超滤膜技术在农村饮水安全工程中的应用

胡 波，孙佳佳，石 杰，刘晓伟，林展华

(海南立昇净水科技实业有限公司，海南 海口 570100)

水作为人体新陈代谢所需的重要物质,若是水质得不到保障，势必会影响人体健康。饮水安全，实乃民生大事。习近平总书记强调，“不能把饮水不安全问题带入小康社会”。国家农村饮水安全工程“十三五”规划也制定了一系列建设任务：2016年开始，我国坚持创新、协调、绿色、开放、共享的理念，启动实施农村饮水安全巩固提升工程，进入了农村供水的新阶段。截止2020年，各省市的农村饮水安全问题在一定程度上取得了成效，然而在建设过程中也会存在不足之处，暴露出一些解决方案的问题点。

城镇自来水管网覆盖行政村这一解决方案在一些发达、地势平坦的农村地区取得了良好的效果，得到了村民对政府为人民办实事、建设民生工程的认可与赞许，且相对其他方案来说，建设与维护成本较低。但目前仍未能实现饮水安全工程建设的区域大多集中在山区丘陵地带，此时相对于其他方式便建设与管理成本偏高。此时，一体化设备通过将自来水厂传统工艺进行精简化，装配自动电子控制系统来实现水质净化处理，进行集中供水的解决方案出现。近几年一体化设备在运行建设工程中，在一定程度上弥补了市政管网铺设覆盖行政村的空白区，有效缓解了部分地区的饮水安全工程建设的迫切性。在后期运行过程中也会存在以下问题：

1) 产水浊度随原水浊度波动，呈现正相关，抗冲击能力差。

2) 因设备空间局限性，水流停留时间较短，为保证出水水质，药耗较大。

3) 沉淀池、过滤池易板结。

农村自然环境与人文环境复杂，要想有效解决农村饮水安全问题，就需要透彻了解农村饮水安全问题的根本所在。因此，在农村地区的大量走访与详细调查研究之后，发现农村饮水问题存在以下方面问题，需要我们针对性解决问题。

1 农村饮水特点与挑战

1) 传统、落后的分散式供水为主

我国农村仍以传统、落后的分散式供水为主，农村供水点规模小，用户居住分散。

2) 水源类型多样性，水质问题复杂

水源主要以地下水、山泉水、河水、水库水、山塘水、水窖水为主，部分水源受季节变化和雨季影响较大，水源水质不达标后，难以寻找替代水源。供水水质存在浑浊度、有机物、微生物、铁、锰、氟化物、砷等超标问题，水质安全得不到保障。

3) 以传统处理工艺为主，应急能力差

部分村级水厂原水基本不经任何处理工艺直接供给村民；或经简单的消毒处理后供给村民。村镇级水厂基本采用传统的“混凝+沉淀+过滤”工艺或一体化净水设备。这些处理系统对原水水质突变的应急功能差，抗冲击能力小，处理系统的出水浊度通常在1～3 NTU之间，特殊情况可超过10 NTU；难以确保微生物安全性，存在很大的健康安全风险；一体化设备因水流在设备内停留时间短，为保证出水水质，需要的絮凝剂与消毒剂用量增加，吨水成本较大。消毒剂增大之后，口感与嗅觉感官下降，引起村民反感。

4) 管理问题

供水点规模小、数量多、分散，运营管理不到位。

5) 水质监督，安全饮水意识问题

村镇饮水工程供水水质监督普遍不到位，检测频次低，甚至有很大一部分饮水工程从建成通水以后，再没做过水质检测，老百姓仅靠感官判断水质的好坏。同时，大部分的村、镇水厂由私人或私营企业承包经营，以追求利润为主，对供水成本比较敏感，在缺乏充分监督的情况下，水质安全无法保障。[1-3]

