新型超滤技术在净水厂的应用

叶书荣，冯暨伟

(华电水务控股有限公司，北京　100160)



新型超滤技术在净水厂的应用

叶书荣，冯暨伟

(华电水务控股有限公司，北京100160)

摘要：介绍了超滤技术的特点，结合漯河某净水厂项目，对比了压力式超滤系统和浸没式超滤系统的膜组件参数、建设成本及运行成本等，确定压力式超滤膜系统可以长期维持较高膜通量运行，较浸没式超滤系统更具技术、经济优势。最后指出，在净水厂采用“混凝沉淀+超滤”的新型短流程工艺，应优先选择铁盐混凝剂，严格控制沉淀池出水的混凝剂和助凝剂残余量。

关键词：净水厂；自来水；超滤膜；压力式超滤系统；浸没式超滤系统

0引言

随着社会经济的高速发展，人民生活水平日益提高，城市饮用水水质要求更加严格，供水保证率和供水安全度将会不断提高，尤其是体现感官性状、一般化学指标以及微生物含量等综合情况的浊度指标日趋严格。超滤技术是第3代饮用水处理工艺，其产水浊度低且稳定，可以有效去除水中的微生物，极大地提高饮用水的生物安全性。漯河某净水厂是一座采用超滤技术新型工艺路线的现代化自来水工厂，水厂水源为南水北调中线工程水源，工程处理规模2.5万t/d，采用“高密度沉淀池+外压式超滤”的新型短流程工艺，投资费用低，产水水质能满足国家标准。

1超滤技术的特点

具备“安全保障、运行稳定、成本经济”特点的自来水技术才是值得大力推广实施的技术。长久以来，自来水厂都是采用传统的净水处理工艺，即“混凝+沉淀+过滤+消毒”。传统工艺在工艺路线和形式上的选择都已十分成熟，但其抗冲击负荷小，当来水水质波动，特别是短时高浊度的原水冲击对产水水质影响较大时，会直接导致产水水质不合格。

我国对饮用水的安全十分关注，在已全面实施的GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》中提出了106项污染物控制指标，其中对贾第鞭毛虫(直径为5～15 μm)和隐孢子虫(直径为3～5 μm)的去除要求是首次提出。传统砂滤池的过滤精度无法满足对“两虫”的去除要求，因此，新的过滤技术需要引入传统的自来水行业中。超滤膜的过滤孔径小于0.1 μm，可绝对去除“两虫”。

超滤技术已被工程用户广泛接受，是一种成熟可靠的过滤技术，主要应用于反渗透前的预处理，具备产水水质和水量稳定、自动化程度高、运行状态稳定的特点，可以很好地满足后段工艺的需要，在电厂和回用水项目上得到广泛应用。国外已有采用超滤技术稳定运行的自来水厂，超滤的出水水质明显高于我国的生活饮用水卫生标准，其产水水质一般能满足以下要求：悬浮物(SS)质量浓度≤1 mg/L，浊度≤0.1 NTU，细菌去除率≥99.99%[1]。

目前，用水量的需求在不断增加，但自来水厂附近可能已无可供使用的土地，超滤技术所需占地面积是传统过滤技术所需占地面积的一半，节省土建费用；另外，随着超滤膜成本的降低，超滤技术应用在市政自来水处理，将会体现其“技术先进、水质稳定、节省空间、经济高效”的优点。与传统水处理工艺相比，超滤工艺更能确保饮用水水质的安全，并且具有绿色、高效、节能、工艺简便、过程易控制等优点，是新一代饮用水净化工艺的较佳选择。

截至2013年，我国采用膜处理工艺的净水厂运行规模已超过338.91万m3/d，多年的研究和工程实践使其技术更加成熟、系统投资和成本逐年降低，运行管理经验逐渐丰富。

2压力式超滤及浸没式超滤形式比选

漯河某净水厂项目设计过程中，业主方根据下游用户需求确定了采用超滤技术作为净水厂的主要技术路线，并调研了目前国内超滤工艺应用于市政给水的新建项目，主要有两种实现途径，一种是成套机架设备形式的压力式超滤路线，另一种是采用土建膜池结构的负压抽吸浸没式超滤路线，对于采用哪种超滤形式，对比分析如下。

