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超滤膜技术应用于农村安全供水Time:2015-08-27    Click:

饮水安全工程是农村建设重要的基础设施,关乎农村居民的生存、生活和生产等切身利益。近些年虽有一大批饮水安全工程在农村地区建设并投入使用,但很多工程的供水水质安全性仍不容乐观。大多数农村水厂采取沉淀、过滤、消毒等常规处理工艺中的一项或几项,没有完善的处理措施。这主要是因为老式水厂建设面积较大、运行维护较为繁琐,不利于其在农村地区推广。而超滤技术具有能耗低、过滤性能优良、占地面积小、运行维护简单等特点,可在农村饮水工程中广泛推广。

位于重庆市秀山县龙池镇建国村的饮水示范工程,以浸没式超滤膜为核心工艺,并辅以混凝、粉末炭等预处理技术以及滤后消毒工艺,出水水质按国家现行的《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)中关于小型集中供水的水质标准严格把关。笔者对该工程的长期运行效果进行分析,探讨超滤技术在农村供水工程中应用的可行性。

1 水厂设计

1. 1 净水工艺选择

建国村原有水厂的净水工艺如下: 水库水→砂滤罐→清水池→供水管网。可以看出,该水厂的净水工艺仅是过滤工艺,设备为砂滤罐,没有过滤前的混凝设备,更没有后续的消毒措施。其出水水质如下: 色度为12 倍、浊度为5.17 NTU、CODMn为2.43mg /L、总大肠菌群为180 MPN/100 mL、耐热大肠菌群为490 MPN/100 mL; 而《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006) 中关于小型集中供水的水质标准: 色度为20 倍、浊度为3 NTU、CODMn为5 mg /L、总大肠菌群和耐热大肠菌群均不得检出。可见,水厂的原有工艺处理效果差,不能满足国家对农村小型集中式供水的要求。因此,需要通过有效的方法降低浊度和去除微生物; 再加上农村建设饮用水处理站所需的集成度高、操作简单的要求,最终选择混凝/超滤膜组合工艺(见图1) 。

1. 2 超滤膜装置及工艺参数

膜处理装置如图2 所示。通过对建国村人口、用水量的调查,确定膜装置的产水量为10.0 m3 /h。水库水经混凝处理后由泵提升至膜池,膜池内的水位由液位控制器控制,膜池内安设20 片PVC 帘式膜组件,膜组件底部采用穿孔管鼓风曝气,膜出水由抽吸泵抽吸出水,并定期用膜出水对膜组件进行反冲洗。

膜装置的运行参数: 混凝剂聚合氯化铝的投加量为0.8 mg /L; 曝气时间间隔为30 min,曝气持续时间为1 min,曝气强度为80 m3 /(m2·h) ; 水力反洗周期为150 min,反洗强度为70.6 L /(m2·h) ,反洗历时3 min。

试验用膜为某国产浸没式PVC 合金超滤膜,膜组件主要工艺参数如下: 温度为5 ~38 ℃、pH 值为1 ~ 13、截留分子质量为50 ku、膜内径为1.0 mm、膜外径为1.6 mm、单帘膜面积为8.03 m2、工作压力为0.03 ~ 0.08 MPa。

1. 3 分析项目及方法

浊度: XZ- 1B 型浊度仪; CODMn : 酸性高锰酸钾法; 膜通量: 液体流量计; 膜运行压力: 真空压力表;pH 值: PHSJ- 4A 型pH 计。

2 处理效果分析

2. 1 膜装置对浊度的去除效能

浊度的高低是判断水处理效果的重要指标。天然原水中浊度组成为粘土性物质、胶体状的铁锰(氧化后) 、浮游生物、藻类、微生物和有机物等,粒径范围为0.1 μm 至数百微米。超滤过程是一个物理筛分过程,而超滤膜孔径一般为0.002 ~ 0.1μm,能有效去除水中浊度。原水的浊度很稳定,为4.12 ~ 5.89 NTU,波动范围不大,其中5 月份的浊度最大(为5.89 NTU) ,而膜出水浊度保持在0.5NTU 以内,去除率稳定在90%以上。

试验所用超滤膜孔径为0.01 μm,虽然没有达到与其他试验研究相同的处理效果(出水浊度<0.1 NTU) ,但本试验的实际运行结果表明: 超滤膜对原水浊度的去除效果良好,去除率较高且相对稳定,远远优于国家饮用水标准对农村小型集中式供水水质的要求,能从根本上保证浊度的达标率。

病菌、病毒及其他有害物质往往附着于形成浊度的悬浮物中,对浊度的去除率高,也说明对病菌和病毒有很好的去除能力,而较低的病毒含量,也有利于后续的消毒效果,能确保饮用水的生物安全性。

2. 2 膜装置对水中有机物的去除效果

有机物的去除是水处理工艺中的一个重要过程。从4 月—8 月,试验装置对CODMn的去除率均在45% 以上,最大为53.1%,平均去除率为49.04%,设备最终出水CODMn值始终保持在1.3mg /L 以下,远远优于国家标准的规定。