2 农村饮水安全问题解决的技术要求

适用于解决农村饮水安全问题的技术与方法应具备以下条件：

1) 稳定高质量的出水，能有效保障水质安全，特别是微生物的安全性；

2) 工艺组合方便、适于各类水质；

3) 投资及运行成本低；

4) 人工要求低，设备管理简单；

5) 分散式系统，适用于农村地区居住分散的特点。

具备以上条件的小型一体化超滤膜设备应运而生，通过“全自动化运行、物联网监控管理、区域性集中运行管理”来针对性解决农村饮水安全问题建设中的问题点。

3 技术应用方案

超滤净水技术是单纯的绿色物理分离技术，被称为“第三代饮用水净化工艺”，其能够有效解决第一代和第二代工艺中存在的化学安全性和微生物安全性问题，是目前饮用水净化领域中的主流先进技术。超滤膜过滤孔径一般为0.01 μm，能有效截留水体中的颗粒物、胶体、细菌、病毒、大分子有机物、两虫等有害物质，出水浊度小于0.1 NTU，同时保留水中有益的矿物质元素。且出水水质好，抗冲击负荷能力强，几乎不受进水水质波动的影响，出水浊度小于0.1 NTU、可完全去除藻类、细菌、病毒、贾第虫、隐孢子虫、红虫等，能够有效保证微生物、浊度等水质的安全性。立升超滤膜产水浊度示意见图1，原水(山坑水)与过滤后水样对比见图2。

图1 立升超滤膜产水浊度示意

图2 超滤膜过滤前后水样对比

3.1 地下水或者水质稳定的山泉水

使用地下水或者水质稳定的山泉水水厂，这类项目水源水质相对好，水质稳定，主要存在的问题是微生物和浊度。针对不同的供水工艺，采用压力式超滤膜设备，充分利用现有的构筑物以及水头，将超滤膜设备与现有供水工艺组合。

1) 利用高位水池或者水塔供水

现供水工艺：

原供水现状：

① 有原水且水量充足可以满足用水量；

② 原水经潜水泵提升后进入高位水池，高位水池水通过已经建好的管网入户。

改造后供水工艺为：

工艺特点：

① 高位水池，供水经过超滤膜装置净化处理后直接供入管网到用户家；

② 高位水池的高差作为动力来源，超滤设备出水满足最大时用水量，改造后不增能耗，且避免高位水池的二次污染。

2) 利用加压设备供水

现供水工艺：

现供水情况：

① 有原水且水量充足可以满足用水量；

② 目前铺设的管网可以使用的。

改造后供水工艺为：

工艺特点：潜水泵作为动力来源，超滤设备出水满足最大时用水量，改造后不增能耗。

3) 以上几种供水工艺中，若水质检测含有铁、锰等重金属或氟化物超标，需在潜水泵后增加1套除铁、除锰设备或除氟设备。

① 铁、锰、氟、砷超标

② pH超标

同理，耗氧量、氨氮等超标，则需增加相应处理设备。

3.2 水源水质波动大、高浊度或者高藻项目

使用地表水或者某些山泉水的水厂，水质容易受季节变化影响，出现高浊度或者高藻水质波动，传统的水处理工艺无法承受高浊度的冲击或者藻类的问题。针对这类项目，可以采用浸没式超滤膜设备。设备有对浊度和藻类耐受度高，不受水质波动的冲击的特点。

现供水工艺：

原供水现状：

① 需要投加大量的絮凝剂以及消毒剂；

② 下雨天水质浑浊是，出水水质浊度不达标；

③ 水处理工艺缺乏管理，运行效果差。

改造后供水工艺为：

工艺特点：

① 原水进入浸没式超滤膜设备，利用膜池和清水池的液位差虹吸产水，过完后进入清水池；

② 不需要投加絮凝剂；

③ 通过超滤膜设备可去除原水中部分CODMn和全部细菌、病毒等微生物；

④ 利用虹吸产水，系统耗电量少。

3.3 运行维护管理方案

超滤膜技术因其自动化程度高，可实现物联网远程监控，在运行维护管理方面进行区域网格化管理，1个区县级农村饮水安全工程，2～3人，1部工程车即可实现超滤膜设备的运行维护管理。日常设备运行维护管理除去极少出现的硬件维修与更换外，超滤膜需要进行维护性清洗和化学恢复性清洗。超滤膜清洗所用的化学药剂每月成本按照膜面积进行计算，约为0.039 7元/m2(此数据来源于佛山高明、广州花都和云南勐腊应用案例，不同水质会有所区别，但出入不会太大，浮动在5%左右)。

