超濾膜技術在農村飲水安全工程中的應用

胡 波，孫佳佳，石 杰，劉曉偉，林展華

(海南立昇凈水科技實業有限公司，海南 海口 570100)

水作為人體新陳代謝所需的重要物質,若是水質得不到保障，勢必會影響人體健康。飲水安全，實乃民生大事。習近平總書記強調，“不能把飲水不安全問題帶入小康社會”。國家農村飲水安全工程“十三五”規劃也制定了一系列建設任務：2016年開始，我國堅持創新、協調、綠色、開放、共享的理念，啟動實施農村飲水安全鞏固提升工程，進入了農村供水的新階段。截止2020年，各省市的農村飲水安全問題在一定程度上取得了成效，然而在建設過程中也會存在不足之處，暴露出一些解決方案的問題點。

城鎮自來水管網覆蓋行政村這一解決方案在一些發達、地勢平坦的農村地區取得了良好的效果，得到了村民對政府為人民辦實事、建設民生工程的認可與贊許，且相對其他方案來說，建設與維護成本較低。但目前仍未能實現飲水安全工程建設的區域大多集中在山區丘陵地帶，此時相對于其他方式便建設與管理成本偏高。此時，一體化設備通過將自來水廠傳統工藝進行精簡化，裝配自動電子控制系統來實現水質凈化處理，進行集中供水的解決方案出現。近幾年一體化設備在運行建設工程中，在一定程度上彌補了市政管網鋪設覆蓋行政村的空白區，有效緩解了部分地區的飲水安全工程建設的迫切性。在后期運行過程中也會存在以下問題：

1) 產水濁度隨原水濁度波動，呈現正相關，抗沖擊能力差。

2) 因設備空間局限性，水流停留時間較短，為保證出水水質，藥耗較大。

3) 沉淀池、過濾池易板結。

農村自然環境與人文環境復雜，要想有效解決農村飲水安全問題，就需要透徹了解農村飲水安全問題的根本所在。因此，在農村地區的大量走訪與詳細調查研究之后，發現農村飲水問題存在以下方面問題，需要我們針對性解決問題。

1 農村飲水特點與挑戰

1) 傳統、落后的分散式供水為主

我國農村仍以傳統、落后的分散式供水為主，農村供水點規模小，用戶居住分散。

2) 水源類型多樣性，水質問題復雜

水源主要以地下水、山泉水、河水、水庫水、山塘水、水窖水為主，部分水源受季節變化和雨季影響較大，水源水質不達標后，難以尋找替代水源。供水水質存在渾濁度、有機物、微生物、鐵、錳、氟化物、砷等超標問題，水質安全得不到保障。

3) 以傳統處理工藝為主，應急能力差

部分村級水廠原水基本不經任何處理工藝直接供給村民；或經簡單的消毒處理后供給村民。村鎮級水廠基本采用傳統的“混凝+沉淀+過濾”工藝或一體化凈水設備。這些處理系統對原水水質突變的應急功能差，抗沖擊能力小，處理系統的出水濁度通常在1～3 NTU之間，特殊情況可超過10 NTU；難以確保微生物安全性，存在很大的健康安全風險；一體化設備因水流在設備內停留時間短，為保證出水水質，需要的絮凝劑與消毒劑用量增加，噸水成本較大。消毒劑增大之后，口感與嗅覺感官下降，引起村民反感。

4) 管理問題

供水點規模小、數量多、分散，運營管理不到位。

5) 水質監督，安全飲水意識問題

村鎮飲水工程供水水質監督普遍不到位，檢測頻次低，甚至有很大一部分飲水工程從建成通水以后，再沒做過水質檢測，老百姓僅靠感官判斷水質的好壞。同時，大部分的村、鎮水廠由私人或私營企業承包經營，以追求利潤為主，對供水成本比較敏感，在缺乏充分監督的情況下，水質安全無法保障。[1-3]

