旋转错流式超滤净水工艺在农村饮水中的应用

2018-03-28阮清波肖飞鹏耿安朝黄伟军

中国水利 2018年5期

阮清波，肖飞鹏，耿安朝，黄伟军

（1.广西壮族自治区水利科学研究院，530023，南宁；2.广西水利电力职业技术学院，530023，南宁；3.苏州膜海分离技术有限公司，215011，苏州）

超滤净水工艺是继“混凝—沉淀—过滤—氯消毒”常规工艺和“臭氧—活性炭”深度处理工艺两代饮用水净化工艺之后，采用活性炭吸附和超滤处理的又一新型水处理工艺，它不仅能有效去除浊度，还能对水中的细菌和病毒进行有效地去除，并能在不含任何添加剂情况下去除水中的有机和无机污染物，保留对身体有用的物质，因此越来越受到供水行业关注。但从广西的示范应用来看，作为超滤净水工艺中常用的中空纤维膜超滤净水工艺对原水有一定要求，使用地表水源要做好预处理过滤设施，才能有效延长超滤膜的使用寿命，而加强预处理措施除增加投资和管护成本外，有些方面也需专业人员管理维护，同时，频繁的反冲洗也增加运行成本，这些因素限制了膜分离技术在农村饮水工程中的推广应用。为探讨简化或取消预处理措施，结合苏州膜海分离技术有限公司提出的旋转错流式超滤膜净水创新工艺，通过立项“广西农村饮水净化工艺与关键设备研发与应用”等课题，探讨了旋转错流式超滤净水工艺在小型农村饮水工程中应用的可行性。

一、旋转错流式超滤净水创新工艺设备研发情况

为使先进的超滤净水工艺广泛应用于水源水质复杂多变的小型农村饮水工程，我们开展了“广西农村饮水净化工艺与关键设备研发与应用”等研究，结合苏州膜海分离技术有限公司提出的旋转错流式超滤膜净水创新工艺，开展了旋转错流式超滤膜净水工艺设备优化研究。经多年实践探讨和筛选，形成了处理能力分别为 4～5 m3/h、8～10 m3/h、25～30 m3/h等系列化旋转错流式超滤净水工艺设备。

旋转错流式超滤净水工艺设备开发的思路是：通过独特的结构设计，利用转盘式膜组件在水中的程控旋转而实现主动错流过滤。净水工艺原理是：依靠膜组件在切向运行过程中产生的剪切力、离心力和滤液湍流，高效冲刷和清洁膜表面，提高并稳定膜通量，显著改善膜污染，从而克服当前常用的中空纤维膜超滤净水工艺超滤膜易堵塞、难清洗、维护管理繁杂等技术缺陷以及曝气操作造成的低效率、高能耗、不适用于厌氧水处理和工业精滤等局限，提升膜技术的工业化应用水平。核心技术是基于平板式膜组件在滤液中的程控旋转运行而实现主动式错流过滤，消除膜操作过程中的浓差极化现象（而非靠滤液在膜表面切向运动所产生的被动式错流）。

二、旋转错流式超滤净水工艺设备典型应用及其效果

1.典型工程的选择及净水工艺设备

（1）典型工程的选择

为了重点检验旋转错流式超滤净水工艺设备可直接用于天然地表水、不需采取预处理措施这一突出特性和其他相关指标，典型工程选择使用在汛期相对比较浑浊、污染杂质较多的红水河干流河段水源的大化县百马乡科优村饮水工程和使用红水河二级支流羌圩河水源的大化县羌圩乡政府驻地饮水工程，以及使用易受降雨影响的浅层地下水水源的钦州市钦南区东场镇关塘村委窖墩自然村饮水工程。各典型工程的净水工艺流程为：

（2）典型工程水源水质及其选择的工艺设备

①大化县百马乡科优村饮水工程水源为红水河干流河水，其汛期浊度变化较大，水质较差，根据2014年12月16日抽样检测结果，其浑浊度35.7 NTU，肉眼可见物有黄色泥巴沉淀，总大肠菌群540 MPN/100mL，耐热大肠菌群240 MPN/100mL，菌落总数1 300 CFU/mL，均远超国家饮用水卫生标准。工程采用苏州膜海分离技术有限公司生产的MH/XZ100/010型旋转式超滤净水设备，其净水处理能力为8～10 m3/h，按一天运行20 h计，相当于供水规模160～200 t/d。设备使用PES超滤膜片，平均孔径0.04 μm，超滤膜面积100 m2，驱动转盘膜组件的电机功率为1.50 kW、配套紫外线消毒器功率为80 W。

