外压式给水超滤工艺处理长江下游水源研究

赵锦辉，钱 建，翟鹏翔

（江苏优联环境发展有限公司，江苏 南通 226000）

外压式给水超滤工艺处理长江下游水源研究

赵锦辉，钱 建，翟鹏翔

（江苏优联环境发展有限公司，江苏 南通 226000）

通过对长江下游水源进行超滤中试试验，得出适合于该水源的外压式给水超滤运行参数，用于给水厂提标改造，以适应我国人民对饮用水水质、水量的新时期要求。

超滤；给水超滤；长江下游水源；外压式

1 概况

国家颁布的《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）对现今给水厂提出了新的要求，为克服传统工艺的种种局限，提出给水超滤膜水处理工艺，以适应新标准的要求。以下是对长江下游水源进行超滤中试试验，并取得水厂改造参数的研究过程。

2 材料与方法

2.1 试验装置介绍

本次试验采用的是外压式中空纤维超滤膜中试系统，整个系统集中放置在可移动式集装箱内。膜件为立式结构，采用有加强筋的PVDF膜丝，且膜丝仅在上端固定，下端可以自由摆动。膜件能够采用反洗和空气擦洗，自由摆动的膜丝使得污染物脱除效果好，不会产生膜丝间的污堵。

2.2 试验工艺流程

如图1所示，将平流沉淀池出水接入超滤膜车间，超滤出水进入清水池。

图1

2.3 试验用膜件的主要参数

中试膜件型号：8寸给水超滤膜组件

安装的膜件数：1

有效膜面积（m2）：49

中试系统出力：

进水量（m3/h）：2-6

产水量（m3/h）：2-6

清洗循环流量（m3/h）：2.5

快冲流量（m3/h）：等同于进水量设定值

反洗流量（lmh）：85

进水温度范围（℃）：0-40

最高进水温度（℃）：43

常规进水压力范围（bar）：0.35-2.4

最高产水跨膜压差（bar）：1.7

最高反洗跨膜压差（bar）：0.7

完整性测试压力设置（bar）：0.7-0.8

膜件排水压力（bar）：0.9-1.0

膜件耐受的PH范围：1.8-10.5

最大余氯接触浓度（ppm）：1000

最大空气擦洗量（Nm3/h）：21

2.4 试验设备

进水浊度检测仪表：1720E；

出水浊度检测仪表：1720E；

进水水温检测仪表：温度传感器E+Htr10-aka1cas1g2000；

进水流量检测仪表：科隆电磁流量计；

出水流量检测仪表：科隆电磁流量计；

进水压力检测仪表：管道式压力变送器；

出水压力检测仪表：管道式压力变送器；

2.5 试验目的

（1）测试和记录试验超滤膜在各通量条件下的性能参数。

（2）评估出水水质，确保合乎出水要求。

（3）为膜性能的长久稳定性，开发膜维护性/恢复性清洗方案。

（4）用产水渗透性能测试结果来评估恢复性清洗的有效性。

（5）测定不同季节温度下的运行通量和性能。

3 结果与分析

3.1 水质分析

根据2014年《南通某水厂水质检验日报表》，随机提取4月、6月、11月中某天的水质，如表1所示。

（1）与国内其它传统工艺水厂一样，砂滤后水可检测到大肠菌；（2）超滤膜系统出水无细菌；

（3）出水浊度不受进水浊度波动的影响，恒定在0.1以下。

3.2 恒通量运行时物理清洗对跨膜压差的恢复

运行方式：物理清洗周期30min，每次历时4min。

任取3段反洗周期（2014/3/27，平均水温13.77℃）进行考察，如图2所示。

（1）恒通量84L/（m2.h）运行；

（2）周期内，跨膜压差平均上升约96%；

表1 南通某水厂2014年源水及各构筑物出水主要水质指标（*表示未检测）：

图2

（3）清洗后跨膜压差恢复，周期之间看不出来有明显上升趋势。

（4）说明该物理清洗周期和历时较适合。

3.3 恒通量运行时维护性清洗对跨膜压差上升的控制

运行方式：维护性清洗周期为一周两次，清洗浓度200mg/L（次氯酸钠），历时45min；

取水温变化不大的时段进行考察（2014年4月18日至2014年5月6日，水温18℃至19℃之间），如图3所示：

（1）恒通量84L/（m2.h）运行；

（2）其间TMP从38kpa上升至41kpa，19日内TMP上升8%；（3）平均每日TMP上升0.16kpa。

图3

3.4 全试验过程分析

整个试验从2013年08月20日至2014年05月27日，其间2013年11月27日至2014年1月8日按照93L/（m2.h）通量运行，2014年2月18日完成化学清洗，如图4所示：

