叶城县西片区水厂水前端预处理问题探讨

宋 鑫

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，乌鲁木齐 830002)

1 工程背景

叶城县西片区水厂工程的供水水源为提孜那甫河，提孜那甫河属冰雪融水及降水补给为主的河流，径流的年内分配极不均匀，其多年平均年径流量为4.0042×108m3，最大年径流量为4.7541×108m3(1994年)，最小年径流量为2.9814×108m3(1993年)，经分析叶城县西片区用水量P=50%、P=75%、P=95%时的年径流量分别为3.99×108m3，3.62×108m3，3.11×108m3。2014年新建西片区水厂，日供水规模为13115.74m3/d，2017年西片区水厂水源及管网改造工程，日供水规模为20398.084m3/d，其中新水厂供水规模为13115.74m3/d，超出新水厂供水规模的部分由恰瓦克11村水厂、依力克其5村水厂负责供水，日供水规模为7282.344 m3/d，新水厂供水规模未发生变化，本次复核满足用水规模。

2 亟待解决的问题

本次叶城县西片区水厂改扩建工程水源采用提孜那甫河地表水，由于原水水质浊度汛期浊度高，需采用净化措施，方能满足饮水安全要求，现状工艺无法满足对原水处理的降浊时间及水量，从而导致出厂水浊度不达标，2019年6月水厂出厂水浊度达到91NTU。本次新建调蓄沉砂池容积按2.5d调蓄时间计算，取整为39000m3/d，调蓄沉砂池布置形式采用一处沉砂、一处运行的交替形式。

2019年2月喀什市供水水质监测站检测出提孜那甫河水原水中硫酸盐含量326mg/L，总硬度470mg/L超标，同批检测出厂水硫酸盐含量261mg/L，总硬度450mg/L，硫酸盐超标。2019年6月18日新疆昌源水务科学院检测出西片区水厂出厂水浑浊度91NTU，肉眼可见物主要为泥沙沉淀，总大肠杆菌3.1。现状水厂未设计除盐设备，无法解决水质中的硫酸盐和总硬度超标问题；现状预沉池水流停滞时间不足，不能起到初沉的效果，在汛期斜板沉淀池运行困难，淤积严重，水厂现状一体化净水设备不能对水质超标问题进行相应的处理，导致出厂水不达标。新水厂运行期维护和管理跟不上，水处理设备中电动蝶阀现均不能电启动，只能手动操作，运行管理不便；设备在线浊度仪现状 不能提供进、出厂水浊度数据，水质浊度仅靠工作人员肉眼观察，凭借经验对设备进行加药絮凝，降浊效果不明显。

本工程主要建设任务为老水厂新建除盐设备(超滤+反渗透)，针对超标水质进行处理，处理后输水至清水池进行调配，满足出厂水饮用标准。

3 前端预处理工艺

根据水质检测结果显示，水源主要存在的问题是硫酸盐、总硬度、浊度超标，因此采用常规深度处理工艺难以除去，因此需要采用除盐处理工艺法，在进行除盐处理前，必须对水源水进行除盐前端处理，针对除盐前端处理工艺流程进行如下两个方案的比选。

3.1 多介质过滤器

多介质过滤器是一种机械过滤的技术，即借助层状的无烟煤、砂、细碎石榴石或其他材料所组成的床层达到水源水过滤的目的。为达到较好的过滤效果，床层顶层应为最轻质、品级最粗的材料，最重、品级最细的过滤材料应设置在床层最底层。如此设计才能使水源水中的颗粒按照粒径大小逐次被床层顶层至介质的较深层逐一去除，实现深度过滤，并使水质达到粗过滤后的标准水平。

叶城县西片区水厂水处理多介质过滤器设备是压力式的，当水源水自上而下经过滤料，水中悬浮物便会因吸附及机械阻流等综合作用而遭到滤层表面的截留，待失去大部分悬浮物的原水流经滤层时，滤料层内排列紧密的砂粒增大了水中微粒与砂粒接触的机会，水中凝絮物、残余的悬浮物与砂粒表面发生相互黏附后，便会将原水中杂质进一步截留在滤料层，达到澄清水质的目的。

3.2 超滤膜预处理

超滤是一种重要的饮用水膜分离技术，超滤技术比常规水处理技术更能有效过滤和去除原水中微米级的颗粒，还能有效过滤和去除常规水处理技术所无法处理的纳米级微粒，提升饮用水水质。超滤这种膜分离技术属于压力驱动程序，通过筛除机理将水中杂质彻底去除，并在压力驱动下使水流透过膜从高压侧流至低压侧，膜将水中大小微粒组分统统阻隔，浓缩后的水呈浓缩液的形式排出。超滤膜分离技术对于大分子物质、胶体、蛋白质等物质的分离均较为适用，对溶质分子量的分离下限可达数千DMtons，所分离的组分孔径范围可达0.001-0.05μm，对于原水中的悬浮物、胶体、有机物等杂质均能有效去除，对于多介质过滤器能起到有效的取代作用[1]。

