飲用水處理中超濾與砂濾技術(shù)特性的比較試驗(yàn)

飲用水處理中超濾與砂濾技術(shù)特性的比較試驗(yàn)祖良;馬金保;張宗雷;周斌【摘要】Experimentswereconductedtostudytheperformanceofultrafiltrationtechnologyanditsefficiencyinremovingturbidity,CODMn,andUV254.Theresultsshowthat,withtheuseofultrafiltrationtechnology,theremovalrateofturbidityreached97%to99%,andtheaverageremovalratesofCODMnandUV254were10.36%and9.06%,respectively.Comparedwithsandfiltrationtechnology,uhrafiltrationtechnologyismoreefficientinremovingpollutants,hasbettertechnicalperformanceoffluxandtransmembranepressure,andcanprovidehigherqualitywaterproductionandbetterstability.%對超濾工藝的運(yùn)行特性及其對濁度、CODMn、UV254等水質(zhì)指標(biāo)的去除效果進(jìn)行了試驗(yàn)結(jié)果表明:超濾對濁度的去除率可達(dá)97%~99%,對CODMn的平均去除率約為10.36%,對UV254的平均去除率約為9.06%.與砂濾工藝的運(yùn)行數(shù)據(jù)相比，超濾工藝對污染指標(biāo)的去除率更高，且通量、跨膜壓差等技術(shù)性能較好,出水水質(zhì)更加穩(wěn)定、安全.【期刊名稱】《水資源保護(hù)》【年(卷)，期】2013(029)003【總頁數(shù)】4頁(P70-72,78)【關(guān)鍵詞】超濾;砂濾;飲用水處理;技術(shù)特性;比較試驗(yàn)【作者】祖良;馬金保漲宗雷;周斌【作者單位】國電龍?jiān)茨暇┠ぜ夹g(shù)有限公司，江蘇南京211200；國電龍?jiān)茨暇┠ぜ夹g(shù)有限公司，江蘇南京211200；國電龍?jiān)茨暇┠ぜ夹g(shù)有限公司，江蘇南京211200;國電龍?jiān)茨暇┠ぜ夹g(shù)有限公司，江蘇南京211200【正文語種】中文【中圖分類】X703.1近年來，我國飲用水水源受到微污染的威脅，現(xiàn)有的常規(guī)水處理工藝由于流程簡單，局限性逐漸凸顯，出水水質(zhì)已難以滿足我國飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求。在此背景下，更高標(biāo)準(zhǔn)的水處理工藝開始逐步普及，其中，超濾工藝具有精密過濾、出水水質(zhì)穩(wěn)定、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、處理成本較低等特點(diǎn)，在飲用水處理領(lǐng)域日益受到重視。筆者通過對超濾與傳統(tǒng)過濾方式——砂濾在實(shí)際運(yùn)行過程中的對比，分析了超濾工藝在飲用水處理中的特點(diǎn)。超濾作用機(jī)理為機(jī)械篩分，過濾過程膜面存在濃差極化現(xiàn)象，在凝膠層形成前，膜通量與壓差的關(guān)系為［1］：式中:JY為膜通量，L/(m2?h);Pw為膜對水的透過特性，m2/(Pa?s);8m為膜的邊界層厚度，m;AP為壓差，Pa。可見，膜通量與跨膜壓差大致呈正比。當(dāng)進(jìn)水中膠體濃度很低時，超濾工藝壓差小，通量大。超濾技術(shù)這一優(yōu)異的分離性能在給水凈化中可以充分發(fā)揮作用，研究超濾的基本特性及凈化效率，拓展超濾在凈水工藝中的應(yīng)用是十分必要的。1試驗(yàn)內(nèi)容以水廠沉淀池出水為對象，研究超濾工藝的膜通量、跨膜壓差等基本特性及超濾工藝對原水中濁度、CODMn、UV254等指標(biāo)的去除效果，并與砂濾工藝相關(guān)操作參數(shù)、處理效果進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)核算對比，探討超濾工藝取代砂濾工藝的可行性。