中空纤维膜技术在饮用水处理中的应用

王婷婷，孙文挺，冯 磊，刘露露

(1.天津市渤海海洋监测监视管理中心 天津300070；2.天津膜天膜科技股份有限公司膜材料与膜应用国家重点实验室 天津300457)

0 引 言

水是万物之源，是一切生物生存的物质基础，是社会生产必需的基本资源之一。开发利用水资源，实现水资源优化配置、合理使用、有效保护和安全供给，对于促进经济社会发展、提高人民生活水平和保障国家安全具有重大的战略意义。然而近年来，水环境污染加剧，饮用水源水质恶化，我国饮用水资源短缺问题日益严重。据统计，我国人均淡水资源仅相当于世界人均的1/4，被列为世界上最缺乏淡水的13个国家之一，近 700个城市中有 60%存在供水不足的问题，其中近 20%严重缺水，全国城市年总缺水量近6×109m3[1-4]。因此，采用高效合理的饮用水净化处理工艺，充分利用有限的饮用水资源，确保饮用水安全，是关乎国计民生的重要研究课题。

饮用水供给行业一方面面临着水源水质恶化的现状，另一方面又面临着饮用水水质要求更严苛的压力。在现有净水工艺的条件下，饮用水的生物安全性、化学安全性等方面出现了诸多问题。因此，为持续保证饮用水水质要求，确保供水安全，除了不断加大力度控制饮用水水源污染，改善水源水质外，还要根据实际工程技术条件，采用强化常规处理工艺，增加预处理或膜法深度处理工艺等饮用水处理技术，以满足长期稳定、安全的饮用水供水要求[5-10]。

本文着眼于饮用水净化处理各发展阶段的特点，从饮用水处理技术和膜技术的发展历程出发，着重介绍中空纤维膜技术在饮用水处理中的应用，以期为饮用水处理技术的持续发展和改进提供一定的借鉴。

1 饮用水处理及中空纤维膜技术概况

1.1 饮用水处理技术的发展历程

公元前 2000年，饮用水处理最早在古希腊和古印度出现文字记载，人们用木炭处理饮用水。公元前1500年，古埃及人首先发现了混凝沉淀原理，用明矾(KAl(SO4)2·12H2O)去除水中颗粒物。1804 年，英国设计了第一个利用慢速砂滤处理的城市饮用水处理厂。19世纪 90年代，乔治·富勒(George Fuller)发现混凝沉淀和快速砂滤池结合使用可以更好地去除病原微生物，美国一些水厂开始采用混凝沉淀和快速砂滤来确保饮用水安全。1900年，英、美等国开始对饮用水进行氯消毒，杀灭病原微生物，而后将沉淀、慢滤、快滤和氯消毒工艺组合，在全世界得到十分广泛的应用，目前仍然是全世界的主流饮用水净化工艺。混凝、沉淀、过滤、消毒的常规净水处理工艺被称为第一代净水技术[11]。

20世纪70年代，水环境污染使城市饮用水中出现了诸多对人体有毒害的微量有机污染物和氯化消毒副产物，其中不乏致癌、致畸、致突变物质(三致物)。在此背景下，人们在第一代净水处理工艺基础上增加了臭氧-活性炭深度处理工艺，即为第二代工艺，去除和控制水中的有机污染物和氯化消毒副产物，提高饮用水的化学安全性。

20世纪末，水环境污染加剧导致水中污染物种类不断增加，同时，第二代净水工艺中的颗粒活性炭为微生物的繁殖提供了场所，以“两虫”——贾地鞭毛虫和隐孢子虫为代表的微生物具有较强的致病性和抗氯性，1993年美国两虫病爆发感染了40多万人[3]。类似的重大饮用水生物安全性问题，再次引起人们的关注。以膜技术为核心的新一代组合工艺不仅对颗粒物和细菌有很好的去除效果，对有机物和其他毒害物质也能起到很好的控制作用，可以有效提高水的生物安全性和化学安全性[12]。

1.2 膜技术在饮用水处理中的应用

膜分离技术被称为“21世纪的水处理技术”，在饮用水处理领域的应用日益广泛。18世纪中叶，人们初步认识膜，了解膜的基本特性。到 19世纪中叶出现了第一张人工膜。1987年，世界第一座膜分离水厂在美国科罗拉多州的 Keystone建成投产，处理能力为 105m3/d。1988年，第二座水厂出现在法国阿蒙科特(Amoncourt)，其规模为240m3/d。20世纪90年代，由于高端饮水需求，我国出现大批以活性炭吸附、反渗透工艺为主的直饮水项目。21世纪初，台湾金棠公司在高雄用自制平板超滤膜和进口反渗透膜双膜法，改造了 30万 m3/d深度处理工程；2007年，该公司又用国产 PVC中空纤维膜取代平板膜，建成30万m3/d双膜法深度处理水厂[1,13]。

