推罐后头晕:浸入式超滤膜技术在净水处理应用中的前景

浸入式超滤膜技术在净水处理应用中的前景     

                                                                   何寿平 张国宇 陈杰 孙丽华

        1. 超滤膜技术在净水处理中的应用现状及存在问题
      由于水源污染的复杂化使实际水源水质与水质需求之间的矛盾日趋突出，从而对水质净化处理及其技术支持提出了更高、更新的迫切需求。膜法处理饮用水技术的进步，为解决这一需求提供了一个可资选择的先进处理手段。国内外多位专家指出膜法处理是水处理技术应用发展的一个趋势，甚至提出“膜法将取代传统的水处理工艺”。
        超滤膜的功用是通过孔径截留机理去除水体中的悬浮物质、胶体等颗粒物。超滤的孔径范围为0.01 – 0.05µm(通常为0.01µm)或者更小。
        许多超滤膜可以截流分子量相对较大的有机物，因此通常更多是用切割分子量(MWCO)而不是具体的孔径来描述。超滤膜典型的截留分子量范围为10,000 ～500,000道尔顿, 水处理中用到的膜通常为100,000 MWCO。
      1.1 应用现状         国外应用日益增多，国内已经起步。膜的价格和运行在逐步下降，但建设、运行成本仍然是推广应用的瓶颈。         北美：超滤水厂数量已经超过300座；
       欧洲：日处理能力过万的超滤自来水厂已经有数十座，主要分布在英国、法国、意大利、瑞士等；
       亚洲：新加坡Chesnut水厂、CCK水厂均采用浸入式超滤膜，产能分别为27.3万m3/d和18.2万m3/d；
     日本东京都水厂采用内压式超滤膜8万m3/d；
        台湾高雄拷潭水厂采用双膜法，产能达到30万m3/d；
      澳门大水塘水厂（6万m3/d）采用浸入式超滤膜技术；             上海同盛水务（ 2万m3/d ）采用内压式超滤膜技术；
       天津杨柳青水厂（ 0.5万m3/d ）采用内压式超滤膜技术。
        我国计划建设或者正在建设的一批超滤膜水厂；
        杭州自来水公司（30万m3/d）采用外压式超滤膜技术；              东营自来水公司（10万m3/d）采用浸入式超滤膜技术；
       无锡自来水公司（15万m3/d）采用外压式超滤膜技术；
        南通自来水公司（2.5万m3/d）采用浸入式超滤膜技术。该项目属改造项目，采用经过中试的短流程净水工艺。原处理工艺为原水—絮凝—斜管沉淀池—虹吸滤池，改造方案将斜管沉淀池改为膜池，实现原水絮凝之后直接进行超滤膜过滤，同时实现沉淀、污泥浓缩、浓水回收等功能，超滤膜系统产水率在99%左右，虹吸滤池将改为应急处理设施。该项目将于今年内实施，其意义在于实现了净水工艺的“短流程”，为水厂改造提供了一条新思路。
        我国超滤膜在净水处理的应用方面正在健康地起步，在较大规模水厂采用浸入式超滤膜技术方面，有着广阔的应用前景。
        1.2 超滤膜技术在净水处理应用中存在的问题
       超滤膜技术在净水技术发展中还没有得到大范围的推广，主要存在以下几个问题：
      （1） 膜的材质、加工、制作有进一步改进的必要；
      （2） 膜的价格、建设费用及运行成本仍然偏高；
     （3） 对膜的运行机理有待深层次的理解和认识；            （4） 与传统净水工艺的匹配，加长了处理流程；
     （5） 超滤膜抗污染能力不理想，与常规过滤工艺相比，反洗及化学清洗周期仍然显得较短，有待进一步提高；
      （6） 系统设计有待改进。
        2、膜性能及组件
        根据不同的分类方式，超滤膜可以分为内压膜、浸入式膜、中空纤维膜、管式膜、板式膜等等。在净水处理领域中，最常用的是中空纤维膜。
        2.1 内压膜与浸入式膜的对比

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.XPv$psU b0图1 一个反洗周期内膜池浊度变化情况

                     图2 一个曝气周期内膜池浊度变化情况水网博客——水业思想的集散地！g t.^5kl
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        由图1可以看出由于超滤膜进水浊度仅为5NTU左右，随着运行时间的推移，膜池内浊度有所增加，运行一段时间后，膜池内浊度基本稳定，膜池内浊度基本稳定在25-65NTU之间。由图2可知超滤膜曝气时，超滤膜表面的污染物被剥落，膜池内浊度相对较高，为50-70NTU，超滤膜曝气结束后，膜池内悬浮物开始沉淀，膜池内浊度开始降低，超滤膜下一次曝气之前，膜池内浊度可以降低至25-40NTU，这说明分膜单元运行有利于膜池内被截留的颗粒物下沉。从图1中还可以看出，膜系统运行稳定后单个膜单元反洗并不影响膜池内浊度的分布，反洗产生的浓水被其它正在过滤的超滤膜回收，浓水中的悬浮物能够较快地沉淀至膜池底部，并不影响膜的运行，说明分单元运行能够实现浓水的回收。水网博客——水业思想的集散地！e.](m$O3Ufu+q~
        实验过程中，膜池24h排污一次，排污量为池容的30%，排出水的浊度变化情况如图3所示：