2試驗(yàn)裝置及流程2.1原水類型及分析方法試驗(yàn)原水為水廠沉淀池出水，原水濁度3~13NTU,p(CODMn)、UV254值分別為3~20mg/L、0.025-0.038cm。測試指標(biāo)包括濁度、p(CODMn)、UV254，其中，濁度采用HACH2100P濁度儀檢測，CODMn質(zhì)量濃度采用高錳酸鉀法檢測，UV254采用可見紫外分光光度法檢測。2.2試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案本試驗(yàn)采用國電龍?jiān)茨暇┠ぜ夹g(shù)有限公司生產(chǎn)的PVDF中空纖維超濾膜組件為超濾元件，膜孔徑為30nm，膜表面積為52m2，通量范圍為60~105L/(m2-h)o試驗(yàn)裝置系統(tǒng)流程圖見圖1。圖1試驗(yàn)裝置系統(tǒng)流程示意圖原水經(jīng)沉淀后通過水泵提升至原水箱，通過保安過濾器(150pm袋式過濾器)后，進(jìn)入超濾膜組件，最后產(chǎn)水進(jìn)入超濾水箱并溢流排出。為充分利用超濾的初期低壓差特性，考慮到原水水質(zhì)較好，無需錯流運(yùn)行，且在死端過濾方式下超濾組件內(nèi)流體形態(tài)更穩(wěn)定，故確定超濾運(yùn)行方式為死端過濾，運(yùn)行周期為60min，反洗時間40~60s,氣洗時間10~20s。進(jìn)水壓力通過變頻方式控制，跨膜壓差為0.01~0.08MPa。3試驗(yàn)結(jié)果與討論3.1超濾基本特性及其對濁度的去除膜通量與跨膜壓差的關(guān)系及超濾對濁度的去除效果見表1。表1膜通量與壓差關(guān)系及濁度的去除效果JY濁度/NTU/Jm-2?h-1)去除率/%AP/進(jìn)水出水MPa659.640.0899.10.0307513.400.0799.50.035809.000.0799.10.037903.140.0897.40.040由表1可知，超濾膜通量在65~90L/(m2?h)時，跨膜壓差為0.03-0.040MPa。其水頭損失僅為3~4m。已知砂濾在負(fù)荷為8m3/(m2?h)時，出水濁度為0.15~0.25NTU，相應(yīng)平均去除率為91%~97%?？梢姵瑸V在去除濁度能力方面有明顯優(yōu)勢［2］。原水中濁度指標(biāo)表征了細(xì)菌、有機(jī)物的濃度，降低水中的濁度，可顯著減小有毒有害物質(zhì)、細(xì)菌病毒等的濃度，提高出水水質(zhì)。超濾進(jìn)水濁度波動較大，超濾對去除濁度的效率可穩(wěn)定達(dá)到97%~99%，且出水濁度在膜通量增加的情況下穩(wěn)定在0.1NTU以下，遠(yuǎn)低于我國GB5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的1.0NTU。3.2超濾對CODMn的去除CODMn是衡量水質(zhì)有機(jī)污染的綜合指標(biāo)，對評價水質(zhì)具有重要意義。超濾在不同膜通量下CODMn的去除效果見圖2。圖2不同膜通量下CODMn的去除效果由圖2可知，超濾對原水CODMn為3~3.5mg/L時的平均去除率約為10.36%。膜出水p(CODMn)為2.61~2.92mg/L,低于GB5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的3mg/L。通過不定期檢測砂濾及超濾出水的p(CODMn)值，比較超濾與砂濾系統(tǒng)出水CODMn去除情況，當(dāng)超濾通量為80L/(m2?h),砂濾表面負(fù)荷為8m3/(m2?h)時，結(jié)果見圖3。圖3超濾與砂濾去除效果比較由圖3可知，超濾對CODMn的平均去除率略優(yōu)于砂濾。應(yīng)當(dāng)說明，當(dāng)源水受到微污染時，砂濾對CODMn的去除率可能略優(yōu)于超濾［3］。分析認(rèn)為，某些砂濾池由于原水處于微污染狀態(tài)，經(jīng)過長時間的運(yùn)行后，砂粒表面附著了一層生物膜，該類砂濾系統(tǒng)具備了部分生物濾池的特性和功能。