應(yīng)用不同膜組合工藝對自來水廠自來水處理的研究

寇瑞強(qiáng)

摘要：本文用不同的膜工藝組合，對上海某自來水廠的自來水進(jìn)行深度處理中試研究，達(dá)到直接飲用的目的。研究超濾膜工藝、納濾膜工藝、超濾膜+納濾膜工藝、超濾膜+反滲透膜工藝對自來水處理的達(dá)標(biāo)性能，以及研究不同工藝超濾膜、納濾膜和反滲透膜的水通量、通量衰減、通量可恢復(fù)性等性能。關(guān)鍵詞：自來水提標(biāo)；直飲水；超濾膜；納濾膜；反滲透膜 1 前言在新建水廠和舊水廠升級改造過程中，膜技術(shù)是重要的選擇之一[1][2]。膜技術(shù)作為“十二五”國家水專項中飲用水主題的重點(diǎn)支撐技術(shù)，具有精度高、能耗低、抗污染、通量大等突出優(yōu)點(diǎn)，使其替代傳統(tǒng)工藝，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用成為可能。與傳統(tǒng)工藝相比，膜技術(shù)是通過純物理過濾方式，去除水中的細(xì)菌、病毒、膠體雜質(zhì)和大分子有機(jī)物，不會對水質(zhì)增加二次污染，因此膜技術(shù)是個“絕對安全”的概念，也是目前最為理想的水處理技術(shù)之一。[3]其中，超濾膜孔徑為0.01-0.1微米，納濾膜孔徑為1-20納米，反滲透膜則沒有孔，靠水在其膜內(nèi)的溶解-擴(kuò)散機(jī)理達(dá)到水質(zhì)的凈化。超濾進(jìn)水水源為經(jīng)混凝沉淀預(yù)處理后的河水，通過UF對水中的懸浮固體、微生物、細(xì)菌病毒、膠體類物質(zhì)等進(jìn)一步去除，UF對細(xì)菌和微生物去除能力達(dá)到4-5log，UF出水濁度、微生物衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)等達(dá)到自來水要求。[4]納濾膜則能去除高硬度水中的大部分鈣、鎂離子。反滲透膜由于其致密的膜結(jié)構(gòu)，不但能去除所有的細(xì)菌、顆粒、懸浮物等，還能去除重金屬離子、有機(jī)物等[5]。2018年年底，為提高自來水水質(zhì)，探索各種膜組合工藝運(yùn)行的水質(zhì)達(dá)標(biāo)、穩(wěn)定性、成本等各方面情況，上海某100萬噸/天自來水廠進(jìn)行膜法提標(biāo)中試，要求各個參與中試單位自制中試設(shè)備，統(tǒng)一對中試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析，以便選出最經(jīng)濟(jì)有效的膜工藝來對其旗下的自來水廠進(jìn)行大規(guī)模提標(biāo)改造。我公司啟迪清源（上海）新材料科技有限公司參與了該中試項目，自制膜中試集裝箱到該自來水廠，到目前為止進(jìn)行了6個月的運(yùn)行。本文將對該中試的超濾膜工藝、納濾膜工藝、超濾膜+納濾膜工藝、超濾膜+反滲透膜工藝對自來水處理的達(dá)標(biāo)性能進(jìn)行研究總結(jié)，并研究不同工藝超濾膜、納濾膜和反滲透膜的水通量、通量衰減、通量可恢復(fù)性等性能。2 中試實(shí)驗部分2.1 主要原料啟迪清源公司自產(chǎn)的KING-MEM-2000超濾膜，膜面積60平方米； 8寸納濾膜和8寸反滲透膜，NaOH溶液，檸檬酸溶液，專用反滲透膜清洗劑等。2.2 儀器及設(shè)備自制中試膜集裝箱，BOD、COD、氨氮一體化測試儀，原子吸收分光光度計，恒溫培養(yǎng)箱、鼓風(fēng)干燥箱，均質(zhì)器，菌落計數(shù)器，PH計，顯微鏡等。2.3 中試實(shí)驗部分本中試實(shí)驗分為四部分：第一部分為超濾膜工藝對自來水處理的性能研究；第二部分為納濾膜工藝對自來水處理的性能研究；第三部分為超濾膜+納濾膜工藝對自來水處理的性能研究；第四部分為超濾膜+納濾膜工藝對自來水處理的性能研究。