓差等基本特性及超濾工藝對原水中濁度、CODMn、UV254等指標的去除效果，并與砂濾工藝相關操作參數、處理效果進行技術經濟核算對比，探討超濾工藝取代砂濾工藝的可行性。

2 試驗裝置及流程

2.1 原水類型及分析方法

試驗原水為水廠沉淀池出水，原水濁度3 ～13 NTU，ρ(CODMn)、UV254值分別為3 ～20 mg/L、0.025 ～0.038 cm。測試指標包括濁度、ρ(CODMn)、UV254，其中，濁度采用HACH2100P 濁度儀檢測，CODMn質量濃度采用高錳酸鉀法檢測，UV254采用可見紫外分光光度法檢測。

2.2 試驗裝置及試驗方案

本試驗采用國電龍源南京膜技術有限公司生產的PVDF 中空纖維超濾膜組件為超濾元件，膜孔徑為30 nm，膜表面積為52 m2，通量范圍為60 ～105 L/(m2·h)。

試驗裝置系統流程圖見圖1。

圖1 試驗裝置系統流程示意圖

原水經沉淀后通過水泵提升至原水箱，通過保安過濾器(150 μm 袋式過濾器)后，進入超濾膜組件，最后產水進入超濾水箱并溢流排出。

為充分利用超濾的初期低壓差特性，考慮到原水水質較好，無需錯流運行，且在死端過濾方式下超濾組件內流體形態更穩定，故確定超濾運行方式為死端過濾，運行周期為60 min，反洗時間40 ～60 s，氣洗時間10 ～20 s。進水壓力通過變頻方式控制，跨膜壓差為0.01 ～0.08 MPa。

3 試驗結果與討論

3.1 超濾基本特性及其對濁度的去除

膜通量與跨膜壓差的關系及超濾對濁度的去除效果見表1。

表1 膜通量與壓差關系及濁度的去除效果

由表1 可知，超濾膜通量在65 ～90 L/(m2·h)時，跨膜壓差為0.03 ～0.040 MPa。其水頭損失僅為3 ～4 m。已知砂濾在負荷為8 m3/(m2·h)時，出水濁度為0.15 ～0.25 NTU，相應平均去除率為91% ～97%。可見超濾在去除濁度能力方面有明顯優勢［2］。

原水中濁度指標表征了細菌、有機物的濃度，降低水中的濁度，可顯著減小有毒有害物質、細菌病毒等的濃度，提高出水水質。超濾進水濁度波動較大，超濾對去除濁度的效率可穩定達到97% ～99%，且出水濁度在膜通量增加的情況下穩定在0.1 NTU以下，遠低于我國GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》規定的1.0 NTU。

3.2 超濾對CODMn的去除

CODMn是衡量水質有機污染的綜合指標，對評價水質具有重要意義。超濾在不同膜通量下CODMn的去除效果見圖2。

圖2 不同膜通量下CODMn的去除效果

由圖2 可知，超濾對原水CODMn為3 ～3.5 mg/L時的平均去除率約為10.36%。膜出水ρ(CODMn)為2.61 ～2.92 mg/L，低于GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》規定的3 mg/L。

通過不定期檢測砂濾及超濾出水的ρ(CODMn)值，比較超濾與砂濾系統出水CODMn去除情況，當超濾通量為80 L/(m2·h)，砂濾表面負荷為8 m3/(m2·h)時，結果見圖3。

圖3 超濾與砂濾去除效果比較

由圖3 可知，超濾對CODMn的平均去除率略優于砂濾。應當說明，當源水受到微污染時，砂濾對CODMn的去除率可能略優于超濾［3］。分析認為，某些砂濾池由于原水處于微污染狀態，經過長時間的運行后，砂粒表面附著了一層生物膜，該類砂濾系統具備了部分生物濾池的特性和功能。原水在過濾過程中，砂濾池的生物功能對其中的有機污染物達到了部分去除的效果［4］;而超濾系統過濾周期較短，運行條件控制在凝膠層形成前階段，且表面基本不會生長生物膜，不具備有機物分解功能。比較而言，砂濾雖然具有一定的去除CODMn的功能，但生物膜隨時可能脫落被帶至出水中，帶來不可控的飲用水安全風險;而超濾系統出水穩定，沒有此類安全隱患。

