膜技术在饮用水处理中的应用研究(.doc

膜技术在城市饮用水处理中的应用研究黄明珠 李亨枝 叶挺进 张鉴成佛山市水业集团有限公司摘要：本文介绍了膜技术在城市饮用水处理中应用的最新进展，分析了滤膜与水质的关系，简述了膜组合工艺特点及其应用，并总结了佛山水业集团公司在供水生产中开展膜处理技术应用研究的情况。关键词：膜技术、工艺特点、健康水、优质饮用水1、膜技术发展与现状20世纪初至今，城市净水工艺不断变革发展。以混凝-沉淀-过滤-氯消毒为代表的第一代城市饮用水净化工艺，有效控制了水介烈性传染病（如霍乱、痢疾、伤寒等）和病毒性传染病（如甲型肝炎、小儿脊椎灰质炎等）的流行；以“第一代工艺+臭氧颗粒活性炭”为代表的第二代工艺，有效去除了水中的有机污染物，提高了水的化学安全性；而随着贾第虫和隐孢子虫（俗称“两虫”）的出现，饮用水又面临新的问题。由于“两虫”可能穿透滤层，其卵囊又具有很强的抗氯性，且致病性很强，第一代和第二代工艺不能有效去除，有待开发出新一代的工艺。以超滤为核心技术的组合工艺，几乎可以完全去除水中的微生物，将使城市饮用水净化工艺产生重大变革，被称为第三代城市饮用水净化工艺1。1748年法国学者Abbe Nollet首次提出了膜分离现象，经过二个多世纪的探索研究，膜技术得到了迅猛的发展。2在水处理方面，微滤、超滤、纳滤、反渗透等己获得广泛应用，特别是超滤已被大规模投入到供水生产中。目前，世界上在运行的最大超滤膜水厂是加拿大的Lakeview水厂，设计规模为360，000 m3/d，其远期规模为500，000 m3/d。在国内，超滤膜已形成规模生产能力，能够为数万吨/日规模的水厂提供膜材料，且价格已降至可接受的水平。据报道1，中空纤维超滤膜，每1m2过滤面积约为150元，以1m2超滤膜每小时过滤0.1m3水计算，1m3/d的超滤膜价格为60元。超滤膜按使用3年计算，为更换膜每1m3水只需0.057元费用。因此，应用超滤技术对常规工艺进行升级换代将是今后城市饮用水净化工艺的一个发展方向1。2、国内外膜滤应用概况2.1新加坡某饮用水厂该水厂供水量为273，000m3/d，是目前新加坡最大的饮用水厂。该厂采用的处理工艺简单，流程如下：水库水细格栅浸没式超滤强化絮凝消毒供水图1 新加坡某水厂工艺流程图水库水经管道自流通过1mm的细格栅后，在管道中投加铝盐实行强化混凝，同时投加石灰调控PH值，出水通过重力流进膜池过滤。采用的滤膜为浸没式中空纤维超滤膜，膜滤后水经过液氯消毒后，供给居民饮用。根据水质检验结果，原水浊度为5.4NTU，色度为22度，膜滤后水浊度小于0.3NTU，色度小于5度。该“强化絮凝+超滤”工艺去除色度和总有机物效率高，絮凝剂用量少，水处理费用较低。2.2加拿大某饮用水厂该饮用水厂处理水量为28，000m3/d，于1998年11月建成投产，由5组独立运行的膜池组成。每个膜池产水量为5，600 m3/d，每个膜池配套一台透过液泵和鼓风机。该水厂的处理工艺如下：原水粗格栅浸没式超滤前氯液氯消毒出水图2 加拿大某水厂工艺流程图由于原水（湖水）水质较好，超滤前省去了絮凝剂投加。原水经粗格栅，加氯后直接进入浸没式膜池进行过滤。超滤膜孔径为0.035um，能有效去除水中的悬浮颗粒、细菌和病毒。膜处理后水经液氯消毒，供Collingwood市居民饮用。根据水质检验结果，处理后水质浊度由原水的1.40NTU降为0.05NTU以下，对隐孢子虫和贾第虫的对数去除率均大于6log，对细菌的对数去除率大于4log，对病毒的对数去除率大于3log。