浸入式超濾膜技術(shù)在凈水處理中的應(yīng)用
文/金州環(huán)境集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心 張國宇 何壽平
據(jù)國家環(huán)保部提供的數(shù)據(jù)，長江38條主要干流上的72個(gè)監(jiān)測斷面，能達(dá)到Ⅲ類以上水質(zhì)的斷面已只有46個(gè)。國家水文局2005年2月份的監(jiān)測資料顯示，長江流域現(xiàn)在Ⅰ類、Ⅱ類水體的比例已只占31%，Ⅲ類水占34%，其余都是Ⅳ類、Ⅴ類和劣Ⅴ類水。因此，我國自來水廠現(xiàn)有的傳統(tǒng)處理工藝提出了新的挑戰(zhàn)，國內(nèi)大部分自來水廠現(xiàn)有的處理工藝將面臨技術(shù)改造的問題。目前，主要的強(qiáng)化處理技術(shù)有生物預(yù)處理、預(yù)氧化、改善混凝、臭氧氧化、活性炭吸附、膜處理等可資應(yīng)用的技術(shù)。
新《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）已經(jīng)于2007年7月1日實(shí)施，新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水質(zhì)指標(biāo)做了極其嚴(yán)格的規(guī)定，例如，新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)自來水的106項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了極其嚴(yán)格的限制，在生物監(jiān)測指標(biāo)方面規(guī)定出水水質(zhì)總大腸菌群、耐熱大腸菌群、大腸埃希氏菌均不得檢出，細(xì)菌總數(shù)小于100 CFU/mL，賈第鞭毛蟲小于1 個(gè)/10L，隱孢子蟲小于1個(gè)/10L（賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲簡稱為“兩蟲”），而濁度指標(biāo)也由原來的小于3NTU，提高到小于1NTU。而我國絕大部分自來水廠仍然采用的傳統(tǒng)處理工藝：混凝——沉淀——砂濾——消毒。該工藝對(duì)未受污染水源水中的膠體、懸浮物、微生物等污染物具有良好去除效果，對(duì)水中的有機(jī)污染物有一定去除作用，對(duì)兩蟲的去除效果甚微。同時(shí)，隨著工業(yè)的高速發(fā)展，我國水源水質(zhì)不斷惡化，以長江為例，長江流域年污水排放總量多達(dá)250多億立方米，占全國40%以上，其中80%以上的污水未經(jīng)有效處理，就直接排入長江。目前長江干流60%的水體，都已受到不同程度的污染。其中工業(yè)和人口比較密集的長江中下游上千公里河段，沿岸水質(zhì)基本都已在Ⅲ類和Ⅳ類之間。
膜分離技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色處理技術(shù)。膜技術(shù)發(fā)展迅速，越來越為人們所關(guān)注。其中，超濾膜位于膜過濾連續(xù)譜圖中的納濾和微濾之間，其截留分子量為5000-500000道爾頓，孔徑為0.1μm-0.01μm。超濾過程是一個(gè)物理篩分過程：以膜兩側(cè)的壓力差（跨膜壓差）為驅(qū)動(dòng)力，以超濾膜為過濾介質(zhì)，當(dāng)水流通過膜表面時(shí)，只允許水、小分子和可溶性物質(zhì)通過，阻止水中的懸浮物、膠體、微生物、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)通過，從而達(dá)到凈化的目的。相比其它膜過濾技術(shù)，超濾膜過濾技術(shù)具有運(yùn)行成本低、處理效果好、能夠保留水中對(duì)人體有益的溶解性無機(jī)鹽、可以去除水中對(duì)人體有害的細(xì)菌甚至病毒。超濾膜過濾技術(shù)已成為水處理領(lǐng)域中的關(guān)注熱點(diǎn)。以超濾技術(shù)為核心的水處理工藝被專家稱為“第三代水處理工藝”。
盡管將超濾膜技術(shù)引入自來水處理中能夠達(dá)到很好的效果，但是在具體應(yīng)用中還存在諸多問題：
（1） 膜的價(jià)格、建設(shè)費(fèi)用及運(yùn)行成本仍然偏高；
