饮用水处理中超滤与砂滤技术特性的比较试验

祖 良，马金保，张宗雷，周 斌

(国电龙源南京膜技术有限公司，江苏南京 211200)

近年来，我国饮用水水源受到微污染的威胁，现有的常规水处理工艺由于流程简单，局限性逐渐凸显，出水水质已难以满足我国饮用水卫生标准的要求。在此背景下，更高标准的水处理工艺开始逐步普及，其中，超滤工艺具有精密过滤、出水水质稳定、运行稳定可靠、处理成本较低等特点，在饮用水处理领域日益受到重视。笔者通过对超滤与传统过滤方式——砂滤在实际运行过程中的对比，分析了超滤工艺在饮用水处理中的特点。

超滤作用机理为机械筛分，过滤过程膜面存在浓差极化现象，在凝胶层形成前，膜通量与压差的关系为［1］:

式中:Jγ为膜通量，L/(m2·h);Pw为膜对水的透过特性，m2/(Pa·s);δm为膜的边界层厚度，m;ΔP 为压差，Pa。

可见，膜通量与跨膜压差大致呈正比。当进水中胶体浓度很低时，超滤工艺压差小，通量大。超滤技术这一优异的分离性能在给水净化中可以充分发挥作用，研究超滤的基本特性及净化效率，拓展超滤在净水工艺中的应用是十分必要的。

1 试验内容

以水厂沉淀池出水为对象，研究超滤工艺的膜通量、跨膜压差等基本特性及超滤工艺对原水中浊度、CODMn、UV254等指标的去除效果，并与砂滤工艺相关操作参数、处理效果进行技术经济核算对比，探讨超滤工艺取代砂滤工艺的可行性。

2 试验装置及流程

2.1 原水类型及分析方法

试验原水为水厂沉淀池出水，原水浊度3 ～13 NTU，ρ(CODMn)、UV254值分别为3 ～20 mg/L、0.025 ～0.038 cm。测试指标包括浊度、ρ(CODMn)、UV254，其中，浊度采用HACH2100P 浊度仪检测，CODMn质量浓度采用高锰酸钾法检测，UV254采用可见紫外分光光度法检测。

2.2 试验装置及试验方案

本试验采用国电龙源南京膜技术有限公司生产的PVDF 中空纤维超滤膜组件为超滤元件，膜孔径为30 nm，膜表面积为52 m2，通量范围为60 ～105 L/(m2·h)。

试验装置系统流程图见图1。

图1 试验装置系统流程示意图

原水经沉淀后通过水泵提升至原水箱，通过保安过滤器(150 μm 袋式过滤器)后，进入超滤膜组件，最后产水进入超滤水箱并溢流排出。

为充分利用超滤的初期低压差特性，考虑到原水水质较好，无需错流运行，且在死端过滤方式下超滤组件内流体形态更稳定，故确定超滤运行方式为死端过滤，运行周期为60 min，反洗时间40 ～60 s，气洗时间10 ～20 s。进水压力通过变频方式控制，跨膜压差为0.01 ～0.08 MPa。

3 试验结果与讨论

3.1 超滤基本特性及其对浊度的去除

膜通量与跨膜压差的关系及超滤对浊度的去除效果见表1。

表1 膜通量与压差关系及浊度的去除效果

由表1 可知，超滤膜通量在65 ～90 L/(m2·h)时，跨膜压差为0.03 ～0.040 MPa。其水头损失仅为3 ～4 m。已知砂滤在负荷为8 m3/(m2·h)时，出水浊度为0.15 ～0.25 NTU，相应平均去除率为91% ～97%。可见超滤在去除浊度能力方面有明显优势［2］。

原水中浊度指标表征了细菌、有机物的浓度，降低水中的浊度，可显著减小有毒有害物质、细菌病毒等的浓度，提高出水水质。超滤进水浊度波动较大，超滤对去除浊度的效率可稳定达到97% ～99%，且出水浊度在膜通量增加的情况下稳定在0.1 NTU以下，远低于我国GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》规定的1.0 NTU。

3.2 超滤对CODMn的去除

CODMn是衡量水质有机污染的综合指标，对评价水质具有重要意义。超滤在不同膜通量下CODMn的去除效果见图2。

图2 不同膜通量下CODMn的去除效果

由图2 可知，超滤对原水CODMn为3 ～3.5 mg/L时的平均去除率约为10.36%。膜出水ρ(CODMn)为2.61 ～2.92 mg/L，低于GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》规定的3 mg/L。

通过不定期检测砂滤及超滤出水的ρ(CODMn)值，比较超滤与砂滤系统出水CODMn去除情况，当超滤通量为80 L/(m2·h)，砂滤表面负荷为8 m3/(m2·h)时，结果见图3。