將經(jīng)混凝沉淀處理后的自來水引入中試集裝箱內(nèi)的不同膜工藝裝置，經(jīng)過濾處理。測試產(chǎn)水的COD、氨氮、大腸桿菌、鈣鎂離子等水質(zhì)參數(shù)，每天測試1次。測試膜的進(jìn)水壓力、產(chǎn)水壓力、產(chǎn)水量等數(shù)據(jù)，每天測試兩次，取平均值。每一到三個月用弱酸、弱堿等對膜進(jìn)行清洗，測試膜的通量恢復(fù)情況。 2.4測試2.4.1膜通量的測試膜通量測試公式如下： 2.4.2過膜壓差的測試即作用于膜兩側(cè)的壓力差，它是完成膜過濾的推動力。2.4.3水通量恢復(fù)性清洗測試膜裝置在其長期使用運(yùn)行過程中膜會被水中的懸浮物、有機(jī)物等污堵，需要定期、不定期的對膜組件進(jìn)行化學(xué)清洗，以恢復(fù)膜的通量和截留率。清洗方案（1）： 采用酸性溶液對膜裝置進(jìn)行清洗。該清洗方案適用于，由于當(dāng)進(jìn)水中Fe或Mn的含量超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，或者膜組件的進(jìn)水中SS特別高，而對膜的濃水側(cè)造成的非有機(jī)物污染。清洗方案（2）： 采用用堿性氧化劑溶液對膜裝置進(jìn)行清洗。當(dāng)進(jìn)水中有機(jī)物含量高，可能引起濾膜受到有機(jī)物污染。并且當(dāng)條件有利于生物生存時，一些細(xì)菌和藻類也將在SFP膜組件中產(chǎn)生，由此引起生物污染。清洗方案（3）：采用反滲透專用藥劑對反滲透膜進(jìn)行清洗。2.4.4水質(zhì)分析將膜過濾的產(chǎn)水進(jìn)行水質(zhì)測試分析。用BOD＼COD一體化測試儀對水中COD等指標(biāo)進(jìn)行測試，用常規(guī)方法對水中大腸桿菌進(jìn)行測試，用原子吸收分光光度計測出水中鈣、鎂等離子濃度。3 結(jié)果與討論上海城投水務(wù)（集團(tuán)）有限公司旗下該自來水廠的未經(jīng)任何處理的水源地水質(zhì)分析如下表：由此可見，水源中渾濁度、COD等部分指標(biāo)超標(biāo)，需要經(jīng)過處理，才能成為合格的自來水。水源中其他指標(biāo)都能達(dá)到飲用水的規(guī)定。因此，本中試實(shí)驗主要針對膜工藝對渾濁度、懸浮物、COD、膜處理量、膜通量衰減和恢復(fù)等進(jìn)行監(jiān)測、討論。業(yè)主規(guī)定，本中試膜裝置前的預(yù)處理為混凝沉淀，以便去除部分懸浮物、膠體或有機(jī)物等。3.1 不同膜工藝對渾濁度的去除不同膜工藝對渾濁度的去除率見圖二。從圖中看出，超濾出水濁度始終小于0.3NTU，完全能滿足飲用水對渾濁度的要求（渾濁度要求≤1.0NTU）。而經(jīng)過納濾膜和反滲透膜過濾的水，渾濁度基本為0。由此可見，不管是超濾膜、納濾膜還是反滲透膜，對渾濁度都有較高的去除率。 3.2 不同膜工藝對氨氮的去除不同膜工藝對氨氮的去除率見圖三。從圖中看出不論是超濾膜還是納濾膜對氨氮的平均去除率僅在10-35.3%左右，這是因為氨氮等分子量很小，很容易透 過超濾膜微孔，從而使去除率很低。反滲透膜對氨氮的平均去除率在80%以上。由于水源中氨氮含量較少，所以，盡管超濾膜和納濾膜對氨氮的去除率較低，但出水還是能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。3.3 不同膜工藝對COD的去除不同膜工藝對COD的去除見圖四，從圖中看出超濾膜對CODcr的平均去除率僅在29.3%以上，納濾膜對CODcr的平均去除率在56.2%以上，反滲透膜對CODcr的平均去除率在88.2%以上。