2 農村飲水安全問題解決的技術要求

適用于解決農村飲水安全問題的技術與方法應具備以下條件：

1) 穩定高質量的出水，能有效保障水質安全，特別是微生物的安全性；

2) 工藝組合方便、適于各類水質；

3) 投資及運行成本低；

4) 人工要求低，設備管理簡單；

5) 分散式系統，適用于農村地區居住分散的特點。

具備以上條件的小型一體化超濾膜設備應運而生，通過“全自動化運行、物聯網監控管理、區域性集中運行管理”來針對性解決農村飲水安全問題建設中的問題點。

3 技術應用方案

超濾凈水技術是單純的綠色物理分離技術，被稱為“第三代飲用水凈化工藝”，其能夠有效解決第一代和第二代工藝中存在的化學安全性和微生物安全性問題，是目前飲用水凈化領域中的主流先進技術。超濾膜過濾孔徑一般為0.01 μm，能有效截留水體中的顆粒物、膠體、細菌、病毒、大分子有機物、兩蟲等有害物質，出水濁度小于0.1 NTU，同時保留水中有益的礦物質元素。且出水水質好，抗沖擊負荷能力強，幾乎不受進水水質波動的影響，出水濁度小于0.1 NTU、可完全去除藻類、細菌、病毒、賈第蟲、隱孢子蟲、紅蟲等，能夠有效保證微生物、濁度等水質的安全性。立升超濾膜產水濁度示意見圖1，原水(山坑水)與過濾后水樣對比見圖2。

圖1 立升超濾膜產水濁度示意

圖2 超濾膜過濾前后水樣對比

3.1 地下水或者水質穩定的山泉水

使用地下水或者水質穩定的山泉水水廠，這類項目水源水質相對好，水質穩定，主要存在的問題是微生物和濁度。針對不同的供水工藝，采用壓力式超濾膜設備，充分利用現有的構筑物以及水頭，將超濾膜設備與現有供水工藝組合。

1) 利用高位水池或者水塔供水

現供水工藝：

原供水現狀：

① 有原水且水量充足可以滿足用水量；

② 原水經潛水泵提升后進入高位水池，高位水池水通過已經建好的管網入戶。

改造后供水工藝為：

工藝特點：

① 高位水池，供水經過超濾膜裝置凈化處理后直接供入管網到用戶家；

② 高位水池的高差作為動力來源，超濾設備出水滿足最大時用水量，改造后不增能耗，且避免高位水池的二次污染。

2) 利用加壓設備供水

現供水工藝：

現供水情況：

① 有原水且水量充足可以滿足用水量；

② 目前鋪設的管網可以使用的。

改造后供水工藝為：

工藝特點：潛水泵作為動力來源，超濾設備出水滿足最大時用水量，改造后不增能耗。

3) 以上幾種供水工藝中，若水質檢測含有鐵、錳等重金屬或氟化物超標，需在潛水泵后增加1套除鐵、除錳設備或除氟設備。

① 鐵、錳、氟、砷超標

② pH超標

同理，耗氧量、氨氮等超標，則需增加相應處理設備。

3.2 水源水質波動大、高濁度或者高藻項目

使用地表水或者某些山泉水的水廠，水質容易受季節變化影響，出現高濁度或者高藻水質波動，傳統的水處理工藝無法承受高濁度的沖擊或者藻類的問題。針對這類項目，可以采用浸沒式超濾膜設備。設備有對濁度和藻類耐受度高，不受水質波動的沖擊的特點。

現供水工藝：

原供水現狀：

① 需要投加大量的絮凝劑以及消毒劑；

② 下雨天水質渾濁是，出水水質濁度不達標；

③ 水處理工藝缺乏管理，運行效果差。

改造后供水工藝為：

工藝特點：

① 原水進入浸沒式超濾膜設備，利用膜池和清水池的液位差虹吸產水，過完后進入清水池；

② 不需要投加絮凝劑；

③ 通過超濾膜設備可去除原水中部分CODMn和全部細菌、病毒等微生物；

④ 利用虹吸產水，系統耗電量少。

3.3 運行維護管理方案

超濾膜技術因其自動化程度高，可實現物聯網遠程監控，在運行維護管理方面進行區域網格化管理，1個區縣級農村飲水安全工程，2～3人，1部工程車即可實現超濾膜設備的運行維護管理。日常設備運行維護管理除去極少出現的硬件維修與更換外，超濾膜需要進行維護性清洗和化學恢復性清洗。超濾膜清洗所用的化學藥劑每月成本按照膜面積進行計算，約為0.039 7元/m2(此數據來源于佛山高明、廣州花都和云南勐臘應用案例，不同水質會有所區別，但出入不會太大，浮動在5%左右)。