②大化县羌圩乡政府驻地饮水工程水源为红水河一级支流灵岐河的支流——羌圩河河水，其汛期浊度变化较大，水质较差，根据2014年12月16日抽样检测结果，其浑浊度67.9 NTU，总大肠菌群大于1 600 MPN/100mL，耐热大肠菌群1 600 MPN/100mL，菌落总数2 000 CFU/mL，均远超国家饮用水卫生标准。工程采用苏州膜海分离技术有限公司生产的MH/XZ050/005型旋转式超滤净水设备，其净水处理能力为4～5 m3/h，按一天运行20 h计，相当于供水规模80～100 t/d。设备使用PES超滤膜片，平均孔径 0.04 μm，超滤膜面积50 m2，驱动转盘膜组件的电机为0.85 kW、配套紫外线消毒器功率为36 W。

③钦州市钦南区东场镇关塘村委窖墩自然村饮水工程水源为浅层地下水，其受降雨影响浊度变化较大，水质较差，根据2013年6月14日抽样检测结果，其色度175°，浑浊度163NTU，肉眼可见物呈黄色、较多，总大肠菌群1 600 MPN，耐热大肠菌群33 MPN，均远超国家饮用水卫生标准。工程采用苏州膜海分离技术有限公司生产的MH/XZ050/005型旋转式超滤净水设备，其净水处理能力为2～3 m3/h，按一天运行 20 h计，相当于供水规模40～60 t/d。设备使用PES超滤膜片，平均孔径0.04 μm，超滤膜面积50 m2，驱动转盘膜组件的电机为0.85 kW、配套紫外线消毒器功率为36 W。

2.典型工程应用成效及水质测试成果

（1）典型工程水质抽样检验结果

各典型工程从2014年1月安装完成开始运行，到2017年5月底已运行近3年半，运行期间经当地县（区）疾病预防控制中心抽样检测，各饮水工程使用旋转式超滤净水设备后，能高效去除水中悬浮与胶体微粒、生物大分子、细菌、原生动物、藻类等致病微生物，出水浊度小于2 NTU，总大肠菌群等于零，出水水质均达到或优于国家现行《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006），各饮水工程的典型抽样检测结果见表1（其中大化县百马乡科优村饮水工程和羌圩乡政府驻地饮水工程为2014年12月16日的抽样检测结果，钦南区窖墩村饮水工程为2014年11月28日的抽样检测结果）。

（2）典型工程应用成效

①旋转错流式超滤净水工艺设备取消了传统工艺中瓷砂和活性炭过滤以及加氯环节，无须更换耗材，无须像中空纤维膜超滤净水工艺那样频繁反冲洗和设置预处理保安过滤，即可实现高效错流过滤和膜表面自我清洁，抗污染能力强，不易堵塞。

②在3年半的运行期间经历了各年度中的季节性水源水质变化，特别经历了降雨时浊度的较大变化，目前运行正常，观测表明，旋转错流式超滤净水工艺设备出水通量没有减少，出水水质达到或优于国家现行生活饮用水卫生标准。

③旋转错流式超滤净水工艺设备水质净化仍是一种物理过程，不需发生相的变化和添加助剂，保持原水干净时的口感，受到农村群众普遍欢迎，避免加氯消毒易引起群众反感、不愿意添加使用的尴尬。

表1　典型工程净水设备进、出水水质对比表

表2　小型农村饮水工程典型净水工艺应用效果及相关指标比较表

3.旋转错流式超滤净水工艺设备与其他典型净水工艺设备的应用比较

旋转错流式超滤净水工艺设备通过完善形态设计，解决污堵问题，实现膜表面自清洁；膜基体进行纳米表面修饰，排斥有机物黏附，形成荷叶效应，具有独特的旋碟自净效果。不需设置预处理措施，不用像中空纤维膜超滤那样预置滤芯、滤柱等需要频繁更换的装置，可直接抽取各种水源水进行净化，出水水质满足要求。成套设备可由PLC程控自动控制，无须人工干预；旋转错流自身制水成本不到0.1元/m3，具有较好的经济性。

旋转错流式超滤净水工艺设备典型应用成效及与其他典型净水工艺比较见表2。