旋轉錯流式超濾凈水工藝在農村飲水中的應用

阮清波，肖飛鵬，耿安朝，黃偉軍

（1.廣西壯族自治區水利科學研究院，530023，南寧；2.廣西水利電力職業技術學院，530023，南寧；3.蘇州膜海分離技術有限公司，215011，蘇州）

超濾凈水工藝是繼“混凝—沉淀—過濾—氯消毒”常規工藝和“臭氧—活性炭”深度處理工藝兩代飲用水凈化工藝之后，采用活性炭吸附和超濾處理的又一新型水處理工藝，它不僅能有效去除濁度，還能對水中的細菌和病毒進行有效地去除，并能在不含任何添加劑情況下去除水中的有機和無機污染物，保留對身體有用的物質，因此越來越受到供水行業關注。但從廣西的示范應用來看，作為超濾凈水工藝中常用的中空纖維膜超濾凈水工藝對原水有一定要求，使用地表水源要做好預處理過濾設施，才能有效延長超濾膜的使用壽命，而加強預處理措施除增加投資和管護成本外，有些方面也需專業人員管理維護，同時，頻繁的反沖洗也增加運行成本，這些因素限制了膜分離技術在農村飲水工程中的推廣應用。為探討簡化或取消預處理措施，結合蘇州膜海分離技術有限公司提出的旋轉錯流式超濾膜凈水創新工藝，通過立項“廣西農村飲水凈化工藝與關鍵設備研發與應用”等課題，探討了旋轉錯流式超濾凈水工藝在小型農村飲水工程中應用的可行性。

一、旋轉錯流式超濾凈水創新工藝設備研發情況

為使先進的超濾凈水工藝廣泛應用于水源水質復雜多變的小型農村飲水工程，我們開展了“廣西農村飲水凈化工藝與關鍵設備研發與應用”等研究，結合蘇州膜海分離技術有限公司提出的旋轉錯流式超濾膜凈水創新工藝，開展了旋轉錯流式超濾膜凈水工藝設備優化研究。經多年實踐探討和篩選，形成了處理能力分別為 4～5 m3/h、8～10 m3/h、25～30 m3/h等系列化旋轉錯流式超濾凈水工藝設備。

旋轉錯流式超濾凈水工藝設備開發的思路是：通過獨特的結構設計，利用轉盤式膜組件在水中的程控旋轉而實現主動錯流過濾。凈水工藝原理是：依靠膜組件在切向運行過程中產生的剪切力、離心力和濾液湍流，高效沖刷和清潔膜表面，提高并穩定膜通量，顯著改善膜污染，從而克服當前常用的中空纖維膜超濾凈水工藝超濾膜易堵塞、難清洗、維護管理繁雜等技術缺陷以及曝氣操作造成的低效率、高能耗、不適用于厭氧水處理和工業精濾等局限，提升膜技術的工業化應用水平。核心技術是基于平板式膜組件在濾液中的程控旋轉運行而實現主動式錯流過濾，消除膜操作過程中的濃差極化現象（而非靠濾液在膜表面切向運動所產生的被動式錯流）。

二、旋轉錯流式超濾凈水工藝設備典型應用及其效果

1.典型工程的選擇及凈水工藝設備

（1）典型工程的選擇

為了重點檢驗旋轉錯流式超濾凈水工藝設備可直接用于天然地表水、不需采取預處理措施這一突出特性和其他相關指標，典型工程選擇使用在汛期相對比較渾濁、污染雜質較多的紅水河干流河段水源的大化縣百馬鄉科優村飲水工程和使用紅水河二級支流羌圩河水源的大化縣羌圩鄉政府駐地飲水工程，以及使用易受降雨影響的淺層地下水水源的欽州市欽南區東場鎮關塘村委窖墩自然村飲水工程。各典型工程的凈水工藝流程為：

（2）典型工程水源水質及其選擇的工藝設備

①大化縣百馬鄉科優村飲水工程水源為紅水河干流河水，其汛期濁度變化較大，水質較差，根據2014年12月16日抽樣檢測結果，其渾濁度35.7 NTU，肉眼可見物有黃色泥巴沉淀，總大腸菌群540 MPN/100mL，耐熱大腸菌群240 MPN/100mL，菌落總數1 300 CFU/mL，均遠超國家飲用水衛生標準。工程采用蘇州膜海分離技術有限公司生產的MH/XZ100/010型旋轉式超濾凈水設備，其凈水處理能力為8～10 m3/h，按一天運行20 h計，相當于供水規模160～200 t/d。設備使用PES超濾膜片，平均孔徑0.04 μm，超濾膜面積100 m2，驅動轉盤膜組件的電機功率為1.50 kW、配套紫外線消毒器功率為80 W。

②大化縣羌圩鄉政府駐地飲水工程水源為紅水河一級支流靈岐河的支流——羌圩河河水，其汛期濁度變化較大，水質較差，根據2014年12月16日抽樣檢測結果，其渾濁度67.9 NTU，總大腸菌群大于1 600 MPN/100mL，耐熱大腸菌群1 600 MPN/100mL，菌落總數2 000 CFU/mL，均遠超國家飲用水衛生標準。工程采用蘇州膜海分離技術有限公司生產的MH/XZ050/005型旋轉式超濾凈水設備，其凈水處理能力為4～5 m3/h，按一天運行20 h計，相當于供水規模80～100 t/d。設備使用PES超濾膜片，平均孔徑 0.04 μm，超濾膜面積50 m2，驅動轉盤膜組件的電機為0.85 kW、配套紫外線消毒器功率為36 W。