（2） 膜的污染機(jī)理、運(yùn)行機(jī)理有待深更層次的理解和認(rèn)識(shí)；
（3） 超濾膜凈水工藝與傳統(tǒng)凈水工藝之間如何進(jìn)行匹配的研究有待進(jìn)一步深入；
（4） 超濾膜凈水技術(shù)系統(tǒng)研究有待進(jìn)一步深入
針對(duì)以上情況，為了有效解決我國自來水廠改造技術(shù)難關(guān)，太平洋水處理工程有限公司、南通自來水公司、蘇州立升凈水科技有限公司和金州環(huán)境集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心結(jié)合江蘇省南通市蘆涇水廠技術(shù)改造，進(jìn)行了以浸入式超濾膜技術(shù)為核心的短流程凈水工藝研究，試驗(yàn)規(guī)模達(dá)到1500m3/d。研究自2008年3月開始，持續(xù)進(jìn)行了一年多實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中得到了各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、專家的關(guān)注。
通過一年多實(shí)驗(yàn)，課題組分別對(duì)沉后水和絮凝水進(jìn)行了超濾膜過濾，提出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“以浸入式超濾膜技術(shù)為核心的短流程凈水工藝”，即原水經(jīng)過絮凝之后直接進(jìn)入超濾膜池，在膜池內(nèi)完成膜過濾、濃水回收、沉淀、污泥濃縮等功能，產(chǎn)水率達(dá)到99.2%以上，大大降低了水廠自用水率。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，課題組提出了同一膜池內(nèi)分膜單元運(yùn)行的，即同一膜池中的多個(gè)膜組件（采用浸入式超濾膜）被分為若干個(gè)膜單元，膜單元各自獨(dú)立運(yùn)行，通過程序控制，實(shí)現(xiàn)某膜單元清洗（包括水洗和曝氣），其余膜單元正常運(yùn)行。同時(shí)，清洗出的濃水由其他正在運(yùn)行的膜單元加以回收，從而達(dá)到整個(gè)膜池的不間斷運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的產(chǎn)水率。該運(yùn)行方式屬“多個(gè)超濾膜單元在同一跨膜壓差下的變通量運(yùn)行”。它實(shí)現(xiàn)了同一膜池中不同膜單元產(chǎn)水的自動(dòng)平衡，減緩了膜單元的污染，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為了保證污泥濃縮效果，應(yīng)保證膜組件底部與池底之間的距離。此運(yùn)行方式可以不用單獨(dú)建設(shè)濃水回收裝置，節(jié)省投資。
為了節(jié)約運(yùn)行成本，充分利用水廠剩余水頭，課題組提出了超濾膜應(yīng)在低跨膜壓差、低通量下運(yùn)行，這種運(yùn)行方式能夠保證膜表面的濾餅層比較松散，從而能夠減緩超濾膜的深層污染，減少恢復(fù)性化學(xué)清洗次數(shù)，方便水廠運(yùn)行管理。
課題組根據(jù)中試研究成果，申請(qǐng)了兩項(xiàng)國家發(fā)明專利：以超濾為核心集多種凈水技術(shù)于一體的短流程水處理工藝（專利申請(qǐng)?zhí)枺?00810242550.9）、浸入式超濾膜同一膜池分膜單元運(yùn)行的工藝（專利申請(qǐng)?zhí)枺?00810171824.X）。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，課題組提出了江蘇省南通市蘆涇水廠技術(shù)改造方案。
南通市蘆涇水廠隸屬于江蘇省南通市自來水公司，始建于1973年，改造前供水能力為5×104 m3/d，分為兩條生產(chǎn)線，生產(chǎn)能力均為2.5×104m3/d。原水取自于長江，工藝流程為原水——雙層回轉(zhuǎn)隔板絮凝池——斜管沉淀池——虹吸濾池——消毒——清水池，廠區(qū)面積較小，幾乎沒有閑置場地。