2.3国内某膜法自来水厂该自来水厂采用超滤（UF）和反渗透（RO）两级膜过滤，其中超滤系统总产水量为30000 m3/d，反渗透系统总产水量为20000m3/d。该水厂的处理工艺如下：图3 国内某水厂工艺流程图以微污染海涂水库水为源水，采用以超滤（UF）和反渗透（RO）为核心的组合工艺。源水经过常规处理后投加杀菌剂消毒，然后进入超滤系统，超滤处理后的水进入反渗透脱盐系统。反渗透滤后水与部分未脱盐水勾兑，产品水经消毒后供水。实际生产运行表明，“UF+RO”工艺作为含盐量较高的微污染海涂水库水的深度处理工艺是可行的，能得到安全、卫生的饮用水。3、滤膜与水质如图4，水中的致病微生物的尺寸，病毒20nm至数百nm，细菌数百nm至数m，原生动物数m至数十m ，藻类-数m至数百m。滤膜按孔径由小到大分为反渗透膜、纳滤膜、超滤膜、微滤膜。其中反渗透膜的孔径约0.1 nm左右，除水分子和部分可溶性盐能透过外，其它物质均被截留；纳滤膜的孔径1nm左右，超滤膜的孔径数nm，能将水中的微生物几乎全部去除，是最有效的去除水中微生物的方法。微滤膜的孔径为数百nm，不能充分截留去除病毒和细菌。大量医学研究表明，饮用水是人体摄取必需的矿物质微量元素的重要途径。人体若长期饮用缺少微量元素的纯净水，会造成严重营养失衡，特别是对老年人、发育中的儿童、孕妇的影响尤为明显。如果水中钙、镁离子含量低，细胞就可能吸收有害健康的微量元素；饮用不含钙、镁离子或含量甚微的脱盐水（如纯水），进入人体内的任何有害物质的危害作用就会放大。因此，“健康水”的标准应是：含有一定量的硬度(理想的是170 mg/L左右)，要有一定量的溶解性总固体(理想的是300 mg/L)和pH值偏碱性(略高于7.0)。3由于反渗透膜几乎将水中盐类全部去除，处理后的水甚至纯于蒸馏水，这样的水不能作为饮用水长期使用。纳滤膜对盐类的去除仅次于反渗透，去除率也很高，一般作为软化水使用，且纳滤膜目前在我国尚需要进口，成本很高，还不能作大规模推广。超滤在将水中的胶体微粒、不溶性的铁和锰以及细菌、病毒、贾第虫等微生物去除的同时，保留了人体必需的微量元素，既确保水质安全又保证水质健康。因此，选择超滤膜提高饮用水水质安全性和健康性是可行的。0.00010.0010.010.1110100mm毛发hair孢子Crypto-sporidium最小的微生物smallest micro-organism病毒polio virus悬浮固体 Suspended solids寄生虫 Parasites细菌 Bacteria组织，微生物，分子Org. macro. molecules病毒 Viruses胶体 Colloids可溶解的盐Dissolved salts砂滤Sand filtration微滤Microfiltration超滤Ultrafiltration纳滤Nanofiltration反渗透Reverse Osmosis图4：各级滤膜过滤精度简图4、膜组合工艺特点及其应用与传统工艺相比，膜处理工艺具有结构简单紧凑、易于实现自动化、所需化学药剂少，出水水质稳定等优点，但亦有其局限性，如易结垢，需定期进行化学清洗；膜过滤性能受酸碱度和温度影响；膜破损检测困难等。其中，超滤在进水浊度高时透膜压差增长较快；对水中中、小分子有机物，特别是微量有机污染物的去除效果较差，需与其它工艺组合应用。对于水质优良的原水，可直接进入超滤膜过滤，进行无药剂处理。