2.1超滤膜组件参数对比

在超滤系统运行过程中，外界需提供一定的压力或吸力作为驱动力，驱动力大于膜过滤的总阻力才能顺利产水。超滤膜作为过滤材料存在极限通量，即当膜表面形成凝胶层后，若再增加超滤压力，则会出现凝胶层厚度增加而溶剂通量不增加的现象，这是由于增加的压力差被凝胶层阻力所抵消，这时的渗透通量为极限通量[2]。

超滤膜在低通量运行时，水流流速较小，膜通量符合达西公式[3]

式中：J为膜通量；ptm为膜两侧的压差；μ为水的黏度；Ft为膜过滤的总阻力。膜过滤的总阻力包括膜自有阻力、可逆膜表面污染物累积阻力和不可逆污染累积阻力，其中：膜自有阻力由膜材质亲水性、孔径大小、孔隙率、膜断面结构等特性所决定，可逆膜表面污染物累积阻力可采取日常气洗、反洗及化学清洗方式去除。

超滤系统一般在恒流或恒压模式下操作。在恒定的压力下，一段时间后超滤膜通量会因为膜污染而下降。大多数的超滤系统采用恒流过滤模式，通过变频水泵来提供逐渐升高的产水驱动力，以克服膜污染而导致的阻力，维持超滤系统稳定的产水流量。超滤系统运行的跨膜压差为20～300 kPa，通常情况下，超滤系统典型值的范围为50～200 kPa[4]。

由于浸没式超滤膜的产水驱动力源于离心泵的负压抽吸，为避免真空度过高而导致水中溶解性气体溢出，损害管道或水泵等设备，最大抽吸压力一般为-80～-70 kPa，因此，实际运行过程中，当膜表面截留污染物累积造成膜阻力增加时，用于克服阻力的产水驱动力仅限于80 kPa以内。而压力式膜组件是通过水泵将水输送至膜壳内形成产水驱动力的，因此，运行过程中可通过增大进水压力维持较高的产水量。

市政自来水处理过程中，超滤膜组件需要具有更高载污能力的组件结构，保证组件在使用过程中能稳定运行。膜表面的污染清洗可选用水洗或气水擦洗模式，要求膜丝材质能长期耐高浓度的氧化性药剂且能保证强度，延长膜元件的使用寿命，同时要求膜元件的孔径小且分布均匀，能够去除微小颗粒、细菌、病菌和胶体等。

为进行有效的比较，选取了同一家公司生产的压力式超滤膜元件和浸没式超滤膜元件，其参数对比见表1。

表1　膜元件参数对比

2.2建设成本对比

压力式超滤系统比浸没式超滤系统占地面积略小，无需膜池，但膜前需要中间水池，因此总的土建投资差别不大。在设备投资方面，浸没式超滤系统所需的工艺设备较多，如膜池排空泵、真空泵、膜擦洗风机等，对电气控制系统的要求也更高。伴随超滤膜的技术革新和价格竞争，超滤膜的售价较10年前有了大幅度降低，国产品牌的膜产品目前售价约为150元/m2，进口品牌膜产品目前售价约为220元/m2，已不足10年前售价的50%。漯河某2.5万t净水厂超滤系统的建设成本对比见表2。

表2　2.5万t净水厂超滤系统建设成本对比

2.3运行成本对比

参照全生命周期评价体系，对净水厂项目所选择超滤形式的运行成本进行评价。除超滤膜外的设备使用年限按20年计算，超滤膜按每3年更换1次计算，电费按0.56元/(kW·h)计算，设备每年的润滑、维修、保养费用按设备总价的1.2%计算，漯河某净水厂项目超滤系统制1 t水的成本对比见表3。

由于压力式超滤系统的提升压力高于浸没式超滤系统的抽吸压力，因此，能耗略高于浸没式超滤系统，但其膜通量选择范围较大，可采用相对少的膜数量，更换膜的费用远低于浸没式超滤系统。对比漯河某净水厂项目的建造成本和运行成本可以看出，压力式超滤技术经济评价更有优势。

