膜过程与V型滤池在给水处理中的对比分析

2023-05-16靳少培侯钰阔潘春佑安子韩

盐科学与化工 2023年5期

靳少培,侯钰阔,李露,潘春佑,安子韩

(1.天津市水文水资源勘测管理中心,天津 300061;2.自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所,天津 300192)

1 前言

水处理技术的持续进步在应对各种涉水健康风险中具有举足轻重的作用,如化学消毒技术控制致病菌风险、臭氧生物活性炭技术控制长期化学风险,以及膜分离技术控制特定致病微生物(如两虫)风险等。

水处理的基本方法是通过一系列的物理、化学和生物过程将水中目标污染物转移、转化。在传统的给水处理技术中,通常这3种方法都会采用。如地表水水源取水设施中围油栏、拦藻网、格栅与格网就是通过吸附、拦截的方法将水中目标污染物(水草、树叶、编织物、浮油和水藻)从水中转移。水厂水处理过程中的混凝、沉淀(澄清)与快速颗粒过滤,则是采用转化后再进行转移的方法,即先将水中胶体(包括附着在胶体上的致病微生物)脱稳和凝聚,使其易于沉淀或在过滤介质颗粒表面附着,然后通过沉淀(澄清)与过滤予以去除[1-2]。

滤料过滤的过程是拦截—洗脱循环进行的过程,含悬浮物和胶体的给水通过颗粒介质止组成的滤层,滤层具有筛分功能,在迁移—黏附—截留的激励作用下,在滤层中孔隙逐渐变小,除去悬浮物和胶体;同时滤层具有接触吸附功能,还能部分去除给水中的有机物、细菌以及铁、铝、锰等重金属离子。膜分离作为现代水处理的新型技术,是通过半透膜对水溶液中不同组分进行选择性透过(分离)来实现对水的净化。因此,从水处理的基本方法角度看,膜分离就是采用纯粹转移的方法来实现对水的净化,即通过选择合适的膜分离过程去除水中特定的目标污染物。

文章从能耗、占地、控制等方面对比分析了V型滤池与膜过滤应用特点。

2 V滤过程技术特点

传统给水处理中主要采用V型滤池去给水中的悬浮物等杂质,V型滤池目前在我国普遍应用,适用于大、中型水厂。V型滤池提升了过滤及反冲洗的自动化控制,另外由于采用了不使滤层膨胀的气、水同时反冲洗兼表面扫洗,明显提升了滤池的反冲洗效果,改善V型滤池过滤能力的再生状况,从而增大滤池的截污能力,降低了滤池的反冲洗频率。V型滤池的主要特点如下:

(1)恒水位等速过滤。滤池出水阀随水位变化不断调节开启度,池内水位在整个过滤周期内保持不变,滤池不出现负压,不产生气阻,整个池面始终处于均衡工作状态,运行稳定。

(2)采用均粒石英砂滤料,滤层厚度比普通滤池厚,故截污量大、滤速高、产水水质好、过滤周期长。

(3)V型进水槽和排水槽沿池长方向布置,单池面积大时有利于布水均匀,其单池面积为普通快滤池的3倍～5倍,适用于大中型水厂,可节省阀门和仪表,降低工程造价,便于维护管理。

(4)采用气、水同时反冲洗兼表面扫洗,提高了冲洗效果并达到节水、节电、减排的目的。

(5)自动化控制程度高,能够长期稳定运行,可实现无人值守,只需人员常规巡查,大幅度节省运行管理费用。

相对于V型滤池出水水质依赖于运行人员应对原水水质变化的经验,以及控制颗粒过滤之前的混凝沉淀(澄清)工艺稳定运行的能力。膜过滤由于能有界限地筛分颗粒物,可使有明确尺寸的目标颗粒物(包括特定的致病微生物)完全去除(膜未破损时),出水水质不受进水水质条件影响,运行过程受人为因素影响少,自动操作运行程度高。因此,20世纪80年代在美国、法国等欧美国家的小型公共供水系统中开始应用。但由于设备价格较高,较长一段时间内市场应用规模相对较小。21世纪以来,随着技术进步、大量成熟产品进入市场和膜产品成本的显著下降,在任何规模的地表水处理中,膜过滤技术已被认为是能与传统的颗粒过滤进行竞争的技术。