4 應用案例

4.1 佛山市高明區洞心村膜法飲水安康工程

1) 工程簡介

佛山市高明區洞心村膜法飲水安康工程位于廣東省佛山市高明區洞心村，供水范圍包洞心村，受益人口300人，供水規模為30 m3/d。

洞心村境內原有村民利用水塔供水，以山泉水為飲用水源，主要存在微生物、濁度、鐵錳超標水質不達標，供水保證率低等飲水不安全問題。

2) 設計規模及工藝流程

本工程設計規模為30 m3/d， 工藝流程：山泉水→除鐵錳設備→水塔→超濾→管網。

3) 技術特點

除鐵錳工藝與超濾膜工藝組合，超濾產水直接進入管網，避免水塔(水池)的二次污染，保障供水水質(工程設備見圖3所示)。

圖3 佛山市高明區洞心村膜法飲水安康工程設備間與設備間內設備

4.2 佛山市高明區獺坑村膜法飲水安康工程

1) 工程簡介

佛山市高明區獺坑村膜法飲水安康工程位于廣東省佛山市高明區獺坑村，供水范圍包獺坑村，受益人口275人，供水規模為30 m3/d。

獺坑村境內原有村民利用水塔供水，以山泉水為飲用水源，主要存在微生物、濁度、pH超標水質不達標，供水保證率低等飲水不安全問題。

2) 設計規模及工藝流程

本工程設計規模為30 m3/d， 工藝流程：山泉水→pH自動調節設備→水塔→超濾→管網。

3) 技術特點pH

自動調節工藝與超濾膜工藝組合，超濾產水直接進入管網，避免水塔(水池)的二次污染，保障供水水質(工程設備見圖4所示)。

圖4 佛山市高明區獺坑村膜法飲水安康工程設備間與設備間內設備

4.3 廣州花都梯面水廠

1) 工程簡介

廣州花都梯面水廠位于花都區梯面鎮，供水范圍覆蓋梯面全鎮，受益人口為3 000人，供水規模1 000 m3/d。

梯面鎮境內原有村民利用重力供水，以水庫水為飲用水源，主要存在濁度、微生物超標水質不達標，供水保證率低等飲水不安全問題。

2) 本工程設計規模1 000 m3/d， 工藝流程：水庫水→超濾→清水箱→管網。

3) 技術特點

采用浸沒式超濾膜，并且膜直接過濾的工藝(工程設備見圖5所示)。

5 結語

農村飲水安全工程供水規模不一而足，規模小且分布較散，而傳統水處理工藝復雜，占地與投資大，管理難度大。而超濾膜技術模塊化增減膜組件可實現不同的供水規模，占地小，遠程監控可實現無人值守，大大減小管理難度與成本。且超濾膜設備運行穩定，產水穩定且綜合成本低得到了廣大村民與業主的一致好評，讓農村群眾看到了政府在小康社會建設中政府的決心與用心。超濾膜技術必定會在日后農村飲水安全工程建設中得到更多地區的選擇與認可。

超濾膜技術在推廣過程中也會遇到一些阻力，一是技術材料成本問題使得前期投資成本相較于一體化設備投資成本會有所偏高，雖然后期維護成本與運行效果是一體化設備無法比擬的，造成部分地區財政較難接受超濾膜這種新技術新模式。二是技術再先進設備再智能化，運維成本再低，也需要人員進行運維管護，避免設備長時間缺乏必要的維護造成積重難返。超濾膜技術推廣阻力主要在于人為因素，而非自然技術因素，這就需要我們主管農村飲水安全相關領導部門多與超濾技術廠家相互協作，相互努力，共同為農村飲水安全工程建設作出貢獻，為廣大農民群眾謀福利，避免農村飲水安全問題帶入到小康社會。