葉城縣西片區水廠水前端預處理問題探討

宋 鑫

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，烏魯木齊 830002)

1 工程背景

葉城縣西片區水廠工程的供水水源為提孜那甫河，提孜那甫河屬冰雪融水及降水補給為主的河流，徑流的年內分配極不均勻，其多年平均年徑流量為4.0042×108m3，最大年徑流量為4.7541×108m3(1994年)，最小年徑流量為2.9814×108m3(1993年)，經分析葉城縣西片區用水量P=50%、P=75%、P=95%時的年徑流量分別為3.99×108m3，3.62×108m3，3.11×108m3。2014年新建西片區水廠，日供水規模為13115.74m3/d，2017年西片區水廠水源及管網改造工程，日供水規模為20398.084m3/d，其中新水廠供水規模為13115.74m3/d，超出新水廠供水規模的部分由恰瓦克11村水廠、依力克其5村水廠負責供水，日供水規模為7282.344 m3/d，新水廠供水規模未發生變化，本次復核滿足用水規模。

2 亟待解決的問題

本次葉城縣西片區水廠改擴建工程水源采用提孜那甫河地表水，由于原水水質濁度汛期濁度高，需采用凈化措施，方能滿足飲水安全要求，現狀工藝無法滿足對原水處理的降濁時間及水量，從而導致出廠水濁度不達標，2019年6月水廠出廠水濁度達到91NTU。本次新建調蓄沉砂池容積按2.5d調蓄時間計算，取整為39000m3/d，調蓄沉砂池布置形式采用一處沉砂、一處運行的交替形式。

2019年2月喀什市供水水質監測站檢測出提孜那甫河水原水中硫酸鹽含量326mg/L，總硬度470mg/L超標，同批檢測出廠水硫酸鹽含量261mg/L，總硬度450mg/L，硫酸鹽超標。2019年6月18日新疆昌源水務科學院檢測出西片區水廠出廠水渾濁度91NTU，肉眼可見物主要為泥沙沉淀，總大腸桿菌3.1。現狀水廠未設計除鹽設備，無法解決水質中的硫酸鹽和總硬度超標問題；現狀預沉池水流停滯時間不足，不能起到初沉的效果，在汛期斜板沉淀池運行困難，淤積嚴重，水廠現狀一體化凈水設備不能對水質超標問題進行相應的處理，導致出廠水不達標。新水廠運行期維護和管理跟不上，水處理設備中電動蝶閥現均不能電啟動，只能手動操作，運行管理不便；設備在線濁度儀現狀 不能提供進、出廠水濁度數據，水質濁度僅靠工作人員肉眼觀察，憑借經驗對設備進行加藥絮凝，降濁效果不明顯。

本工程主要建設任務為老水廠新建除鹽設備(超濾+反滲透)，針對超標水質進行處理，處理后輸水至清水池進行調配，滿足出廠水飲用標準。

3 前端預處理工藝

根據水質檢測結果顯示，水源主要存在的問題是硫酸鹽、總硬度、濁度超標，因此采用常規深度處理工藝難以除去，因此需要采用除鹽處理工藝法，在進行除鹽處理前，必須對水源水進行除鹽前端處理，針對除鹽前端處理工藝流程進行如下兩個方案的比選。

3.1 多介質過濾器

多介質過濾器是一種機械過濾的技術，即借助層狀的無煙煤、砂、細碎石榴石或其他材料所組成的床層達到水源水過濾的目的。為達到較好的過濾效果，床層頂層應為最輕質、品級最粗的材料，最重、品級最細的過濾材料應設置在床層最底層。如此設計才能使水源水中的顆粒按照粒徑大小逐次被床層頂層至介質的較深層逐一去除，實現深度過濾，并使水質達到粗過濾后的標準水平。

葉城縣西片區水廠水處理多介質過濾器設備是壓力式的，當水源水自上而下經過濾料，水中懸浮物便會因吸附及機械阻流等綜合作用而遭到濾層表面的截留，待失去大部分懸浮物的原水流經濾層時，濾料層內排列緊密的砂粒增大了水中微粒與砂粒接觸的機會，水中凝絮物、殘余的懸浮物與砂粒表面發生相互黏附后，便會將原水中雜質進一步截留在濾料層，達到澄清水質的目的。

3.2 超濾膜預處理

超濾是一種重要的飲用水膜分離技術，超濾技術比常規水處理技術更能有效過濾和去除原水中微米級的顆粒，還能有效過濾和去除常規水處理技術所無法處理的納米級微粒，提升飲用水水質。超濾這種膜分離技術屬于壓力驅動程序，通過篩除機理將水中雜質徹底去除，并在壓力驅動下使水流透過膜從高壓側流至低壓側，膜將水中大小微粒組分統統阻隔，濃縮后的水呈濃縮液的形式排出。超濾膜分離技術對于大分子物質、膠體、蛋白質等物質的分離均較為適用，對溶質分子量的分離下限可達數千DMtons，所分離的組分孔徑范圍可達0.001-0.05μm，對于原水中的懸浮物、膠體、有機物等雜質均能有效去除，對于多介質過濾器能起到有效的取代作用[1]。