3 膜过程技术特点

超滤过滤原理是一种膜分离过程原理,是利用压力活性膜,在外界推动力(压力)作用下截留水中胶体、颗粒和分子量相对较高的物质,而水和小的溶质颗粒透过膜的分离过程。超滤主要用于去除水中的颗粒、胶体、大部分有机物等,一般超滤的出水浊度小于0.1 NTU,SDI15小于3,超滤还可有效去除病毒。

一般认为超滤过程中溶质的截留有3种方式,一是在膜表面的机械截留(筛分),二是在膜孔中停留而被除去(阻塞),三是在膜表面及膜孔内的吸附。因此,超滤的主要分离机理为筛分机理,但是超滤膜表面的化学性质也是影响分离效果的重要因素。超滤工艺特点为:

(1)过滤精度高。中空纤维膜的截留孔径为0.2 μm～0.03 μm,可去除水中大部分的悬浮颗粒杂质,细菌总数的去除率可达到99.99%,大肠菌群去除率可达到100%。

(2)填装密度大。在单位体积膜元件中,中空纤维膜的有效膜面积最大,过滤分离效率最高,大大减少膜过滤设备的占地面积,节约土建工程的费用,降低运行成本。

(3)易清洗。由于中空纤维膜的结构为单皮层,且PVDF过滤膜有良好的耐污染性能,因此,中空纤维膜可以进行反冲洗及化学清洗。

(4)可维修。中空纤维膜元件是由几千根或上万根中空纤维丝组装而成,一旦有个别纤维丝损坏,可以通过压力测试等方法检测出来,并对膜元件进行修复,经过修复的膜元件可以继续使用,而不影响分离效果。

(5)化学稳定性好。由于PVDF有着良好的化学稳定性,有耐受较强酸、碱的能力,因此,在必要时可对过滤膜进行大强度的化学清洗。

4 膜过程与V滤过程对比分析(表1)

表1 膜分离系统与V滤系统对比分析

从工程建设投资看,膜过程单位产水量投资约为V滤系统的2倍～3倍,但单位面积产水量却是V型滤池的3倍～5倍,随着用地成本的越来越高,用地成本上的优势完全可以抵消造价上的劣势。V滤产水若想达到更高的要求,仍需串联其他深度处理工艺,V滤与其他深度处理的串联,总水回收率与膜滤相当。

从工程运行成本看,与V型滤池相比,增加的单位水量过水能耗也非常有限。主要增加的成本是膜元件的定期更换和日常有限的化学清洗药剂的消耗。此外,当原水来水水质发生变化时,为保持滤池进水水质的稳定,滤池之前的混凝沉淀(澄清)系统的日常药剂消耗会明显高于膜过滤之前的混凝沉淀(澄清)处理,许多运行经验表明,冬季低温时混凝剂的消耗通常是夏季的2倍～3倍[4],膜过滤则不需要,甚至在前序混凝沉淀(澄清)进行超负荷运行而出水水质下降时,仍不会对膜过滤出水水质带来影响。综合考虑预处理费用,在运行费用上,两者相当。在增产扩容方面,膜过程为撬块化拼装设计,占地面积小,相对而言,更易于增产扩容。从运行控制难度看,膜过滤出水水质因不受进水水质变化的影响,需要人为干预的因素少。V型滤池则需要根据进水水质变化,对过滤之前混凝沉淀(澄清)和自身运行进行人为干预,如调整混凝剂投加比例、更换混凝剂、增加助凝助滤措施、调整滤池过滤周期等。因此,在相同自动化程度条件下,膜过滤自动化运行程度更高,更方便管理。