预处理+超滤净水装置优化组合系统示范研究

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(1.四川省水利科学研究院，成都，610072；2.盐亭县水务局，四川 盐亭，621600；3.海南立昇净水科技实业有限公司，海南，518040)

预处理+超滤净水装置优化组合系统示范研究

叶红1，周芸1，胡飞2，赵承俊2，蒲泽鑫2，陈康3

(1.四川省水利科学研究院，成都，610072；2.盐亭县水务局，四川 盐亭，621600；3.海南立昇净水科技实业有限公司，海南，518040)

西南山丘区农村供水传统净化工艺难以解决当前面临的诸多水质问题，本项目构建了超滤净水装置优化组合系统，开展现场水质净化效果试验，获得了水质净化数据、运行管理参数等，提出了应用技术模式，为农村饮水安全提质增效提供了技术支持。

预处理 超滤净水装置 优化组合 示范研究

1 前言

西南山丘区地缘辽阔，既有浅丘平坝也有高山深丘，农村饮用水源不同，受污染的特征和本身的自然条件也有显著不同，但主要的共性是农民居住分散，自然村落规模小，农业生产集约化程度较低，气候普遍温和，水资源较丰富，饮用水源地主要以库泊、河渠沟塘地表水等自然水体为主。随着经济社会的快速发展，饮用水源大多受到严重污染并有进一步恶化的趋势，使现有混凝—沉淀—过滤—消毒的传统工艺，难以满足当前饮用水安全提质增效目标的要求，需要开展适合农村技术管理水平的、经济适用的水质净化技术研究与示范，以提高水质安全水平，保障水质安全。因此，课题组开展了西南山丘区农村饮水水质保障技术及装置研究与示范。

近年来，以超滤膜组合工艺为代表的膜处理技术受到了广泛的关注，超滤膜采用纯物理方法过滤，有效滤除细菌、病毒和绝大部分悬浮颗粒物。出水浊度和菌落指标均达到国家饮用水卫生标准。模块化的装置设计，非常适合中小型集中、分散供水系统，自动化程度高，易管理，非常适合农村地区管理水平。但是，采用单一的超滤膜技术面临着超滤膜污染问题，本课题组针对四川盐亭县永泰乡供水站原水的水质特点，以大口井+重力无阀滤池作为超滤膜前预处理方式，考察预处理+超滤净水优化组合工艺对原水的去除效果，缩短制水工艺流程、降低药剂耗量，从而降低基建投资和运行费用。

2 超滤净水装置优化组合系统设计及示范

2.1 示范区选择

通过现场多次调研与协商，示范点选在盐亭县永泰乡供水站。供水人口包括场镇居民和学校共计2800人，设计供水规模220m3/d。水源类型为地表水(湍江取水)，为保证稳定取水，采用大口井作为取水设施，河道源水水质经盐亭县疾病预防控制中心卫生检测(2014年7月11日)，结果表明：所检指标中菌落总数、总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌、色度、肉眼可见物不符合国家饮水卫生标准要求，其余指标符合要求。

2.2 原有供水工程及其存在问题

该供水站原有水处理采用混凝—沉淀—过滤—消毒的传统工艺，在新形势下已不堪负重，难以解决当前的诸多水质问题，主要包括：用水泵直接提取河水，常规工艺的净水效果受原水水质的影响较大，通常会使出水水质如浊度、颗粒物等指标超标；饮用水的微生物安全性难以有效保障；运行成本高。

采用传统工艺建造中小型自来水厂，不具备规模化效应，占地面积大，因运行管理及日常维护不善，供水水量及水质难以保证。由上可见，在水源受污染情况下，由于传统自来水净化工艺的局限性，经处理后的生活饮用水水质安全性难以有效保障，已经不能与现有的水源和水质标准相适应，必须选择新的适合城镇和农村居民使用的替代水处理技术。经过与当地水利部门协商，结合农村饮水安全建设项目，决定采用预处理+超滤组合工艺改造该供水站，改善供水保证水平。

2.3 预处理+超滤净水装置优化组合系统设计

预处理+超滤净水装置优化组合系统是在原有的渗滤-大口井-重力式无阀滤池工艺上直接增加超滤工艺，是传统工艺供水厂进行深度处理改造的一种方案。该方案虽然增加了水处理工艺流程长度，但重力式无阀滤池良好的出水水质往往能够为超滤提供稳定的进水条件。

试点工程工艺流程为：大口井-重力式无阀滤池-超滤装置-消毒设施-清水池-高位水池(二级泵站)。

原水经大口井潜水泵泵入重力式无阀滤池，滤池出水经重力自流进入调节水池，经增压泵增压后先后进入预过滤器和超滤膜组件系统，超滤产水汇集到清水池，然后利用水厂原有的供水设施和供水管网供给用户。该处理工艺采用超滤膜组件把关，水体中存在的细菌、病毒等物质被有效截留，确保出水中微生物的安全性，且出水浊度控制在0.1NTU以下。

