应用不同膜组合工艺对自来水厂自来水处理的研究

寇瑞强

摘要：本文用不同的膜工艺组合，对上海某自来水厂的自来水进行深度处理中试研究，达到直接饮用的目的。研究超滤膜工艺、纳滤膜工艺、超滤膜+纳滤膜工艺、超滤膜+反渗透膜工艺对自来水处理的达标性能，以及研究不同工艺超滤膜、纳滤膜和反渗透膜的水通量、通量衰减、通量可恢复性等性能。关键词：自来水提标；直饮水；超滤膜；纳滤膜；反渗透膜 1 前言在新建水厂和旧水厂升级改造过程中，膜技术是重要的选择之一[1][2]。膜技术作为“十二五”国家水专项中饮用水主题的重点支撑技术，具有精度高、能耗低、抗污染、通量大等突出优点，使其替代传统工艺，实现大规模应用成为可能。与传统工艺相比，膜技术是通过纯物理过滤方式，去除水中的细菌、病毒、胶体杂质和大分子有机物，不会对水质增加二次污染，因此膜技术是个“绝对安全”的概念，也是目前最为理想的水处理技术之一。[3]其中，超滤膜孔径为0.01-0.1微米，纳滤膜孔径为1-20纳米，反渗透膜则没有孔，靠水在其膜内的溶解-扩散机理达到水质的净化。超滤进水水源为经混凝沉淀预处理后的河水，通过UF对水中的悬浮固体、微生物、细菌病毒、胶体类物质等进一步去除，UF对细菌和微生物去除能力达到4-5log，UF出水濁度、微生物卫生学指标等达到自来水要求。[4]纳滤膜则能去除高硬度水中的大部分钙、镁离子。反渗透膜由于其致密的膜结构，不但能去除所有的细菌、颗粒、悬浮物等，还能去除重金属离子、有机物等[5]。2018年年底，为提高自来水水质，探索各种膜组合工艺运行的水质达标、稳定性、成本等各方面情况，上海某100万吨/天自来水厂进行膜法提标中试，要求各个参与中试单位自制中试设备，统一对中试数据进行采集、分析，以便选出最经济有效的膜工艺来对其旗下的自来水厂进行大规模提标改造。我公司启迪清源（上海）新材料科技有限公司参与了该中试项目，自制膜中试集装箱到该自来水厂，到目前为止进行了6个月的运行。本文将对该中试的超滤膜工艺、纳滤膜工艺、超滤膜+纳滤膜工艺、超滤膜+反渗透膜工艺对自来水处理的达标性能进行研究总结，并研究不同工艺超滤膜、纳滤膜和反渗透膜的水通量、通量衰减、通量可恢复性等性能。2 中试实验部分2.1 主要原料启迪清源公司自产的KING-MEM-2000超滤膜，膜面积60平方米； 8寸纳滤膜和8寸反渗透膜，NaOH溶液，柠檬酸溶液，专用反渗透膜清洗剂等。2.2 仪器及设备自制中试膜集装箱，BOD、COD、氨氮一体化测试仪，原子吸收分光光度计，恒温培养箱、鼓风干燥箱，均质器，菌落计数器，PH计，显微镜等。2.3 中试实验部分本中试实验分为四部分：第一部分为超滤膜工艺对自来水处理的性能研究；第二部分为纳滤膜工艺对自来水处理的性能研究；第三部分为超滤膜+纳滤膜工艺对自来水处理的性能研究；第四部分为超滤膜+纳滤膜工艺对自来水处理的性能研究。将经混凝沉淀处理后的自来水引入中试集装箱内的不同膜工艺装置，经过滤处理。测试产水的COD、氨氮、大肠杆菌、钙镁离子等水质参数，每天测试1次。测试膜的进水压力、产水压力、产水量等数据，每天测试两次，取平均值。每一到三个月用弱酸、弱碱等对膜进行清洗，测试膜的通量恢复情况。 2.4测试2.4.1膜通量的测试膜通量测试公式如下： 2.4.2过膜压差的测试即作用于膜两侧的压力差，它是完成膜过滤的推动力。2.4.3水通量恢复性清洗测试膜装置在其长期使用运行过程中膜会被水中的悬浮物、有机物等污堵，需要定期、不定期的对膜组件进行化学清洗，以恢复膜的通量和截留率。清洗方案（1）： 采用酸性溶液对膜装置进行清洗。该清洗方案适用于，由于当进水中Fe或Mn的含量超过设计标准，或者膜组件的进水中SS特别高，而对膜的浓水侧造成的非有机物污染。清洗方案（2）： 采用用碱性氧化剂溶液对膜装置进行清洗。当进水中有机物含量高，可能引起滤膜受到有机物污染。并且当条件有利于生物生存时，一些细菌和藻类也将在SFP膜组件中产生，由此引起生物污染。清洗方案（3）：采用反渗透专用药剂对反渗透膜进行清洗。2.4.4水质分析将膜过滤的产水进行水质测试分析。用BOD＼COD一体化测试仪对水中COD等指标进行测试，用常规方法对水中大肠杆菌进行测试，用原子吸收分光光度计测出水中钙、镁等离子浓度。3 结果与讨论上海城投水务（集团）有限公司旗下该自来水厂的未经任何处理的水源地水质分析如下表：由此可见，水源中浑浊度、COD等部分指标超标，需要经过处理，才能成为合格的自来水。