3.3 超濾對UV254的去除效果

UV254為254 nm 波長水樣的紫外吸光度，可作為總有機碳(TOC)及三鹵甲烷生成勢(THMFP)的代用參數，與THMFP 有很好的相關性，通常，可以由UV254表征水體中小分子有機物的多少，主要是指1000 D 以下的小分子物質，而超濾膜的截留分子量是為300 ～2000，因而超濾對UV254的去除仍然有優勢。不同膜通量下UV254去除效率見圖4。

表2 超濾與砂濾技術經濟指標對比

圖4 不同膜通量下對UV254的去除效果

由圖4 可知，超濾對UV254的平均去除率為9.06%。當膜通量提高時，因為過濾速率增加，單位時間內通過膜過濾截面的水量增加，導致UV254去除率降低;但當膜通量增加到一定程度時，截留率又開始上升。分析認為，當通量較大時，隨著過濾時間的累積，膜表面截留的物質微粒增加，形成截留物累積層，在過濾過程中起到了一定的截留效果，從而增加了超濾膜對UV254的整體去除率。試驗說明，超濾對于UV254的去除率較低，但仍有一定的去除效果。據相關資料［5］，砂濾在負荷為8 ～10 m3/(m2·h)時UV254的去除率為5% ～8%，明顯低于超濾。

3.4 超濾對細菌的去除效果

由圖5 可知，超濾較原水相比較，對細菌的平均去除率約為90%。一般細菌大小為1 ～10 μm，桿菌長約2 ～3 μm，超濾孔(30 nm)要遠小于細菌的大小，理論上細菌可以完全被截留，但由于管體污染，截留率難以達到100%。事實上，超濾出水細菌指標已經達到國家衛生標準。砂濾孔隙一般為300 ～1 000 μm，對細菌截留率約10% ～20%，遠低于超濾。此外，超濾對藻類去除率大大優于砂濾。

3.5 超濾、砂濾工藝特性和技術經濟指標對比

圖5 超濾與砂濾對細菌的去除效果對比

由于超濾具有穩定的操作條件，對濁度物質具有優異的分離性能，對微污染物也具有一定截留效果，較之砂濾有明顯的技術優勢，可以通過超濾和砂濾的技術經濟比較，討論超濾取代砂濾的可行性分析。以生產能力為1 萬t/d 的自來水廠為例，超濾與砂濾工藝的各項技術經濟指標比較見表2。

由表2 分析可知，超濾技術對濁度、CODMn及UV254分離性能好，出水水質有保障;超濾工藝占地面積小，投資成本低，建設周期短，有較好的自動運行控制條件，較砂濾有較好的技術優勢，可以用于傳統凈水工藝，取代砂濾工藝。超濾投資成本及運行費用雖略高，但是可以接受的。

4 結 論

a. 超濾工藝具備高精度的分離能力，其產水水質穩定，可達到國家飲用水水質標準。超濾與傳統砂濾工藝相比，占地面積小，跨膜壓差低，膜通量較大。其工藝水平和主要技術經濟指標優于砂濾工藝。

b. 超濾工藝的產水濁度可控制在0.1 NTU 以內，遠低于GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》的要求。超濾工藝對CODMn、UV254等指標具有一定的去除率，可滿足在原水輕微污染的情況下處理達標要求。

［1］張林生. 水的深度處理與回用技術［M］. 2 版. 北京:化學工業出版社，2009.

［2］馬蓉，呂錫武，李發戰，等. 超濾組合工藝出水及消毒方法［J］.水處理技術2005，31(12):74-79. (MA Rong，LV Xiwu， LI Fazhan， et al. Study of combined ultrafiltration and disinfection of the treated water［J］.Technology of Water Treatment，2005，31(12):74-79.(in Chinese))

［3］秦鈺慧，凌波，張曉健. 飲用水衛生與處理技術［M］. 北京:化學工業出版社，2002.

［4］董秉直，李偉英，秦祖群，等.用超濾膜處理長江水［J］.膜科學與技術2005，25(1):34-37. (DONG Bingzhi，LI Weiying，QIN Zuqun，et al. Ultrafiltration of Yangtze River water［J］. Membrane Science and Technology，2005，25(1):34-37. (in Chinese))

［5］王占生. 中國飲用水的水質問題［M］. 北京:清華大學出版社，2001.