目前，世界上应用膜分离技术的自来水厂越来越多，南水北调、引滦入津、水质提标改造，日处理能力在几十万吨的大规模水厂也开始采用膜分离技术。膜分离技术的高速发展及成本的不断降低，为其在饮用水处理中的广泛推广应用扫清了障碍，为缓解城市供水压力，全面提升饮用水品质提供了坚定的技术支持和稳定保障，膜分离技术在饮用水处理中的应用也成为饮用水净化提质的研究热点。

1.3 中空纤维膜的优势和特点

中空纤维膜具有单位体积装填密度高、过滤面积大、占地面积小、成本相对较低、分离效果好等优势，利用其优势，可以将该技术应用于气体分离、海水淡化、水处理、膜曝气以及生物医学工程等方面。其中，聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜应用最为广泛，也是当今世界公认的优秀膜材料，主要特点为：

①抗氧化性强，常用于氧化性药剂清洗。

②化学稳定性好，耐酸碱、抗老化性强。

③用于制膜柔韧性好，延展性强，使用安全。

④耐污染，易清洗，使用气水双洗，容易清洗恢复，从而节水节能[14-15]。

2 以中空纤维超滤膜为核心技术的第三代城市饮用水净化工艺

超滤是绿色无害的物理分离技术，不仅可以降低水的浊度、杀菌，而且几乎能去除全部致病微生物，使出水水质的各项指标达到饮用水新国标要求。经超滤处理后的饮用水，其消毒副产物生成量大幅减少，从而提高了饮用水的化学安全性。另外，将超滤技术与第一、二代技术进行组合，可使出水水质提高且出水量增加，但对溶解性中小分子量污染物以及高浊度水的处理效果较差。为了获得优质水，需要增设膜前处理单元和膜后处理单元。目前，将超滤视为第三代城市饮用水净化工艺的核心技术，是城市饮用水处理发展的新方向。

2.1 膜前处理技术

为了保证膜不受机械损伤，保持良好的过滤效果，针对水中不同的污染物和目标物，膜前需要采用不同的处理方法。

①混凝：可使颗粒物、微生物、大分子有机物及部分溶解物质生成可为超滤去除的颗粒物，而且还能除磷。

②吸附：目的是去除中等分子量有机物。

③生物处理：利用生物氧化和吸附去除小分子量有机物，其中利用生物氧化除氨氮效果显著。

④化学氧化：可提高混凝、吸附、生物处理的去除效率，且针对不同目标物，采用不同氧化及高级氧化方法。

2.2 膜后处理技术

单独的超滤技术能将水中致病微生物几乎全部去除，出水可达到新国标对新生物指标的要求，所以原则上对膜出水不必再进行消毒，但为防止二次污染，需向水中投加少量消毒剂。因此，消毒副产物的生成量显著减少，膜后处理技术应使水保持生物稳定性和化学稳定性。

2.3 常规工艺与超滤单元组合工艺

2.3.1 在常规工艺后设置超滤单元

改进后其典型的工艺流程为：原水→混合→絮凝→沉淀→过滤→超滤→出水。超滤单元的设置，不影响原常规工艺的运行，易于执行，但增设超滤单元，增加了建设和运行费用。由于原常规工艺中没有可利用的水头，若采用内压式超滤膜组件，需在膜单元前增设加压泵，若采用外压式超滤膜组件，需在膜单元后增设抽吸泵。

2.3.2 用超滤单元取代常规工艺中过滤单元

改进后其典型的工艺流程为：原水→混合→絮凝→沉淀→超滤(原为过滤)→出水。利用超滤单元取代常规工艺中的过滤单元，可处理适宜常规工艺应用的所有水，且对膜前处理不必进行大的改造，因不需增设新的大型净水构筑物，建设费用较低，而且可以利用原过滤水头，有利于降低运行费用。但将滤池改造成超滤单元，会一定程度影响常规工艺的运行。

2.3.3 用超滤单元取代常规工艺中沉淀和过滤单元

改进后其典型的工艺流程为：原水→混合→絮凝→超滤(原为沉淀和过滤)→出水。此工艺由于膜前没有沉淀单元，故适用于浊度较低的原水水质，而且对于水质优良的原水，可进行无药剂处理。另外，它还可充分利用原工艺中沉淀和过滤单元的空间，建设费降低，并显著提高产水量，而且可以利用原工艺大部分水头，有利于降低运行费用。但将沉淀池和滤池改造成超滤单元，会影响原工艺的运行。