                               图3 膜池排出的污水浊度变化情况

        由图3可以看出，膜池排污起始时所排出的污水浊度近2000NTU；排污1min后，膜池排污水浊度迅速降至50NTU左右，并趋于稳定。说明膜池底部污泥得到一定程度的浓缩。水网博客——水业思想的集散地！,zeo D,y?
试验装置超滤膜底部与池底之间距离有限，污泥沉淀浓缩空间有限，如增大膜组件底部与池底之间的距离，可以延长污泥浓缩时间，提高浓缩效果。此运行方式可以不用单独建设浓水回收装置，节省投资。水网博客——水业思想的集散地！pMZ J*BJR/p b
        经过近一年的试验，验证了这一运行方式的可行性，取得了良好的试验效果。
C/}awQ yO6L0        4. 以浸入式超滤膜为核心的短流程净水工艺研究
F#h)O2j%zm5u;Z*_0        4.1工艺的提出为了水厂改造的需要，而后又尝试将膜组件置于絮凝池出口过渡区进行试验。发现经过絮凝的水直接过滤相反比采用沉淀后的水运行效果更好，化学清洗周期更长。这与早前同济大学所做的试验的结论有异曲同工之处。
$Z2Nv~do0J0        我们认为过滤后的水或已得到沉淀浊度很低的水，大的悬浮颗粒基本去除，通过超滤膜过滤，拦截的微小颗粒在膜表面形成的“泥饼”较为“密实”。而絮凝后的水凝絮体颗粒松散，即使附着在膜表面，其“泥饼”的透水性较好，清洗时也易于脱落，极细颗粒对膜的深层污染相对较轻，所以絮凝水直接进入膜过滤运行效果良好。水网博客——水业思想的集散地！u.yqC D3C`[G7t
        试验中还观察到超滤膜过滤絮凝水反洗后膜表面比较清洁，沉后水膜过滤形成的滤饼层相对比较密实，清洗后有一定的残留物附着在膜的表面。
P3?5oz l#v0        在此试验的基础上，提出了一种集絮凝、沉淀、超滤、浓水回收、污泥浓缩于一体的短流程净水工艺。该工艺为原水经过絮凝直接进入膜池，池内设有多个膜单元的浸没式超滤膜过滤系统。絮凝后的水进入膜池流速减缓，部分凝絮体在重力作用下下沉，进入污泥浓缩区的凝絮体经过重力浓缩之后通过排泥系统排出。去除了部分凝絮体的水进入超滤膜进行过滤。水网博客——水业思想的集散地！1|)`$CcM[y|
        运行中可根据超滤膜的污染程度，加入一定量的清洗剂，对超滤膜进行在线维护清洗，可以延长化学清洗的周期。水网博客——水业思想的集散地！:R} uv8T_)[
        为了保证系统的连续运行，该工艺中的超滤膜过滤系统由多个膜单元组成。以便进行分单元运行（过滤、曝气、反洗和化学维护清洗），反洗产生的浓水由膜池内其它正在过滤运行的膜单元加以回收，运行中产生的浓水的颗粒物在物理作用下，沉入底部污泥浓缩区，不需另外单独设立浓水回收装置，仅在池内部就可完成以上处理程序。水网博客——水业思想的集散地！6n.TR+V`
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         4.2 工艺的研究水网博客——水业思想的集散地！F2@P(No%DN
        我们分别从曝气时间间隔、曝气历时、曝气强度、反洗周期、反洗方式、反洗强度、反冲洗历时等方面优化了工艺运行参数。结果表明浸入式PVC超滤膜直接处理长江水絮凝水有着良好的运行效果，以超滤为核心集多种净水工序于一体的短流程水处理工艺更适合于老水厂技术改造；超滤膜采用分单元运行，可以在膜池内实现浓水回收、污泥浓缩、污泥沉淀等多种功能并提高超滤系统的产水率。
5~H%z,S0z"N0        浸入式PVC超滤膜过滤出水浊度小于0.02NTU，大肠杆菌的去除率为100%；出水细菌总数仅有个别测出1～2CFU/mL，明显优于国家《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）的规定。
x&Po{%cy-C|hd0        该工艺超滤膜过滤系统必须设置独立的化学清洗装置，经过长期运行，超滤膜采用离线恢复性化学清洗。水网博客——水业思想的集散地！3}ed
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        离线恢复性化学清洗的好处在于提高了化学清洗药剂的利用率，减少了对环境的污染，降低了膜池本身的防腐处理要求，化学清洗池亦可存放备用膜单元。缺点是，需要拆卸膜单元运送到转移到化学清洗池内清洗，如果超滤膜有着良好的运行性能，通过运行方式的优化，延长离线恢复性化学清洗的周期，可以取得良好的综合效益。