水源中其他指标都能达到饮用水的规定。因此，本中试实验主要针对膜工艺对浑浊度、悬浮物、COD、膜处理量、膜通量衰减和恢复等进行监测、讨论。业主规定，本中试膜装置前的预处理为混凝沉淀，以便去除部分悬浮物、胶体或有机物等。3.1 不同膜工艺对浑浊度的去除不同膜工艺对浑浊度的去除率见图二。从图中看出，超滤出水浊度始终小于0.3NTU，完全能满足饮用水对浑浊度的要求（浑浊度要求≤1.0NTU）。而经过纳滤膜和反渗透膜过滤的水，浑浊度基本为0。由此可见，不管是超滤膜、纳滤膜还是反渗透膜，对浑浊度都有较高的去除率。 3.2 不同膜工艺对氨氮的去除不同膜工艺对氨氮的去除率见图三。从图中看出不论是超滤膜还是纳滤膜对氨氮的平均去除率仅在10-35.3%左右，这是因为氨氮等分子量很小，很容易透 过超滤膜微孔，从而使去除率很低。反渗透膜对氨氮的平均去除率在80%以上。由于水源中氨氮含量较少，所以，尽管超滤膜和纳滤膜对氨氮的去除率较低，但出水还是能达到标准。3.3 不同膜工艺对COD的去除不同膜工艺对COD的去除见图四，从图中看出超滤膜对CODcr的平均去除率仅在29.3%以上，纳滤膜对CODcr的平均去除率在56.2%以上，反渗透膜对CODcr的平均去除率在88.2%以上。实验结果证明，如果水源中COD过高，则仅靠混凝沉淀+超滤工艺很难使COD降到3以下。而不论水源COD如何变化，纳滤膜和反渗透膜都对COD有较好的去除率，都能满足饮用水的指标。 3.4不同膜工艺运行通量衰减和恢复情况化学介入反洗 （CEB）是指在中空纤维膜膜丝内侧加入具有一定浓度和特殊效果的化学药剂，通过反洗、浸泡等方式，将膜表面在过滤过程中形成的污堵物清洗下来。化学清洗 （CIP）是指用配置好的酸碱清洗液或杀菌剂，化学药剂从进水侧进入超滤，从浓水侧和产水侧回流至清洗水箱循环进行清洗的方式，以有效的去除超滤的污堵物。从下图超滤运行的压力变化可以看出，膜在运行4个月左右，压差略有上升，但经过化学清洗后，运行压差又恢复到起始水平。说明膜虽然在4个月的运行中有所被污染，但可恢复。纳滤膜和反渗透膜虽然数值有所不同，但趋势和超滤膜完全相同。 3.5 不同膜工艺投资情况从投资成本来看，超滤工艺最低，纳滤膜适中，其他两种工艺虽然能提供更稳定的出水水质，但投资成本是前两种的1.5-2倍，业主基本不予考虑。不可否认，超滤+纳滤和超滤+反渗透工艺对偏远地区的苦咸水、高硬度水等特殊水源处理还是有比较大的优势。4 结论本文用不同的膜工艺组合，对上海某自来水厂的自来水进行深度处理中试研究，达到直接饮用的目的。通过研究超滤膜工艺、纳滤膜工艺、超滤膜+纳滤膜工艺、超滤膜+反渗透膜工艺对自来水处理的达标性能，以及研究不同工艺超滤膜、纳滤膜和反渗透膜的水通量、通量衰减、通量可恢复性等性能，得出如下结论：1）不管是超滤膜、纳滤膜还是反渗透膜，对浑浊度都有较高的去除率；2）超滤膜和纳滤膜对氨氮的平均去除率较低，反渗透膜对氨氮有很好的去除率；3）如果水源中COD过高，则仅靠混凝沉淀+超滤工艺很难使COD降到3以下。而不论水源COD如何变化，纳滤膜和反渗透膜都对COD有较好的去除率，都能满足饮用水的指标。4）四种膜工艺的膜产品都能长时间稳定运行，并且污染后经过短时间清洗，通量都可恢复到起始水平。5）针对该自来水厂，超滤膜工艺和纳滤膜工艺基本能满足水厂提标改造的要求。投资成本来看，超滤工艺最低，纳滤膜适中，其他两种工艺投资太高，业主不予考虑。目前中试阶段结束，业主收集和评价各家中试数据后基本确定采用超滤或纳滤工艺。最终选用哪种工艺由业主综合考量投资和运营成本再做决定。参考文献[1]李绍峰，黄君礼，伦中财，et al.臭氧—生物活性炭—膜法处理自来水.中国给水排水，2002，18（3）：71-74.[2]汪琳，胡克武，冯兆敏，et al.自来水厂超滤膜技术的研究进展.膜科学与技术，2011，31（5）：107-111.[3]谭德君，吕伟娅，王雅琴.膜法水处理技术的研究与应用现状[J].环境保护科学，2006，32（6）：27-30.[4]马刚，王璐，泰佳.超滤膜水处理技术研究[C]// 膜法市政水处理技术研讨会.2010.[5]潘献辉，赵亮.反渗透海水淡化膜法预处理技术研究进展[J].工业水处理，2007，27（6）：13-15.