應用不同膜組合工藝對自來水廠自來水處理的研究

寇瑞強

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行深度處理中試研究，達到直接飲用的目的。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標性能，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、通量可恢復性等性能。關鍵詞：自來水提標；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，使其替代傳統(tǒng)工藝，實現(xiàn)大規(guī)模應用成為可能。與傳統(tǒng)工藝相比，膜技術(shù)是通過純物理過濾方式，去除水中的細菌、病毒、膠體雜質(zhì)和大分子有機物，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-擴散機理達到水質(zhì)的凈化。超濾進水水源為經(jīng)混凝沉淀預處理后的河水，通過UF對水中的懸浮固體、微生物、細菌病毒、膠體類物質(zhì)等進一步去除，UF對細菌和微生物去除能力達到4-5log，UF出水濁度、微生物衛(wèi)生學指標等達到自來水要求。[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菌、顆粒、懸浮物等，還能去除重金屬離子、有機物等[5]。2018年年底，為提高自來水水質(zhì)，探索各種膜組合工藝運行的水質(zhì)達標、穩(wěn)定性、成本等各方面情況，上海某100萬噸/天自來水廠進行膜法提標中試，要求各個參與中試單位自制中試設備，統(tǒng)一對中試數(shù)據(jù)進行采集、分析，以便選出最經(jīng)濟有效的膜工藝來對其旗下的自來水廠進行大規(guī)模提標改造。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，到目前為止進行了6個月的運行。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標性能進行研究總結(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、通量可恢復性等性能。2 中試實驗部分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、鼓風干燥箱，均質(zhì)器，菌落計數(shù)器，PH計，顯微鏡等。2.3 中試實驗部分本中試實驗分為四部分：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、弱堿等對膜進行清洗，測試膜的通量恢復情況。 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水通量恢復性清洗測試膜裝置在其長期使用運行過程中膜會被水中的懸浮物、有機物等污堵，需要定期、不定期的對膜組件進行化學清洗，以恢復膜的通量和截留率。清洗方案（1）： 采用酸性溶液對膜裝置進行清洗。該清洗方案適用于，由于當進水中Fe或Mn的含量超過設計標準，或者膜組件的進水中SS特別高，而對膜的濃水側(cè)造成的非有機物污染。清洗方案（2）： 采用用堿性氧化劑溶液對膜裝置進行清洗。當進水中有機物含量高，可能引起濾膜受到有機物污染。并且當條件有利于生物生存時，一些細菌和藻類也將在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行清洗。2.4.4水質(zhì)分析將膜過濾的產(chǎn)水進行水質(zhì)測試分析。用BOD＼COD一體化測試儀對水中COD等指標進行測試，用常規(guī)方法對水中大腸桿菌進行測試，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（集團）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等部分指標超標，需要經(jīng)過處理，才能成為合格的自來水。水源中其他指標都能達到飲用水的規(guī)定。因此，本中試實驗主要針對膜工藝對渾濁度、懸浮物、COD、膜處理量、膜通量衰減和恢復等進行監(jiān)測、討論。業(yè)主規(guī)定，本中試膜裝置前的預處理為混凝沉淀，以便去除部分懸浮物、膠體或有機物等。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，但出水還是能達到標準。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。 3.4不同膜工藝運行通量衰減和恢復情況化學介入反洗 （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清洗 （CIP）是指用配置好的酸堿清洗液或殺菌劑，化學藥劑從進水側(cè)進入超濾，從濃水側(cè)和產(chǎn)水側(cè)回流至清洗水箱循環(huán)進行清洗的方式，以有效的去除超濾的污堵物。從下圖超濾運行的壓力變化可以看出，膜在運行4個月左右，壓差略有上升，但經(jīng)過化學清洗后，運行壓差又恢復到起始水平。說明膜雖然在4個月的運行中有所被污染，但可恢復。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，超濾+納濾和超濾+反滲透工藝對偏遠地區(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行深度處理中試研究，達到直接飲用的目的。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標性能，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。4）四種膜工藝的膜產(chǎn)品都能長時間穩(wěn)定運行，并且污染后經(jīng)過短時間清洗，通量都可恢復到起始水平。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營成本再做決定。參考文獻[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)的研究進展.膜科學與技術(shù)，2011，31（5）：107-111.[3]譚德君，呂偉婭，王雅琴.膜法水處理技術(shù)的研究與應用現(xiàn)狀[J].環(huán)境保護科學，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]潘獻輝，趙亮.反滲透海水淡化膜法預處理技術(shù)研究進展[J].工業(yè)水處理，2007，27（6）：13-15.