{"L w u%[ d9A0        该项中试成果邀请国内知名专家进行了鉴定。专家们一致认为该项成果具有创新性，达到国际先进水平。该工艺节约用地，节省投资，为老水厂改造和新建水厂提供了一条新的技术路线，符合资源节约型产业化发展方向，有广阔的应用前景。
g'qY'm$V BJ(X0根据试验取得的成果及水厂的具体条件，制订了水厂25000m3/d的改造方案，将水厂斜管沉淀池改造为集絮凝、沉淀、超滤膜过滤、超滤膜反洗、浓水回收、污泥浓缩为一体的多功能处理构筑物。原有的虹吸滤池将考虑改造成为突发性原水水质事故的应急处理构筑物。水网博客——水业思想的集散地！ qc(p{/KW7U
        该方案基于低跨膜压差、低通量的理念，以充分利用水厂原有的工作水头进行超滤膜运行，降低运行能耗和成本。当气温低于7℃时，由于水的粘度增大，仍需要依靠抽吸泵提高超滤膜的通量。
L$I*P3vY9I~)?0        4.3 超滤膜系统的预处理
OFrKK-QL0        尽管浸入式超滤膜对进水水质要求比较宽松，以超滤膜技术为核心的短流程净水工艺为水厂改造提供了一条新思路，但是超滤膜并不能去除小分子有机污染物和重金属污染物，因此，当原水中含有上述污染物，必须进行合适的预处理，以去除上述有机污染物。
%@_`7m6u[9j0        去除水中的重金属和有机污染物可以采用传统的高级氧化、活性炭吸附、生物预处理等方法，也可以采用能够去去除水中一定量的COD的渗滤澄清池技术进行预处理。也可以设想在渗滤澄清池上部的清水区安装浸入式超滤膜过滤装置，实现又一类型的短流程净水工艺。
\*Z3f{W-DG0        采用粉末活性炭与超滤膜联用，能够去除水中一定量的有机污染物，但粉末活性炭的消耗较大，若将粉末活性炭与澄清池技术联用，需要做更多的试验研究，也许会取得更好的效果。水网博客——水业思想的集散地！*ND M8{ E7r
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         4.4 关于低通量、低跨膜压差运行的思考水网博客——水业思想的集散地！g0J:G
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低通量、低跨膜压差运行能够充分利用水厂剩余水头，在不增加水头的情况下进行水厂改造，对原有水厂的改造有利，但同样带来建设费用的高投入。不利于超滤膜技术的推广应用。
`~ ?)Z+X3LqS D@0        我们认为在一定的跨膜压差下运行提高通量，相反带来良好地运行效果和经济实用性。水网博客——水业思想的集散地！`7p4I nW7d,wQ
        通过经济技术分析，从静态投资上来看，对于25000m3/d的水厂改造，与高通量的运行方式相比，如果仅仅利用原有剩余水头，按照低跨膜压差、低通量的方式运行，投资成本需要增加200万元以上，但是年节约运行成本10.5万元左右，如果 超滤膜的使用寿命为5年，显然适当提高跨膜压差，提高通量的运行方式将更加经济。
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H0        从另一方面讲，一般情况下水厂絮凝池与清水池之间的水位差约为3m左右，水温超过10℃时，仅此工作水头就能保持超滤膜的产水通量在30L/m2/h时就能保证水厂的原有产水能力。当水温进一步降低时，水电粘度增大，必须启动抽吸泵提高工作水头，以保证水厂的产水能力。因此，低跨膜压差、低通量运行时，尽管投资成本比较高，但是仍然摆脱不了抽吸泵的应用。
!T9~c9t:F0        我们在絮凝水过滤试验中采用抽吸泵将跨膜压差提高到一定程度，通量得到增加，发现其抗污能力却有所增强。通量维持在50-60L/m2/h,不会出现随着运行时间的延长而出现通量下降的情况，这是一个值得注意的现象。经分析，认为低跨膜压差、低通量时，滤过水透过泥饼的压差较低，所以透过的水量将受到一定程度的限制。跨膜压差增大、通量提高时，透过泥饼的渗透压较大，因此对保持通量有一定的作用，而且并没有引起膜堆深层污染。水网博客——水业思想的集散地！|%el)u$~
        因此，超滤膜是否应该在低跨膜压差、低通量下运行，应根据水厂剩余水头、当地气候条件等因素进行经济技术分析，慎重选择。水网博客——水业思想的集散地！ l0?!TqftbKO.u