2.3.1 取水工程

采用在湍江永泰乡场镇上游修建渗水渠、大口井的取水方式，对水源进行初滤，增加渗水面，确保取水水量。渗水渠采用干砌料石边墙、钢筋混凝土盖板、砂石滤料，大口井周边枯水位以下3m高干砌厚0.6m块石，外围回填砂石。大口井直径3m，深8m。

2.3.2 重力式无阀滤池

由于本次选用的水源为地表水，无工业污染源，水质较好，净水处理时间按照16h计算，净水处理需求为Q=13.75m3/h，净水处理能力设计为Q=15m3/h。平均冲洗强度为15L/s·m2。水头损失为1.70m。采用双层滤料：下层为300mm厚粒径1.2mm～1.6mm无烟煤(筛网规格16目/吋～12目/吋)，上层为400mm厚粒径0.5mm～1.0mm石英砂(筛网规格36目/吋～18目/吋)。

2.3.3 超滤膜深度净化系统

超滤净化系统采用海南立升净水公司生产的设备，设计技术参数见表1。超滤膜系统设计产水量220m3/d，选用1套内压式超滤膜设备(见图1)，型号为LG1060×6-DT，共选用LH3-1060-V型超滤膜组件6支，每支膜有效膜面积为40m2。

单支膜的设计产水量为2.0m3/h，反冲洗水量为7.0m3/h，过滤周期为30min(即过滤30min进行1次反冲洗)，设备运行时间按20h/d计。反冲洗程序为“顺冲-上反洗-下反洗-顺冲”，每次反冲洗所需时间为60s，其中，顺冲10s，上反洗20s，下反洗20s，顺冲10s。即设备每天正常运行20h，产水时间约为19.3h，反冲洗时间约为0.7h。

根据设计参数，该型号设备的产水量=2.0m3/(h·支膜)×6支膜×19.3h/d=231.6m3/d，系统需要的主要设备参数见表2。

表1 超滤膜系统主要技术参数

表2 超滤系统设备参数

图1 超滤膜组件

2.3.4 消毒系统

本工程水质经上述过滤、超滤后再在清水池前进行消毒，然后供给用户饮用。消毒设计为全自动二氧化氯发生器消毒机进行水质消毒处理，自动进料投加氯消毒方式，药液用完自动停泵报警。主要技术指标：有效氯产量50g/h，水处理能力30m3/h。

2.3.5 调节构筑物及管网

该工程调节构筑物为清水池，有效蓄水容积按100m3设计。据统计，该工程供水管道总长4620m。

3 水质指标检测试验

3.1 超滤膜对滤后水的净化

试验超滤装置对滤后水作进一步处理，水温平均在17.3℃，装置在0.2MPa跨膜压差稳定运行1h，原水取水点在膜装置进水的原水箱内，超滤出水取水样点在装过滤出水的流量计取水口处，分别测定浊度、CODMn、PH值、细菌学等指标，结果见表3。

表3 超滤膜对滤后水的净化

由表3可知，重力无阀滤池出水浊度为1NTU～2NTU，膜出水的浊度<1NTU，说明超滤工艺对浊度很低的重力无阀滤池出水有进一步的处理效果，也是现阶段水厂供水浊度达标的关键。超滤膜对溶解性有机物的去除效果较好，膜出水CODMn浓度平均值为1.8mg/L，CODMn浓度去除率为32.72%～41.8%。理论上讲超滤膜能够100%截留细菌，但由表3结果可看出，超滤出水菌落总数指标为1～5(CFU/mL)，其余指标为未检出。从水质化验结果显示，出水完全符合国家饮用水卫生标准。

超滤膜对浊度、胶体物有十分理想的屏障作用，除菌效果也非常有效，但对天然有机物效果相对较弱，而滤池中的滤料对相对小分子有机物有一定的去除效果，去除率>30%。因此，为了减低原水浊度随季节的变化，保证超滤设备的正常运行，以及加强对原水中有机物的去除，在超滤前采取重力无阀滤池工艺是有效的预处理措施。

3.2 预处理+超滤组合工艺对水源水(河水)的净化效果

该试点工程采用的超滤优化组合方案是“预处理(大口井+重力无阀滤池)+超滤”组合净化处理工艺，其净化效果通过对河道水源原水以及相应的超滤净化后出水进行取样试验，水质分析由当地疾控部门分析完成，化验结果见表4。结果显示：在系统试验运行期间，该组合工艺出水浊度基本被去除，有机物去除效果较好，对CODMn的去除率为58.18%～67.27%；菌落总数去除率为96%；总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌均未检出。主要水质指标均达到国家饮用水卫生标准，说明该组合工艺对示范供水站原水(地表水)的净化效果是成功的。