蘆涇水廠原凈水工藝是按出廠水濁度不大于5NTU的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，2000年以來，水廠全年一直處于滿負(fù)荷、超負(fù)荷的工作狀態(tài)，為了適應(yīng)新的《國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，南通市自來水公司提出了技術(shù)改造要求。為此，課題組根據(jù)中試結(jié)果，結(jié)合路徑水廠特點(diǎn)，提出了兩套改造方案：（1）斜管沉淀池改成膜池，砂濾池改為應(yīng)急處理水池；（2）砂濾池改為膜池。經(jīng)過反復(fù)對(duì)比，最終確定蘆涇水廠改造方案采用方案（1），即管沉淀池改成膜池，砂濾池改為應(yīng)急處理水池。
2009年1月6日，南通市科學(xué)技術(shù)局組織國內(nèi)知名專家中國工程院院士李圭白教授、中國城鎮(zhèn)供排水協(xié)會(huì)顧問宋仁元先生和沈大年先生、上海市政設(shè)計(jì)研究總院原副總工沈裘昌、北京市政設(shè)計(jì)研究總院副總工郄燕球、天津自來水總公司總工何文杰、河海大學(xué)陳衛(wèi)教授對(duì)太平洋水處理工程有限公司、南通自來水公司、蘇州立升凈水科技有限公司、金州環(huán)境集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心完成的“以浸入式超濾膜技術(shù)為核心的短流程凈水工藝研究”項(xiàng)目進(jìn)行了成果鑒定，專家組考察了試驗(yàn)現(xiàn)場并聽取了課題組的匯報(bào)，專家組一致認(rèn)為：課題組提出了以浸入式超濾膜技術(shù)為核心、集絮凝、超濾、污泥濃縮于一體的短流程工藝；該工藝突出了低跨膜壓差、低通量的理念，充分利用水廠原有工作水頭，采用分膜單元運(yùn)行方式，減輕了膜污染，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，出水渾濁度低于0.02NTU，生物安全性大幅度提高；該工藝節(jié)約用地，節(jié)省投資，為老水廠改造和新建水廠提供了一條新的技術(shù)路線，符合資源節(jié)約型產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向，有廣闊的市場應(yīng)用前景；蘆涇水廠工藝改造方案切實(shí)可行，實(shí)施后具有示范意義；項(xiàng)目成果具有創(chuàng)新性，達(dá)到國際先進(jìn)水平。
該成果引起了專業(yè)人士和專業(yè)媒體的廣泛關(guān)注。
課題組在專家們提出的意見和建議基礎(chǔ)上對(duì)蘆涇水廠改造方案進(jìn)一步細(xì)化，太平洋水處理工程有限公司根據(jù)改造方案對(duì)蘆涇水廠其中一條生產(chǎn)線進(jìn)行了改造，改造過程中克服了水廠不允許長時(shí)間停水等苦難。蘆涇水廠改造工程于2009年12月31日正式通水。八個(gè)多月的運(yùn)行結(jié)果表明，蘆涇水廠改造工程運(yùn)行良好，超濾膜一直采用虹吸方式運(yùn)行，大大節(jié)約了運(yùn)行成本，方便了水廠管理，改造工程不僅沒有增加水廠用地，還空閑處濾池作為應(yīng)急處理水池。
蘆涇水廠改造工程為我國第一座采用浸入式超濾膜技術(shù)對(duì)老水廠進(jìn)行改造的項(xiàng)目，它的成功運(yùn)行為我國自來水廠提標(biāo)改造提供一條全新的思路，引起了國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注，投入運(yùn)行至今，已經(jīng)有五十余家自來水廠到蘆涇水廠參觀考察。實(shí)踐表明，浸入式超濾膜在我國凈水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。
到目前為止，我國已有多個(gè)水廠采用浸入式超濾膜過濾技術(shù)，筆者相信，浸入式超濾膜技術(shù)一定會(huì)在我國自來水廠中得到越來越多的應(yīng)用。但是，作為一種新技術(shù)，浸入式超濾膜技術(shù)在應(yīng)用過程中我們應(yīng)當(dāng)不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)一些問題要深入研究，為其進(jìn)一步大范圍應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
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