③欽州市欽南區東場鎮關塘村委窖墩自然村飲水工程水源為淺層地下水，其受降雨影響濁度變化較大，水質較差，根據2013年6月14日抽樣檢測結果，其色度175°，渾濁度163NTU，肉眼可見物呈黃色、較多，總大腸菌群1 600 MPN，耐熱大腸菌群33 MPN，均遠超國家飲用水衛生標準。工程采用蘇州膜海分離技術有限公司生產的MH/XZ050/005型旋轉式超濾凈水設備，其凈水處理能力為2～3 m3/h，按一天運行 20 h計，相當于供水規模40～60 t/d。設備使用PES超濾膜片，平均孔徑0.04 μm，超濾膜面積50 m2，驅動轉盤膜組件的電機為0.85 kW、配套紫外線消毒器功率為36 W。

2.典型工程應用成效及水質測試成果

（1）典型工程水質抽樣檢驗結果

各典型工程從2014年1月安裝完成開始運行，到2017年5月底已運行近3年半，運行期間經當地縣（區）疾病預防控制中心抽樣檢測，各飲水工程使用旋轉式超濾凈水設備后，能高效去除水中懸浮與膠體微粒、生物大分子、細菌、原生動物、藻類等致病微生物，出水濁度小于2 NTU，總大腸菌群等于零，出水水質均達到或優于國家現行《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2006）， 各飲水工程的典型抽樣檢測結果見表1（其中大化縣百馬鄉科優村飲水工程和羌圩鄉政府駐地飲水工程為2014年12月16日的抽樣檢測結果，欽南區窖墩村飲水工程為2014年11月28日的抽樣檢測結果）。

（2）典型工程應用成效

①旋轉錯流式超濾凈水工藝設備取消了傳統工藝中瓷砂和活性炭過濾以及加氯環節，無須更換耗材，無須像中空纖維膜超濾凈水工藝那樣頻繁反沖洗和設置預處理保安過濾，即可實現高效錯流過濾和膜表面自我清潔，抗污染能力強，不易堵塞。

②在3年半的運行期間經歷了各年度中的季節性水源水質變化，特別經歷了降雨時濁度的較大變化，目前運行正常，觀測表明，旋轉錯流式超濾凈水工藝設備出水通量沒有減少，出水水質達到或優于國家現行生活飲用水衛生標準。

③旋轉錯流式超濾凈水工藝設備水質凈化仍是一種物理過程，不需發生相的變化和添加助劑，保持原水干凈時的口感，受到農村群眾普遍歡迎，避免加氯消毒易引起群眾反感、不愿意添加使用的尷尬。

表1　典型工程凈水設備進、出水水質對比表

表2　小型農村飲水工程典型凈水工藝應用效果及相關指標比較表

3.旋轉錯流式超濾凈水工藝設備與其他典型凈水工藝設備的應用比較

旋轉錯流式超濾凈水工藝設備通過完善形態設計，解決污堵問題，實現膜表面自清潔；膜基體進行納米表面修飾，排斥有機物黏附，形成荷葉效應，具有獨特的旋碟自凈效果。不需設置預處理措施，不用像中空纖維膜超濾那樣預置濾芯、濾柱等需要頻繁更換的裝置，可直接抽取各種水源水進行凈化，出水水質滿足要求。成套設備可由PLC程控自動控制，無須人工干預；旋轉錯流自身制水成本不到0.1元/m3，具有較好的經濟性。

旋轉錯流式超濾凈水工藝設備典型應用成效及與其他典型凈水工藝比較見表2。

三、結 語

①旋轉錯流式超濾凈水工藝設備集膜分離和紫外消毒技術于一身，加載0.04 μm平板式PES超濾膜片，除可高效去除懸浮微粒、膠體和天然大分子物質外，還能將水中的細菌、原生動物、藻類等致病微生物全部去除，出水即可穩定達到或優于國家現行生活飲用水衛生標準。

②旋轉錯流式超濾凈水工藝無須采取預處理措施，能直接凈化可能出現較大濁度變化的天然地表水，出水量無明顯下降，旋轉錯流式超濾凈水工藝設備可廣泛在農村中小型飲水工程中推廣應用，能更有效地保障農村飲水安全。

參考文獻：

[1]張先峰，李新燕.淺談超濾膜技術在供水領域的應用[J].硅谷，2011（12）.

[2]李攀岳.超濾膜在農村飲水安全工程中的應用[J].中國水利，2009（5）.

[3]黃旭升，等.超濾膜技術的引進及在廣西農村人飲安全工程中的應用[J].廣西水利水電，2016（5）.

[4]汪巡，等.以中空纖維超濾膜技術為核心的組合工藝在水處理中的應用[J].化工新型材料，2012（6）.