图3 超滤与砂滤去除效果比较

由图3 可知，超滤对CODMn的平均去除率略优于砂滤。应当说明，当源水受到微污染时，砂滤对CODMn的去除率可能略优于超滤［3］。分析认为，某些砂滤池由于原水处于微污染状态，经过长时间的运行后，砂粒表面附着了一层生物膜，该类砂滤系统具备了部分生物滤池的特性和功能。原水在过滤过程中，砂滤池的生物功能对其中的有机污染物达到了部分去除的效果［4］;而超滤系统过滤周期较短，运行条件控制在凝胶层形成前阶段，且表面基本不会生长生物膜，不具备有机物分解功能。比较而言，砂滤虽然具有一定的去除CODMn的功能，但生物膜随时可能脱落被带至出水中，带来不可控的饮用水安全风险;而超滤系统出水稳定，没有此类安全隐患。

3.3 超滤对UV254的去除效果

UV254为254 nm 波长水样的紫外吸光度，可作为总有机碳(TOC)及三卤甲烷生成势(THMFP)的代用参数，与THMFP 有很好的相关性，通常，可以由UV254表征水体中小分子有机物的多少，主要是指1000 D 以下的小分子物质，而超滤膜的截留分子量是为300 ～2000，因而超滤对UV254的去除仍然有优势。不同膜通量下UV254去除效率见图4。

表2 超滤与砂滤技术经济指标对比

图4 不同膜通量下对UV254的去除效果

由图4 可知，超滤对UV254的平均去除率为9.06%。当膜通量提高时，因为过滤速率增加，单位时间内通过膜过滤截面的水量增加，导致UV254去除率降低;但当膜通量增加到一定程度时，截留率又开始上升。分析认为，当通量较大时，随着过滤时间的累积，膜表面截留的物质微粒增加，形成截留物累积层，在过滤过程中起到了一定的截留效果，从而增加了超滤膜对UV254的整体去除率。试验说明，超滤对于UV254的去除率较低，但仍有一定的去除效果。据相关资料［5］，砂滤在负荷为8 ～10 m3/(m2·h)时UV254的去除率为5% ～8%，明显低于超滤。

3.4 超滤对细菌的去除效果

由图5 可知，超滤较原水相比较，对细菌的平均去除率约为90%。一般细菌大小为1 ～10 μm，杆菌长约2 ～3 μm，超滤孔(30 nm)要远小于细菌的大小，理论上细菌可以完全被截留，但由于管体污染，截留率难以达到100%。事实上，超滤出水细菌指标已经达到国家卫生标准。砂滤孔隙一般为300 ～1 000 μm，对细菌截留率约10% ～20%，远低于超滤。此外，超滤对藻类去除率大大优于砂滤。

3.5 超滤、砂滤工艺特性和技术经济指标对比

图5 超滤与砂滤对细菌的去除效果对比

由于超滤具有稳定的操作条件，对浊度物质具有优异的分离性能，对微污染物也具有一定截留效果，较之砂滤有明显的技术优势，可以通过超滤和砂滤的技术经济比较，讨论超滤取代砂滤的可行性分析。以生产能力为1 万t/d 的自来水厂为例，超滤与砂滤工艺的各项技术经济指标比较见表2。

由表2 分析可知，超滤技术对浊度、CODMn及UV254分离性能好，出水水质有保障;超滤工艺占地面积小，投资成本低，建设周期短，有较好的自动运行控制条件，较砂滤有较好的技术优势，可以用于传统净水工艺，取代砂滤工艺。超滤投资成本及运行费用虽略高，但是可以接受的。

4 结 论

a. 超滤工艺具备高精度的分离能力，其产水水质稳定，可达到国家饮用水水质标准。超滤与传统砂滤工艺相比，占地面积小，跨膜压差低，膜通量较大。其工艺水平和主要技术经济指标优于砂滤工艺。

b. 超滤工艺的产水浊度可控制在0.1 NTU 以内，远低于GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》的要求。超滤工艺对CODMn、UV254等指标具有一定的去除率，可满足在原水轻微污染的情况下处理达标要求。

［1］张林生. 水的深度处理与回用技术［M］. 2 版. 北京:化学工业出版社，2009.

［2］马蓉，吕锡武，李发战，等. 超滤组合工艺出水及消毒方法［J］.水处理技术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］秦钰慧，凌波，张晓健. 饮用水卫生与处理技术［M］. 北京:化学工业出版社，2002.

［4］董秉直，李伟英，秦祖群，等.用超滤膜处理长江水［J］.膜科学与技术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. 中国饮用水的水质问题［M］. 北京:清华大学出版社，2001.