        我们的试验仅限于采用PVC超滤膜，原水为长江下游水，投加聚合氯化铁，对其他水源及不同超滤膜的的运行效果如何，还需进行更多更深入的试验。水网博客——水业思想的集散地！F&N(Kqiy\
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        5. 浸入式超滤膜在水厂改造中的应用前景
4F.Wal ?9? |0        5.1 水厂改造面临的技术问题水网博客——水业思想的集散地！
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如前所述，尽管诸多老水厂面临着技术改造的问题，但是在改造过程中面临着很多技术问题，这些问题大大限制了改造工艺选择的余地。水网博客——水业思想的集散地！.[ T5zza4H
       （1） 过去的设计所采用的标准与新标准存在较大的差距，这无疑增加了改造难度。另一方面，GB5749-85仅仅规定了两项微生物指标，而GB5749-2006规定了6项微生物指标，尤其规定了隐孢子虫和贾第鞭毛虫，这对传统处理工艺提出了难以达到的要求，如水源水质有此隐患，水厂改造必须采用更新的工艺。
Jb!Q*?B0        （2）不可否认，随着社会经济的发展，水源水质不断恶化，而水厂设计时一般都没有预料到水源水质的恶化速度如此之快，这对水厂改造来说，无疑是雪上加霜。水网博客——水业思想的集散地！M-AR4_m B6Y`
        （3）水厂剩余可供利用土地受限。水厂设计时布置紧凑，几乎没有多余土地可供利用。水网博客——水业思想的集散地！?8}7F+@Y:`XEM
        （4）工艺流程的工作水头已定（约头为3m左右），如果改造方案流程增加势必需要增加工作水头，必需增设提升泵，这又要受到场地限制。水网博客——水业思想的集散地！.`)j.P n'G-st
        5.2 水厂改造方案
*RBN2o;Mu4?0       浸入式超滤膜过滤技术，尤其是以浸入式超滤膜技术为核心的短流程净水工艺，具有占地面积小、对进水水质要求相对宽松、出水水质稳定优良、可以充分利用水厂剩余土地和工作水头，是水厂改造的可资选择的方案之一。
|7YrfF7fs Dh0        对于平流沉淀池，可以充分利用平流沉淀池池体空间大的特点，在沉淀池后段安装浸入式超滤膜，沉淀池前端仍可进行沉淀处理（或改造成原水水质预处理设施），以去除尺寸特别大的颗粒物。
%_/i4a&dQ"R(Yg,uf0        关于澄清池的改造，可以设想在澄清池上部清水区安装浸入式超滤膜，实现一个池体内完成澄清、浓水回收、排泥等功能。由于澄清池大都为圆形，超滤膜的布置直接影响收水均匀性，因此，超滤膜的合理布置在澄清池改造中显得尤为重要。水网博客——水业思想的集散地！'t&P(rS`~
        6.浸入式超滤膜在大规模应用中需要亟待解决的问题
P&moL ?2Nu0尽管浸入式超滤膜已经在许多水厂得到应用，但是大规模的应用还有值得研究的必要，还有一些问题亟待解决；水网博客——水业思想的集散地！Fo B_E7i#v#?K:b/r
       （1）超滤膜成本的进一步降低，不可否认，超滤成本是限制超滤膜大规模应用的主要因素之一；水网博客——水业思想的集散地！:p!M8|]+ENT Sc
        （2）超滤膜抗污染能力的进一步提高，适当延长反冲洗周期，尽量延长化学清洗时间，以取得与传统过滤工艺相抗衡的优势；水网博客——水业思想的集散地！"L&Er5i^g:U
        （3）进一步研究超滤膜污染机理，研发出减轻超滤膜污染的药剂；水网博客——水业思想的集散地！a+U{'Ez,J*Uv
        （4）研究超滤膜污染、跨膜压差与超滤膜通量之间的关系，为超滤膜设计、运行提供理论依据；水网博客——水业思想的集散地！y5G @%Zx8t
        （5）进水颗粒物（包括粒径、物化性质等）与滤饼层、超滤膜污染之间的关系；
I],z|9c^Z rM9A0        （6）根据不同应用环境，设计出合理的超滤膜运行通量；水网博客——水业思想的集散地！%yj4f _7O8S3|Ld3B
        （7）研究超滤膜清洗的机理和过程，找出更新、更为有效的清洗方式；
5@/C(j a-{+Y.\ `M0        （8）超滤膜系统的优化及其与传统工艺之间的匹配；水网博客——水业思想的集散地！(t,mmf i/w{
        （9）以超滤膜技术为核心的短流程净水工艺示范工程应尽快实施，以取得更多实际运行的数据和经验。