当原水浊度较高时，宜在膜前增设混凝沉淀单元，拓展超滤对原水浊度的适用范围；当原水受到有机物微污染，需在膜前增设去除有机物的处理单元，如利用活性炭的吸附作用，将小分子有机物絮聚成大分子颗粒，通过后续膜过滤截留去除；对于高含藻原水，则可在膜前设置气浮池进行处理。1超滤组合工艺比较适用于老水厂升级改造，如在常规工艺后增设超滤，或将常规工艺滤池改为超滤池，则可有效地提高饮用水的生物安全性，减少氯化消毒副产物生成量；在投加粉末炭的澄清池、高密度沉淀池以及能进行粉末炭回流的絮凝沉淀系统后，设置超滤以取代砂滤池，也是一种可以选择的工艺。超滤可将砂滤池滤速提高50100%，而混凝沉淀不改造，虽沉后水浊度会有所升高，但不影响超滤出水浊度。这样不仅提高了水质，还提高了水量，相当于新建一个水厂，在经济上是很有吸引力的，特别对于需要建新水厂又征地困难，则更有吸引力。5、 佛山新城区优质供水工程5.1工程简介为实现佛山市政府对新城区启动区提出的“高起点、高标准、达到目前发达国家供水水质标准”的供水目标，佛山市水业集团公司投资约2700万元，在新城区启动区建设了工艺先进、生产自动化水平较高的优质水厂。新城区优质水厂采用浸没式超滤膜过滤系统及臭氧和二氧化氯联合消毒技术，利用变频恒压供水技术，实行主干管定时循环回流的供水方式，实现了出厂水可直接饮用的供水目标。净水工艺流程如下。 自来水炭滤系统超滤系统清水池变频供水管网用户臭氧二氧化氯管网循环图5 佛山新城区优质水厂工艺流程图以自来水为原水，经过活性炭吸附、超滤膜过滤、臭氧和二氧化氯联合消毒处理，再由供水泵组和管网送至各用户，并定期对管网水循环回流，形成一个完整闭环的水处理系统。图6：新城区优质水厂超滤膜系统采用的膜丝、膜组件及膜列。 5.2 进、出水水质对比表1 原水、出厂水水质和优质供水水质要求(部分项目)序号检验项目新城区启动区优质供水水质目标要求原水新城区优质水厂膜出水新城区优质水厂出厂水1浊度/NTU0.30.3260.0780.0962色度/度105553pH7.08.57.357.467.384CODMn/mg/L21.290.720.715总硬度（以碳酸钙计）/mg/L45094.983.93.06溶解性总固体/mg/L6001401431437细菌总数/CFU/mL5012118总大肠菌群/CFU/100mL00009粪大肠菌群/CFU /100mL000010蓝氏贾第鞭毛虫/个 /10L100011隐孢子虫/个 /10L100012TOC/mg/L3.01.741.702.0013铁/mg/L0.30.040.040.0414锰/mg/L0.10.010.010.01生产运行结果表明，新城区优质水厂净水工艺处理效果良好，可有效去除浊度和CODMn，保证出厂水浊度和CODMn分别在0.15NTU和0.8mg/L以下，对细菌和“两虫”有很高的去除效果，确保了出水的生物安全性，其余各项指标均达到了佛山市新城区优质供水水质要求，有效提高了供水水质安全性，改善了出水口感。6、 小结（1）膜处理技术发展迅猛，技术进步和价格下降的空间很大，今后在城市饮用水中的应用将越来越广泛。（2）膜处理技术具有出水水质稳定，易实现自动化、生产所需化学药剂少等优点，但也存在膜污染需化学清洗等问题。（3）超滤能够在去除水中有害物质的同时保留水中的有益离子，适宜作为优质供水的处理工艺。（4）以超滤为核心的组合工艺能够较好地解决当前面临的水污染处理问题，也非常适合于老水厂的升级改造，将砂滤池改为膜池，可同时提高水厂的水量和水质。（5）佛山新城区优质水厂生产实践表明，膜技术作为优质供水的处理工艺是可行的，能得到安全、健康的饮用水