但从当前超滤技术在国内外水厂中的应用和实际运行情况来看，该技术仍面临无法有效去除包括耗氧量、UV-254、氨氮等在内的溶解态有机污染物的难题；在超滤膜使用时还可能出现膜丝断裂等问题，导致未经处理的原水通过断裂破损膜丝直接进入产水侧，并与处理过的水发生混合。超滤膜耐极端温度性能差，随着水温的升高和黏度的增大，跨膜压力差TMP和及膜阻力系数会显著增大，导致频繁触发反洗膜通量降低[2]。当气温和水温较低时，超滤膜壳内存水结冰后会损坏膜丝。此外，直接应用超滤膜过滤技术还面临严重的由较低无机盐、膜胶体、溶解性有机物、污泥、膜生物降解产物等引起的膜污染问题。

经过以上对多介质过滤器与超滤膜处理技术的分析，将原水反渗透前两个预处理工艺从适用范围、处理浊度、出水水质、运行稳定性、对反渗透膜保护、使用寿命及设备投资等方面进行综合比选，具体见表1。

表1 多介质过滤器与超滤预处理工艺对比表

通过以上的优缺点及适用条件介绍可以看出，超滤膜和多介质过滤器是都能作为反渗透膜预处理工艺，但是超滤膜处理技术能更好的适应原水水质，其出水水质也比多介质过滤器出水水质优，更有助于实现对后续反渗透膜系统的保护，使反渗透膜系统的使用寿命大大延长，系统运行成本有效降低。为此，考虑到叶城县西片区水厂原水水质较差，所以，其预处理工艺推荐采用超滤膜处理。

超滤是叶城县西片区水厂反渗透的预处理，通过超滤膜处理后的出水能有效保证反渗透进水水质，提升反渗透系统的使用寿命。考虑到叶城县西片区水厂原水水质离子超标，所以通过超滤与反渗透勾兑出水的方式在确保达标出水的基础上，还能适度保留水中有益身体健康的矿物离子，并降低反渗透处理规模和运行成本。

4 原水前端超滤膜预处理

4.1 处理系统

叶城县西片区水厂原水前端超滤膜预处理主要使用北京BS有限公司所生产的中空丝型超滤组件，该超滤膜处理组件主要由超滤膜系统、控制系统组成[3]。采用的中空丝膜比一般超滤膜具有更好的化学稳定性，其pH值在2.0-10.0之间，使用寿命平均在1a以上，并能抵御氯离子等有机溶剂的影响；间隔30-60min可进行自动反冲洗，中空丝膜内外层均设置有活化层，两面均可用于过滤，且对于高黏性、高悬浮物含量等淤水的预处理较为适用。

4.1.1 超滤膜系统

叶城县西片区水厂超滤膜预处理系统主要由超滤膜阻器、进出口阀组、进水泵、反洗水泵及空压机等设备及部件组成，构成简图详见图1。超滤膜阻器是超滤膜预处理系统的核心部件，也是决定系统出水水质优劣的关键；进出口阀门主要由进出水阀、反洗进出水阀、放空及通气阀等构成，超滤膜预处理系统运行一段时间后便进入反洗周期，通过滤膜的反洗将膜表层附着物除去，确保膜丝及滤膜的良好使用性能。

4.1.2 控制系统

叶城县西片区水厂原水超滤膜预处理膜阻器出/入口阀组控制系统主要采用的是PLC(Programmable Logic Controller)可编程控制器，能满足西片区水厂原水超滤膜处理设备状态反应周期不足50ms的控制要求，及时性与可靠性有保证。在进行超滤膜预处理控制的过程中，主要进行单个膜阻在30min周期内产水→反洗→产水的循环控制，2个产水环节耗时28.5min，反洗过程耗时1.5min；待各膜阻器按次序进入反洗状态后，相邻膜阻器存在1.5min的运行时间差，所以，PLC可编程控制器能确保同一时间下仅有一组膜阻器处于反洗状态，有效防止因阀门频繁启闭而导致的水锤效应。

图1 超滤膜预处理系统构成简图

4.2 预处理效果

生活饮用水供水工程必须向用户提供符合饮水卫生标准的安全卫生水，因此在选择水源时，应以水质良好为主要依据。根据2019年6月喀什市供水水质监测站对叶城县西片区水厂出水进行的检测结果，其生活饮用水的感官性状指标、化学指标、毒理学指标及细菌学除硫酸盐不满足饮水安全要求外，其余各项指标均符合《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)及《生活饮用水卫生标准检验方法》(GB5750-2006)的要求，详见表2，预处理效果优良，并为进一步的反渗透除盐处理提供了水质保障。

表2 西片区原水水样检验数据表

续表2 西片区原水水样检验数据表

5 结 论

文章分析结果表明，超滤膜预处理技术能实现原水的净化、分离与浓缩，介于微滤和纳滤之间的超滤膜除能有效隔离和去除悬浮颗粒、胶体颗粒外，还能去除藻类、细菌、两虫、病毒及水生生物等。与传统的农村饮水工程原水预处理技术相比，超滤膜预处理技术具有分离效率高、能耗低、工作压力低等技术优势，对于农村饮水水质净化，含油废水及纸浆废水净化、海水淡化等领域均具有普遍适用性。文章以新疆叶城县西片区水厂工程为例所进行的原水超滤膜预处理技术原理及应用过程的分析对于类似农村饮水工程水质净化具有借鉴参考价值。