2.3.4 其他几种超滤组合工艺

①在采用气浮常规工艺后，用超滤单元取代过滤。

②在澄清池、高密度沉淀池后，用超滤单元取代过滤。

③在澄清池、高密度沉淀池内的出水区设置超滤单元。

3 中空纤维超滤膜技术在饮用水处理中的应用案例

3.1 东营第二自来水厂

东营第二自来水厂(图1)的水源为东营垦利县永镇水库水(黄河水)，经该厂处理后，供工业园区用水和东营市市政自来水。该厂一期工程膜车间浸没式超滤系统设计规模为5万m3/d，分为6个膜池，单池设计产水量为 8750m3/d，于 2011年 8月投入使用。水厂采用“调蓄预沉+加氯消毒+折板絮凝平流沉淀池＋浸没式超滤”工艺，出水水质的浊度≤0.1，藻类、两虫、细菌以及病毒去除率显著提高。

图1 东营第二自来水厂现场图Fig.1 Spot map of second waterworks in Dongying

3.2 江苏金坛第三自来水厂

江苏金坛第三自来水厂(图2)的水源为江苏金坛钱资荡湖水(长江水)，该厂处理后，供金坛市政自来水。该厂采用“调蓄预沉+加氯消毒+气浮除藻+炭砂滤池+压力式超滤”工艺，设计一级 8套和二级 1套，共计 864支，每个机台设计 100支 UOF—4d超滤膜元件，膜设计通量为65LMH。

改善工艺后，出厂水委托国家城市供水水质监测网无锡监测站检测，出厂水完全符合 106项标准，达到设计要求，并且许多检测项目还优于国标限值。譬如浊度一般低于 0.02NTU，远远低于国家标准(1NTU)。另外，色度、嗅和味等感官性状与一般化学指标、微生物学指标等都得到了严格的控制，尤其是让市民最敏感的嗅和味得到明显的改善。

图2 江苏金坛第三自来水厂现场图Fig.2 Spot map of third waterworks in Jiangsu Jintan

3.3 泰安市三合水厂

泰安三合水厂(图3)改造项目采用“高锰酸钾预氧化+混凝沉淀池+浸没式超滤膜”净水工艺。项目改造规模与原供水能力一致，仍为 10万 m3/d。为了不影响水厂正常供水，在三合水厂东临新征5173m2土地，用于建设膜处理车间和加氯加粉炭间。在原水厂实施其余改造工程如清水池、加药间、絮凝沉淀池等。

三合水厂改造完成后，于2013年12月正式投入运行，出厂水能够达到国家最新的 106项水质标准，浊度只有 0.1NTU，细菌、病毒以及两虫等几乎为零[20]，三合水厂制水工艺及出厂水质均可达到国内领先水平。

图3 泰安市三合水厂现场图Fig.3 Spot map of Sanhe waterworks in Taian

3.4 石家庄良村自来水厂

石家庄市南水北调配套工程——良村开发区地表水厂(图 4)一期工程属于市政基础设施工程，是合理开发利用南水北调水资源、保障区域经济社会可持续发展的重要基础条件，也是地区经济发展的重要举措。良村开发区地表水厂一期工程建设规模为15万 m³/d，总规模为 30万 m³/d，水源来自南水北调工程中线[25]。

该水厂于2017年3月投入运行，采用PVDF浸没式超滤膜，经处理后，出水浊度＜0.1NTU，远低于国家水质标准的要求。

图4 石家庄良村自来水厂现场图Fig.4 Spot map of Liang village waterworks in Shijiazhuang

4 结 论

中空纤维膜技术在饮用水处理领域的应用具有划时代的影响意义，可以通过改变传统水处理工艺的净化机理，将水力沉淀、吸附等改变为机械过滤，可根据不同水质要求，采用不同精度的分离技术，从而获得符合要求的出水水质。

本文从饮用水处理技术发展现状出发，介绍了自来水厂、饮用水处理技术以及膜技术的发展现状，总结了饮用水处理工艺的重要性以及水处理面临的挑战，超滤水处理技术的出现有效解决了水处理技术方面长久存在的问题，大幅提高了出水水质，出水浊度小于 0.1NTU，远远低于新水质标准要求。另外，本文重点介绍了中空纤维超滤膜的优势、设计要点及其应用，展现了超滤膜技术在当代水处理技术方面的重要作用。最后，根据目前研究现状及工程应用中存在的问题，对以后研究方向做出了大致规划，中空纤维超滤膜技术将是饮用水净化工艺新的发展方向。