表3　超滤系统制水成本对比　元

2.4超滤应用对比

浸没式超滤工艺相对于压力式超滤工艺的优势是可利用原有的砂滤池改造作为膜池，并且可节省动力提升的电耗；缺点是浸没式超滤工艺膜通量较小，一般为30～40 L/(m2·h)，对应的膜数量较大，膜更换费用高。这两种工艺目前均有一定的应用业绩，在系统设计、运行成本、一次性投资等方面略有差异，见表4。

3净水厂工艺方案

3.1净水厂工艺流程

通过比选，漯河某净水厂最终选定采用外压式中空纤维聚偏氟乙烯(PVDF)超滤元件的超滤系统。结合水源水质特点，建议超滤系统前设置絮凝沉淀工艺，降低原水的SS质量浓度和浊度，减轻超滤膜系统的冲击负荷，有效保证后续系统稳定运行。原水经过超滤装置可有效去除水中的颗粒物质和胶体，超滤系统回收率在90%以上。

为保证超滤系统稳定运行，需要设置超滤化学清洗系统，以控制水体中污染物对超滤膜的污堵，维持较高通量稳定运行，延长超滤膜的使用寿命。在超滤系统产水过程中引入反洗气洗系统，通过由内向外的反洗水流，配合空气擦洗振动膜丝，能有效地控制污染物在膜丝表面的积累，保证超滤膜稳定运行。在水厂日常生产过程中，超滤系统具备判断膜丝是否有破损或断丝现象并准确定位受损膜元件的膜丝完整性检测系统，方便进行维修和更换膜元件。漯河某净水厂工艺流程如图1所示。

图1　漯河某净水厂工艺流程

3.2净水厂预处理技术对超滤系统的影响

超滤技术使用精细的高分子材料过滤单元，因此超滤系统对进水有一定要求，必须设置预处理设备。在净水厂中，饮用水源一般为Ⅰ类或Ⅱ类水体，通常设混凝沉淀工艺装置，位于超滤系统前段的混凝沉淀工艺所投加的药剂和残留量对超滤膜系统存在一定的影响。在混凝剂的选取上，一般优先采用铁盐混凝剂[5]，铁盐絮状胶体颗粒团粒径较大，更利于超滤膜去除，其出水浊度优于采用铝盐混凝剂。另外，混凝剂反应不充分时，会在后续工艺中继续进行絮凝反应，造成产水浊度升高。在高密度沉淀池中会投加助凝剂，通常采用有机高分子助凝剂聚丙

表4　自来水行业中浸没式超滤和压力式超滤的应用对比

烯酰胺(PAM)，其分子量很高，有很强的黏性，残留的PAM对超滤膜有较大的污堵影响，一定要将预处理出水中PAM的含量控制在安全值范围内。因此在净水厂运行过程中，对于沉淀池出水中混凝剂和助凝剂的含量应进行重点监控。

4结束语

超滤技术在市政自来水领域推广并实施，以南水北调工程为水源的漯河某净水厂成功采用该技术，能确保其水质安全、可靠。膜材料更换成本仍是超滤系统的主要运行费用，在日处理量为2.5万t的新建项目上采用压力式超滤工艺比采用浸没式超滤工艺经济性更好。采用“混凝沉淀+超滤”的短流程净水新工艺时，应优先选择铁盐混凝剂，严格控制沉淀池出水的混凝剂和助凝剂残余量。

参考文献：

[1]沈裘昌，雒安国.给水工程中超滤膜的应用分析[C]//2011膜法水处理技术研究与应用国际会议.哈尔滨：中国科学技术部国际合作司，2011：36-50.

[2]张建明，李亮，李星.浸没式方型超滤膜装置处理沉后水的中试研究[J].供水技术，2013(1):14-17.

[3]肖友道,张维佳,王东田,等.运行参数对浸没式超滤膜污染影响中试研究[J].水处理技术,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]李晓波，吴水波，顾平.铁盐和铝盐混凝微滤工艺除As(V)的比较研究[J].环境科学,2007,28(10):2198-2202.

(本文责编：刘芳)

收稿日期：2016-02-23；修回日期：2016-03-16

中图分类号：TU 991.2

文献标志码：B

文章编号：1674-1951(2016)03-0014-03

作者简介：

叶书荣(1977—)，男，福建建瓯人，工程师，从事水处理工程管理方面的工作(E-mail:53546523@qq.com)。