實(shí)驗結(jié)果證明，如果水源中COD過高，則僅靠混凝沉淀+超濾工藝很難使COD降到3以下。而不論水源COD如何變化，納濾膜和反滲透膜都對COD有較好的去除率，都能滿足飲用水的指標(biāo)。 3.4不同膜工藝運(yùn)行通量衰減和恢復(fù)情況化學(xué)介入反洗 （CEB）是指在中空纖維膜膜絲內(nèi)側(cè)加入具有一定濃度和特殊效果的化學(xué)藥劑，通過反洗、浸泡等方式，將膜表面在過濾過程中形成的污堵物清洗下來?；瘜W(xué)清洗 （CIP）是指用配置好的酸堿清洗液或殺菌劑，化學(xué)藥劑從進(jìn)水側(cè)進(jìn)入超濾，從濃水側(cè)和產(chǎn)水側(cè)回流至清洗水箱循環(huán)進(jìn)行清洗的方式，以有效的去除超濾的污堵物。從下圖超濾運(yùn)行的壓力變化可以看出，膜在運(yùn)行4個月左右，壓差略有上升，但經(jīng)過化學(xué)清洗后，運(yùn)行壓差又恢復(fù)到起始水平。說明膜雖然在4個月的運(yùn)行中有所被污染，但可恢復(fù)。納濾膜和反滲透膜雖然數(shù)值有所不同，但趨勢和超濾膜完全相同。 3.5 不同膜工藝投資情況從投資成本來看，超濾工藝最低，納濾膜適中，其他兩種工藝雖然能提供更穩(wěn)定的出水水質(zhì)，但投資成本是前兩種的1.5-2倍，業(yè)主基本不予考慮。不可否認(rèn)，超濾+納濾和超濾+反滲透工藝對偏遠(yuǎn)地區(qū)的苦咸水、高硬度水等特殊水源處理還是有比較大的優(yōu)勢。4 結(jié)論本文用不同的膜工藝組合，對上海某自來水廠的自來水進(jìn)行深度處理中試研究，達(dá)到直接飲用的目的。通過研究超濾膜工藝、納濾膜工藝、超濾膜+納濾膜工藝、超濾膜+反滲透膜工藝對自來水處理的達(dá)標(biāo)性能，以及研究不同工藝超濾膜、納濾膜和反滲透膜的水通量、通量衰減、通量可恢復(fù)性等性能，得出如下結(jié)論：1）不管是超濾膜、納濾膜還是反滲透膜，對渾濁度都有較高的去除率；2）超濾膜和納濾膜對氨氮的平均去除率較低，反滲透膜對氨氮有很好的去除率；3）如果水源中COD過高，則僅靠混凝沉淀+超濾工藝很難使COD降到3以下。而不論水源COD如何變化，納濾膜和反滲透膜都對COD有較好的去除率，都能滿足飲用水的指標(biāo)。4）四種膜工藝的膜產(chǎn)品都能長時間穩(wěn)定運(yùn)行，并且污染后經(jīng)過短時間清洗，通量都可恢復(fù)到起始水平。5）針對該自來水廠，超濾膜工藝和納濾膜工藝基本能滿足水廠提標(biāo)改造的要求。投資成本來看，超濾工藝最低，納濾膜適中，其他兩種工藝投資太高，業(yè)主不予考慮。目前中試階段結(jié)束，業(yè)主收集和評價各家中試數(shù)據(jù)后基本確定采用超濾或納濾工藝。最終選用哪種工藝由業(yè)主綜合考量投資和運(yùn)營成本再做決定。參考文獻(xiàn)[1]李紹峰，黃君禮，倫中財，et al.臭氧—生物活性炭—膜法處理自來水.中國給水排水，2002，18（3）：71-74.[2]汪琳，胡克武，馮兆敏，et al.自來水廠超濾膜技術(shù)的研究進(jìn)展.膜科學(xué)與技術(shù)，2011，31（5）：107-111.[3]譚德君，呂偉婭，王雅琴.膜法水處理技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2006，32（6）：27-30.[4]馬剛，王璐，泰佳.超濾膜水處理技術(shù)研究[C]// 膜法市政水處理技術(shù)研討會.2010.[5]潘獻(xiàn)輝，趙亮.反滲透海水淡化膜法預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].工業(yè)水處理，2007，27（6）：13-15.