新型超濾技術在凈水廠的應用

葉書榮，馮暨偉

(華電水務控股有限公司，北京　100160)

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新型超濾技術在凈水廠的應用

葉書榮，馮暨偉

(華電水務控股有限公司，北京100160)

摘要：介紹了超濾技術的特點，結合漯河某凈水廠項目，對比了壓力式超濾系統和浸沒式超濾系統的膜組件參數、建設成本及運行成本等，確定壓力式超濾膜系統可以長期維持較高膜通量運行，較浸沒式超濾系統更具技術、經濟優勢。最后指出，在凈水廠采用“混凝沉淀+超濾”的新型短流程工藝，應優先選擇鐵鹽混凝劑，嚴格控制沉淀池出水的混凝劑和助凝劑殘余量。

關鍵詞：凈水廠；自來水；超濾膜；壓力式超濾系統；浸沒式超濾系統

0引言

隨著社會經濟的高速發展，人民生活水平日益提高，城市飲用水水質要求更加嚴格，供水保證率和供水安全度將會不斷提高，尤其是體現感官性狀、一般化學指標以及微生物含量等綜合情況的濁度指標日趨嚴格。超濾技術是第3代飲用水處理工藝，其產水濁度低且穩定，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新型工藝路線的現代化自來水工廠，水廠水源為南水北調中線工程水源，工程處理規模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，產水水質能滿足國家標準。

1超濾技術的特點

具備“安全保障、運行穩定、成本經濟”特點的自來水技術才是值得大力推廣實施的技術。長久以來，自來水廠都是采用傳統的凈水處理工藝，即“混凝+沉淀+過濾+消毒”。傳統工藝在工藝路線和形式上的選擇都已十分成熟，但其抗沖擊負荷小，當來水水質波動，特別是短時高濁度的原水沖擊對產水水質影響較大時，會直接導致產水水質不合格。

我國對飲用水的安全十分關注，在已全面實施的GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》中提出了106項污染物控制指標，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，新的過濾技術需要引入傳統的自來水行業中。超濾膜的過濾孔徑小于0.1 μm，可絕對去除“兩蟲”。

超濾技術已被工程用戶廣泛接受，是一種成熟可靠的過濾技術，主要應用于反滲透前的預處理，具備產水水質和水量穩定、自動化程度高、運行狀態穩定的特點，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用。國外已有采用超濾技術穩定運行的自來水廠，超濾的出水水質明顯高于我國的生活飲用水衛生標準，其產水水質一般能滿足以下要求：懸浮物(SS)質量濃度≤1 mg/L，濁度≤0.1 NTU，細菌去除率≥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，超濾技術所需占地面積是傳統過濾技術所需占地面積的一半，節省土建費用；另外，隨著超濾膜成本的降低，超濾技術應用在市政自來水處理，將會體現其“技術先進、水質穩定、節省空間、經濟高效”的優點。與傳統水處理工藝相比，超濾工藝更能確保飲用水水質的安全，并且具有綠色、高效、節能、工藝簡便、過程易控制等優點，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模已超過338.91萬m3/d，多年的研究和工程實踐使其技術更加成熟、系統投資和成本逐年降低，運行管理經驗逐漸豐富。

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計過程中，業主方根據下游用戶需求確定了采用超濾技術作為凈水廠的主要技術路線，并調研了目前國內超濾工藝應用于市政給水的新建項目，主要有兩種實現途徑，一種是成套機架設備形式的壓力式超濾路線，另一種是采用土建膜池結構的負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超濾膜組件參數對比

在超濾系統運行過程中，外界需提供一定的壓力或吸力作為驅動力，驅動力大于膜過濾的總阻力才能順利產水。超濾膜作為過濾材料存在極限通量，即當膜表面形成凝膠層后，若再增加超濾壓力，則會出現凝膠層厚度增加而溶劑通量不增加的現象，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，膜通量符合達西公式[3]

式中：J為膜通量；ptm為膜兩側的壓差；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親水性、孔徑大小、孔隙率、膜斷面結構等特性所決定，可逆膜表面污染物累積阻力可采取日常氣洗、反洗及化學清洗方式去除。

超濾系統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。大多數的超濾系統采用恒流過濾模式，通過變頻水泵來提供逐漸升高的產水驅動力，以克服膜污染而導致的阻力，維持超濾系統穩定的產水流量。超濾系統運行的跨膜壓差為20～300 kPa，通常情況下，超濾系統典型值的范圍為50～200 kPa[4]。