天然水体中有机物的分子质量主要集中在(10~ 30) 、<1 ku 的范围内,而有机物的亲疏水性与分子质量之间存在密切的关系,分子质量较大的有机物表现出较强的疏水性,分子质量较小的有机物则表现出较强的亲水性。因此,一部分分子质量较大的疏水性有机物通过滤膜的筛分而被截留去除,而分子质量较小的亲水性有机物则通过了膜孔,从而导致膜工艺直接处理有机物的效率不高。

超滤膜直接过滤原水时对有机物的去除效果差,但混凝与超滤联合使用可大大提高对有机物的去除效果。尹华升等人对某水库水进行膜处理试验,将原水直接超滤和微絮凝/超滤两组平行试验进行对比,在去除有机物方面,微絮凝/超滤工艺明显优于直接超滤工艺,对CODMn的去除率提高了19.76%; 柯水洲等用超滤技术对湘江原水进行处理,混凝/超滤对CODMn的去除率达到48%; 李海超等用超滤膜对黄浦江原水进行中试研究,结果表明: 聚合氯化铝/超滤和硫酸铝/超滤两种工艺对CODMn的去除率均可以达到45%。在该试验中在线混凝/超滤组合工艺对原水中有机物的去除效果非常显著,且在线混凝对去除有机物的贡献程度多于超滤膜。

2. 3 超滤装置对细菌的去除效果

超滤膜能有效去除大肠杆菌。试验结果表明,膜池进水的总大肠杆菌数为79 ~ 235 MPN/100 mL,耐热大肠杆菌数为98 ~ 183 MPN/100 mL,菌落总数为110 ~ 314 CFU/mL,而膜滤出水的各项指标均接近于零。因此,该膜滤装置对水中细菌具有较高的去除率。

3 超滤技术在农村地区推广的可行性分析

由于农村地区居民收入相对较低、住户较为分散、用水时间不集中以及取水较为困难等特点,农村饮用水工程的建设必须符合制水成本低廉、产水快捷、有较高回收率等要求。试验通过长期的运行对回收率和经济成本作出分析,以论证超滤技术在农村地区推广的可行性。

3. 1 回收率分析

膜滤系统的总回收率是指系统总净产水量与总进水量之间的比值。以一个完整的过滤—反冲周期为例,该工程中膜产水的去向主要有两个方面: 一部分作为反冲水而暂时储存于反冲洗水箱中; 另一部分直接进入清水池。储存于反冲洗水箱中的处理水在临近该周期的最终阶段会随着反冲的进行而反向透过膜重新回到膜池中,最终系统通过排污的形式排放一定体积的浓缩液。在该试验中超滤系统的总回收率达到93.8%,设备对水资源的浪费仅限于对膜池浓缩液的排放。与常规水处理工艺相比,该系统不仅提高了净水效率,更节约了水资源,这对于日渐严重的全球水资源危机不失为一个新的缓解途径。

3. 2 经济成本分析

该试验中超滤膜净水系统的运行成本主要包括: 动力费(电费) 、药剂费、人工费、折旧费,以一个月为期限。各部分费用估算见表1。

在超滤系统的运行成本中,动力费和折旧费占到总运行成本的近90%,药剂费和人工费大体相当。在动力费中,抽吸泵的贡献最高,达到93.5%,其次为鼓风机(5.05%) ,而反冲泵和加药泵对运行成本的影响几乎可忽略不计; 在药剂费中,由于混凝剂的投加方式为连续投加,因此其费用与消毒剂相比占主导地位,达到84.3%; 在折旧费中,作为系统核心的膜组件,其更换费用占到总折旧费的85.1%,远远超过其他泵机设备的折旧费。

该套系统的总运行成本为0.239 元/t,这与膜滤系统的运行成本相符。

该膜装置的占地面积为21 m2,相比于其他处理方式的构筑物,其占地面积较小; 膜装置的制水较为快捷,能够满足农村地区用水时间不集中,即产即用的特点; 用水的回收率较高,能够减少源水的浪费; 通过经济成本分析,该超滤装置的制水成本较为低廉,能够让广大农村居民接受。因此,在农村饮用水工程中广泛推广超滤装置是可行的。

4 结论

①在原水浊度不是很高的情况下,超滤膜对浊度仍能保持较高的去除率,去除率始终在90%以上,出水浊度在0.5 NTU 以下,能满足农村小型集中式供水水质的要求。

②超滤膜直接过滤原水对有机物的去除率不高,但和其他工艺组合能提高去除率。原水经混凝后再进行过滤,对有机物的去除率保持在45.3% ~53.1%之间,出水水质能满足国家对小型集中供水水质的要求。

③超滤膜对水中细菌的去除率较高,出水中几乎检测不到细菌,能有效保证饮用水的微生物安全性。

④超滤工艺有很好的处理效果和较高的回收率,且经济成本较低,能为广大农村居民所接受,适合在农村地区推广。