表4 组合工艺对原水的净化

4 超滤膜操作参数试验

超滤膜在使用过程中，膜通量随运行时间的延长而降低。压力、温度、流速、PH值、浓水排放量等主要操作参数，对浓差极化、膜孔的堵塞、凝胶层的胶固化影响很大。而膜压差和膜过滤通量是其最重要的运行参数，它能反映不同运行工况、水质下，通量和膜压差的变化。膜压差〔(P进水+P浓水)/2-P产水〕<0.15MPa。选择超滤设备运行条件如表5所示。

表5 超滤设备运行条件

注：TMP=(进水压力+浓水压力)/2-产水压力；0.1MPa=1bar(kgf/cm2)=100kPa。

本试验由于试验条件和仪器的限制，只考察压力、流速对透水通量的影响。

4.1 膜压差监测试验

依据日常观察记录表中流量计、压力表及产水量的原始记录，计算、分析膜压差是否满足〔(P进水+P浓水)/2-P产水〕<0.2MPa(建议运行跨膜压差≤0.08MPa)。

超滤净水装置在试运行的几个月中，根据观测数据统计分析，进水、浓水、超滤水的压力都稳定在下表6列出的2015年5月部分观测数据中，跨膜压差均小于0.2MPa，满足超滤设备运行条件。

表6 超滤设备运行记录(2015年5月)

4.2 流速测定试验

流速是指原液(供给水)在膜表面上流动的线速度，是超滤系统中一项重要操作参数。流速较大时，不但造成能量的浪费和产生过大的压力降，而且加速超滤膜分离性能的衰退。反之，如果流速较小，截留物在膜表面形成的边界层厚度增大，引起浓差极化现象，既影响了透水速率，又影响了透水质量。

压力降是指原水进水压力与浓水压力之差。公式：压力降=进水压力-浓水压力。

压力降与供水量、流速、浓水排放量有密切关系。沿着水流方向膜表面的流速及压力是逐渐变化的。供水量、流速、浓水排量越大，则压力降越大，形成下游膜表面的压力不能达到所需的工作压力，膜组件的总的产水量会受到一定影响。在实际应用中，应尽量控制压力降值不要过大，随着运转时间延长，由于污垢积累而增加了水流的阻力，使压力降增大，当压力降高出初始值0.3MPa时应当进行清洗，疏通水路。表6数据显示，压力降较小，说明超滤设备产水通路顺畅。

4.3 超滤膜设备的工作温度试验

示范点的年平均气温为17.3℃，超滤膜设备的工作温度保持在5℃～38℃，能保证膜在最佳状态下正常工作。

5 结论

(1)重力式无阀滤池对原水水质指标的提高效果有限，高浊度原水直接进入超滤膜过滤会造成膜的严重污染，影响产水能量和膜的使用寿命。重力式无阀滤池作为超滤膜前的预处理，实现了对大口井出水悬浮物的截留，水中的浊度、有机物、微生物等指标有一定的截留作用，一定程度上减轻了超滤膜的污染负荷，避免了原水与膜丝的直接接触，从而减轻了膜污染，保证了超滤膜的稳定运行，弥补了超滤膜对有机物去除效果的有限性。因此在膜前增设合理的预处理工艺对提高有机物的去除以及保持超滤装置的稳定运行具有重要意义；

(2)大口井—重力无阀滤池—超滤优化组合工艺的产水浊度可控制在0.1NTU以内，远低于GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》的要求，总大肠菌群、耐热大肠菌群具有完全的截留作用，细菌总数去除效果良好，提高了微生物安全保障能力。对CODMn的去除率大于30%，有效降低了出水中的有机物含量；

(3)预处理+超滤净水装置优化组合系统更能确保饮用水的水质安全性，另外超滤设备对过滤、反冲、保护等可以实现完全自动控制、自动运行，使得供水站的运行维护变得简单且容易管理。这种优化组合净水系统是农村饮用水净化技术的可行选择，在类似的农村供水工程改造升级中具有良好的应用前景。

〔1〕朱方旭.预处理-微滤膜处理微污染水的试验研究[D].江西：南昌大学，2012.

〔2〕刘 婷.三种预处理技术对超滤膜污染的影响及其机理研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

〔3〕刘光亚.超滤技术在饮用水处理中的应用和研究进展[J].浙江工商职业技术学院学报，2007，6(3)：57～59.

〔4〕全 艳.水厂升级改造中超滤系统的中试和应用分析[J].科技与企业，2014(5)：13.

〔5〕孟 聪、李圭白、吕 谋.预处理对超滤膜产生不可逆吸附污染的影响[J].青岛理工大学学报，2013，34(4)：82-86.

TU991.27

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2095-1809(2017)05-0021-05

叶 红，女，大学，高级工程师，主要从事水资源和水环境方面的研究工作。

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