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

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構，保證組件在使用過程中能穩定運行。膜表面的污染清洗可選用水洗或氣水擦洗模式，要求膜絲材質能長期耐高濃度的氧化性藥劑且能保證強度，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、細菌、病菌和膠體等。

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

表1　膜元件參數對比

2.2建設成本對比

壓力式超濾系統比浸沒式超濾系統占地面積略小，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。在設備投資方面，浸沒式超濾系統所需的工藝設備較多，如膜池排空泵、真空泵、膜擦洗風機等，對電氣控制系統的要求也更高。伴隨超濾膜的技術革新和價格競爭，超濾膜的售價較10年前有了大幅度降低，國產品牌的膜產品目前售價約為150元/m2，進口品牌膜產品目前售價約為220元/m2，已不足10年前售價的50%。漯河某2.5萬t凈水廠超濾系統的建設成本對比見表2。

表2　2.5萬t凈水廠超濾系統建設成本對比

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行評價。除超濾膜外的設備使用年限按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，設備每年的潤滑、維修、保養費用按設備總價的1.2%計算，漯河某凈水廠項目超濾系統制1 t水的成本對比見表3。

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

表3　超濾系統制水成本對比　元

2.4超濾應用對比

浸沒式超濾工藝相對于壓力式超濾工藝的優勢是可利用原有的砂濾池改造作為膜池，并且可節省動力提升的電耗；缺點是浸沒式超濾工藝膜通量較小，一般為30～40 L/(m2·h)，對應的膜數量較大，膜更換費用高。這兩種工藝目前均有一定的應用業績，在系統設計、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。結合水源水質特點，建議超濾系統前設置絮凝沉淀工藝，降低原水的SS質量濃度和濁度，減輕超濾膜系統的沖擊負荷，有效保證后續系統穩定運行。原水經過超濾裝置可有效去除水中的顆粒物質和膠體，超濾系統回收率在90%以上。

為保證超濾系統穩定運行，需要設置超濾化學清洗系統，以控制水體中污染物對超濾膜的污堵，維持較高通量穩定運行，延長超濾膜的使用壽命。在超濾系統產水過程中引入反洗氣洗系統，通過由內向外的反洗水流，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，保證超濾膜穩定運行。在水廠日常生產過程中，超濾系統具備判斷膜絲是否有破損或斷絲現象并準確定位受損膜元件的膜絲完整性檢測系統，方便進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凈水廠預處理技術對超濾系統的影響

超濾技術使用精細的高分子材料過濾單元，因此超濾系統對進水有一定要求，必須設置預處理設備。在凈水廠中，飲用水源一般為Ⅰ類或Ⅱ類水體，通常設混凝沉淀工藝裝置，位于超濾系統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存在一定的影響。在混凝劑的選取上，一般優先采用鐵鹽混凝劑[5]，鐵鹽絮狀膠體顆粒團粒徑較大，更利于超濾膜去除，其出水濁度優于采用鋁鹽混凝劑。另外，混凝劑反應不充分時，會在后續工藝中繼續進行絮凝反應，造成產水濁度升高。在高密度沉淀池中會投加助凝劑，通常采用有機高分子助凝劑聚丙

表4　自來水行業中浸沒式超濾和壓力式超濾的應用對比

烯酰胺(PAM)，其分子量很高，有很強的黏性，殘留的PAM對超濾膜有較大的污堵影響，一定要將預處理出水中PAM的含量控制在安全值范圍內。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進行重點監控。

4結束語

超濾技術在市政自來水領域推廣并實施，以南水北調工程為水源的漯河某凈水廠成功采用該技術，能確保其水質安全、可靠。膜材料更換成本仍是超濾系統的主要運行費用，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濟性更好。采用“混凝沉淀+超濾”的短流程凈水新工藝時，應優先選擇鐵鹽混凝劑，嚴格控制沉淀池出水的混凝劑和助凝劑殘余量。

參考文獻：

[1]沈裘昌，雒安國.給水工程中超濾膜的應用分析[C]//2011膜法水處理技術研究與應用國際會議.哈爾濱：中國科學技術部國際合作司，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，2013(1):14-17.

[3]肖友道,張維佳,王東田,等.運行參數對浸沒式超濾膜污染影響中試研究[J].水處理技術,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].環境科學,2007,28(10):2198-2202.

(本文責編：劉芳)

收稿日期：2016-02-23；修回日期：2016-03-16

中圖分類號：TU 991.2

文獻標志碼：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)。