图4

（1）通量从84L/（m2.h）调整到93L/（m2.h）时运行，TMP上升到44kpa以上，并不断升高，最高达到75.26kpa；

（2）通量从93L/（m2.h）下调到84L/（m2.h）时运行，TMP缓慢下降，但仍在62kpa～72kpa之间；

（3）化学清洗结束后，TMP降低至25.87kpa；

（4）在恒通量运行情况下，暂时停机后开机，TMP将降低，如2013年10月13日的重启和2014年3月25日的重启，但TMP很快恢复上升趋势。

（5）2013年12月26日到2014年3月12日为全年水温最低（10℃左右）的时段，TMP处于高水平（最高75.26kpa），超滤系统仍可正常运行（93L/（m2.h）通量）。

3.5 超滤渗透性能分析

为考察该超滤膜的产水性能，消除水温因素的影响，引入超滤渗透性能参数，对该超滤膜进一步分析。

根据Hagen-Poiseuille定律，对于超滤系统，通量、跨膜压差与水的粘度之间的关系可以用下式表示：

式中：TMP——跨膜压差，KPa；

qc——超滤膜通量，L·m-2·h-1

ε——超滤膜开孔率

r——超滤膜孔眼直径

τ——扩散曲率，实际膜孔毛细管长度与膜厚度之比

L——超滤膜有效厚度

μ——水的粘度

对于工程应用来讲，应该考虑膜污染对超滤的影响，引入膜污染系数k；

k——考虑运行过程中的超滤膜污染系数。

式中：TMP——跨膜压差，10KPa；

qc——超滤膜通量，L·m-2·h-1

μ——水的粘度

X——渗透性能，20℃时，超滤膜在1m水头工作压力下的通量值，反应了超滤膜的特性和超滤膜的污染情况。

对于同一超滤膜，X——变化将反应超滤膜污染程度的变化。如图5所示，对全试验过程进行渗透性能分析：

图5

（1）超滤膜渗透性能与超滤的启停、清洗有直接相关；

（2）2014年2月18日完成化学清洗后，渗透性能恢复到2013年的最高水平40（lmh/10kpa）；

（3）随着超滤系统运行时间的加长，该超滤膜的渗透性能缓慢的下降，化学清洗前，从40（lmh/10kpa）下降到15（lmh/10kpa）（120天），每日平均下降0.21（lmh/10kpa）；

（4）化学清洗后，从渗透性能40（lmh/10kpa）下降到19（lmh/10kpa）（96天），每日平均下降0.22（lmh/10kpa）；

（5）从以上数据可见，化学清洗后渗透性能下降速度加快了5%。

4 小结

（1）该超滤系统在某水厂以84L/（m2.h）通量，正常运行；

（2）该超滤系统物理清洗周期内，跨膜压差平均上升约96%，物理清洗后跨膜压差恢复，周期之间无明显上升趋势；

（3）维护性清洗控制跨膜压差上升速度，恒通量运行条件下平均每日TMP上升约0.16kpa；

（4）水温10℃，TMP75.26kpa，通量93L/（m2.h）时，超滤系统可正常运行；

（5）该系统化学清洗后渗透性能下降速度加快了5%；

5 结论

（1）通过9个月的试验，考察了不同季节温度下的运行通量和性能。

（2）测试和记录了试验超滤膜在84L/（m2.h）和93L/（m2.h）通量条件下的性能参数。

（3）超滤膜系统出水无细菌，出水浊度恒定在0.1NTU以下且不受进水浊度波动的影响；

（4）物理清洗周期、历时和强度较适合实际情况，运行稳定。

（5）维护性清洗周期为一周两次，清洗浓度200mg/L（次氯酸钠），历时45min，该清洗方案保证了试验在通量84L/（m2.h）下稳定运行。

（6）化学清洗完成后渗透性能恢复到2013年最佳工况，以此判断化学清洗方案行之有效。

（7）该试验已达到预期目的，建议利用以上参数对现有水处理工艺进行技术改造，以满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）各项要求。

赵锦辉（1979-），男，江苏南通人，硕士研究生，工程师，研究方向：水环境治理。