4 应用案例

4.1 佛山市高明区洞心村膜法饮水安康工程

1) 工程简介

佛山市高明区洞心村膜法饮水安康工程位于广东省佛山市高明区洞心村，供水范围包洞心村，受益人口300人，供水规模为30 m3/d。

洞心村境内原有村民利用水塔供水，以山泉水为饮用水源，主要存在微生物、浊度、铁锰超标水质不达标，供水保证率低等饮水不安全问题。

2) 设计规模及工艺流程

本工程设计规模为30 m3/d， 工艺流程：山泉水→除铁锰设备→水塔→超滤→管网。

3) 技术特点

除铁锰工艺与超滤膜工艺组合，超滤产水直接进入管网，避免水塔(水池)的二次污染，保障供水水质(工程设备见图3所示)。

图3 佛山市高明区洞心村膜法饮水安康工程设备间与设备间内设备

4.2 佛山市高明区獭坑村膜法饮水安康工程

1) 工程简介

佛山市高明区獭坑村膜法饮水安康工程位于广东省佛山市高明区獭坑村，供水范围包獭坑村，受益人口275人，供水规模为30 m3/d。

獭坑村境内原有村民利用水塔供水，以山泉水为饮用水源，主要存在微生物、浊度、pH超标水质不达标，供水保证率低等饮水不安全问题。

2) 设计规模及工艺流程

本工程设计规模为30 m3/d， 工艺流程：山泉水→pH自动调节设备→水塔→超滤→管网。

3) 技术特点pH

自动调节工艺与超滤膜工艺组合，超滤产水直接进入管网，避免水塔(水池)的二次污染，保障供水水质(工程设备见图4所示)。

图4 佛山市高明区獭坑村膜法饮水安康工程设备间与设备间内设备

4.3 广州花都梯面水厂

1) 工程简介

广州花都梯面水厂位于花都区梯面镇，供水范围覆盖梯面全镇，受益人口为3 000人，供水规模1 000 m3/d。

梯面镇境内原有村民利用重力供水，以水库水为饮用水源，主要存在浊度、微生物超标水质不达标，供水保证率低等饮水不安全问题。

2) 本工程设计规模1 000 m3/d， 工艺流程：水库水→超滤→清水箱→管网。

3) 技术特点

采用浸没式超滤膜，并且膜直接过滤的工艺(工程设备见图5所示)。

5 结语

农村饮水安全工程供水规模不一而足，规模小且分布较散，而传统水处理工艺复杂，占地与投资大，管理难度大。而超滤膜技术模块化增减膜组件可实现不同的供水规模，占地小，远程监控可实现无人值守，大大减小管理难度与成本。且超滤膜设备运行稳定，产水稳定且综合成本低得到了广大村民与业主的一致好评，让农村群众看到了政府在小康社会建设中政府的决心与用心。超滤膜技术必定会在日后农村饮水安全工程建设中得到更多地区的选择与认可。

超滤膜技术在推广过程中也会遇到一些阻力，一是技术材料成本问题使得前期投资成本相较于一体化设备投资成本会有所偏高，虽然后期维护成本与运行效果是一体化设备无法比拟的，造成部分地区财政较难接受超滤膜这种新技术新模式。二是技术再先进设备再智能化，运维成本再低，也需要人员进行运维管护，避免设备长时间缺乏必要的维护造成积重难返。超滤膜技术推广阻力主要在于人为因素，而非自然技术因素，这就需要我们主管农村饮水安全相关领导部门多与超滤技术厂家相互协作，相互努力，共同为农村饮水安全工程建设作出贡献，为广大农民群众谋福利，避免农村饮水安全问题带入到小康社会。