但從當前超濾技術在國內外水廠中的應用和實際運行情況來看，該技術仍面臨無法有效去除包括耗氧量、UV-254、氨氮等在內的溶解態有機污染物的難題；在超濾膜使用時還可能出現膜絲斷裂等問題，導致未經處理的原水通過斷裂破損膜絲直接進入產水側，并與處理過的水發生混合。超濾膜耐極端溫度性能差，隨著水溫的升高和黏度的增大，跨膜壓力差TMP和及膜阻力系數會顯著增大，導致頻繁觸發反洗膜通量降低[2]。當氣溫和水溫較低時，超濾膜殼內存水結冰后會損壞膜絲。此外，直接應用超濾膜過濾技術還面臨嚴重的由較低無機鹽、膜膠體、溶解性有機物、污泥、膜生物降解產物等引起的膜污染問題。

經過以上對多介質過濾器與超濾膜處理技術的分析，將原水反滲透前兩個預處理工藝從適用范圍、處理濁度、出水水質、運行穩定性、對反滲透膜保護、使用壽命及設備投資等方面進行綜合比選，具體見表1。

表1 多介質過濾器與超濾預處理工藝對比表

通過以上的優缺點及適用條件介紹可以看出，超濾膜和多介質過濾器是都能作為反滲透膜預處理工藝，但是超濾膜處理技術能更好的適應原水水質，其出水水質也比多介質過濾器出水水質優，更有助于實現對后續反滲透膜系統的保護，使反滲透膜系統的使用壽命大大延長，系統運行成本有效降低。為此，考慮到葉城縣西片區水廠原水水質較差，所以，其預處理工藝推薦采用超濾膜處理。

超濾是葉城縣西片區水廠反滲透的預處理，通過超濾膜處理后的出水能有效保證反滲透進水水質，提升反滲透系統的使用壽命。考慮到葉城縣西片區水廠原水水質離子超標，所以通過超濾與反滲透勾兌出水的方式在確保達標出水的基礎上，還能適度保留水中有益身體健康的礦物離子，并降低反滲透處理規模和運行成本。

4 原水前端超濾膜預處理

4.1 處理系統

葉城縣西片區水廠原水前端超濾膜預處理主要使用北京BS有限公司所生產的中空絲型超濾組件，該超濾膜處理組件主要由超濾膜系統、控制系統組成[3]。采用的中空絲膜比一般超濾膜具有更好的化學穩定性，其pH值在2.0-10.0之間，使用壽命平均在1a以上，并能抵御氯離子等有機溶劑的影響；間隔30-60min可進行自動反沖洗，中空絲膜內外層均設置有活化層，兩面均可用于過濾，且對于高黏性、高懸浮物含量等淤水的預處理較為適用。

4.1.1 超濾膜系統

葉城縣西片區水廠超濾膜預處理系統主要由超濾膜阻器、進出口閥組、進水泵、反洗水泵及空壓機等設備及部件組成，構成簡圖詳見圖1。超濾膜阻器是超濾膜預處理系統的核心部件，也是決定系統出水水質優劣的關鍵；進出口閥門主要由進出水閥、反洗進出水閥、放空及通氣閥等構成，超濾膜預處理系統運行一段時間后便進入反洗周期，通過濾膜的反洗將膜表層附著物除去，確保膜絲及濾膜的良好使用性能。

4.1.2 控制系統

葉城縣西片區水廠原水超濾膜預處理膜阻器出/入口閥組控制系統主要采用的是PLC(Programmable Logic Controller)可編程控制器，能滿足西片區水廠原水超濾膜處理設備狀態反應周期不足50ms的控制要求，及時性與可靠性有保證。在進行超濾膜預處理控制的過程中，主要進行單個膜阻在30min周期內產水→反洗→產水的循環控制，2個產水環節耗時28.5min，反洗過程耗時1.5min；待各膜阻器按次序進入反洗狀態后，相鄰膜阻器存在1.5min的運行時間差，所以，PLC可編程控制器能確保同一時間下僅有一組膜阻器處于反洗狀態，有效防止因閥門頻繁啟閉而導致的水錘效應。

圖1 超濾膜預處理系統構成簡圖

4.2 預處理效果

生活飲用水供水工程必須向用戶提供符合飲水衛生標準的安全衛生水，因此在選擇水源時，應以水質良好為主要依據。根據2019年6月喀什市供水水質監測站對葉城縣西片區水廠出水進行的檢測結果，其生活飲用水的感官性狀指標、化學指標、毒理學指標及細菌學除硫酸鹽不滿足飲水安全要求外，其余各項指標均符合《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)及《生活飲用水衛生標準檢驗方法》(GB5750-2006)的要求，詳見表2，預處理效果優良，并為進一步的反滲透除鹽處理提供了水質保障。

表2 西片區原水水樣檢驗數據表

續表2 西片區原水水樣檢驗數據表

5 結 論

文章分析結果表明，超濾膜預處理技術能實現原水的凈化、分離與濃縮，介于微濾和納濾之間的超濾膜除能有效隔離和去除懸浮顆粒、膠體顆粒外，還能去除藻類、細菌、兩蟲、病毒及水生生物等。與傳統的農村飲水工程原水預處理技術相比，超濾膜預處理技術具有分離效率高、能耗低、工作壓力低等技術優勢，對于農村飲水水質凈化，含油廢水及紙漿廢水凈化、海水淡化等領域均具有普遍適用性。文章以新疆葉城縣西片區水廠工程為例所進行的原水超濾膜預處理技術原理及應用過程的分析對于類似農村飲水工程水質凈化具有借鑒參考價值。