原水在過濾過程中，砂濾池的生物功能對其中的有機(jī)污染物達(dá)到了部分去除的效果［4］；而超濾系統(tǒng)過濾周期較短，運(yùn)行條件控制在凝膠層形成前階段，且表面基本不會生長生物膜，不具備有機(jī)物分解功能。比較而言，砂濾雖然具有一定的去除CODMn的功能，但生物膜隨時可能脫落被帶至出水中，帶來不可控的飲用水安全風(fēng)險;而超濾系統(tǒng)出水穩(wěn)定，沒有此類安全隱患。3.3超濾對UV254的去除效果UV254為254nm波長水樣的紫外吸光度，可作為總有機(jī)碳(TOC)及三鹵甲烷生成勢(THMFP)的代用參數(shù)，與THMFP有很好的相關(guān)性，通常，可以由UV254表征水體中小分子有機(jī)物的多少，主要是指1000D以下的小分子物質(zhì)，而超濾膜的截留分子量是為300-2000，因而超濾對UV254的去除仍然有優(yōu)勢。不同膜通量下UV254去除效率見圖4。表2超濾與砂濾技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比注:超濾的建設(shè)投資含5a換膜芯費(fèi)用。工藝占地面積/m2建設(shè)投資/(元?t-1腱設(shè)周期運(yùn)行費(fèi)用/(元?t-1)自動化程度產(chǎn)水水質(zhì)砂濾50-80350~400長＜0.12運(yùn)行需一定人工操作對CODMn、UV254的去除率低于超濾工藝，濁度可控制在0.5NTU以內(nèi)，但對微生物的去除很難保障，且存在系統(tǒng)內(nèi)微生物泄露的安全隱患超濾20-30450~500短＜0.20全自動運(yùn)行對CODMn及UV254具備一定的去除率，濁度可控制在0.1NTU以內(nèi)，對細(xì)菌、藻類去除率高圖4不同膜通量下對UV254的去除效果由圖4可知，超濾對UV254的平均去除率為9.06%。當(dāng)膜通量提高時，因?yàn)檫^濾速率增加，單位時間內(nèi)通過膜過濾截面的水量增加，導(dǎo)致UV254去除率降低;但當(dāng)膜通量增加到一定程度時，截留率又開始上升。分析認(rèn)為，當(dāng)通量較大時，隨著過濾時間的累積，膜表面截留的物質(zhì)微粒增加，形成截留物累積層，在過濾過程中起到了一定的截留效果，從而增加了超濾膜對UV254的整體去除率。試驗(yàn)說明，超濾對于UV254的去除率較低，但仍有一定的去除效果。據(jù)相關(guān)資料[5],砂濾在負(fù)荷為8~10m3/(m2?h)時UV254的去除率為5%~8%，明顯低于超濾。3.4超濾對細(xì)菌的去除效果由圖5可知，超濾較原水相比較，對細(xì)菌的平均去除率約為90%。一般細(xì)菌大小為1~10pm,桿菌長約2~3pm,超濾孔(30nm)要遠(yuǎn)小于細(xì)菌的大小，理論上細(xì)菌可以完全被截留，但由于管體污染，截留率難以達(dá)到100%。事實(shí)上，超濾出水細(xì)菌指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。砂濾孔隙一般為300~1000pm,對細(xì)菌截留率約10%~20%，遠(yuǎn)低于超濾。此外，超濾對藻類去除率大大優(yōu)于砂濾。3.5超濾、砂濾工藝特性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比圖5超濾與砂濾對細(xì)菌的去除效果對比由于超濾具有穩(wěn)定的操作條件，對濁度物質(zhì)具有優(yōu)異的分離性能，對微污染物也具有一定截留效果，較之砂濾有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，可以通過超濾和砂濾的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，討論超濾取代砂濾的可行性分析。以生產(chǎn)能力為1萬t/d的自來水廠為例，超濾與砂濾工藝的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較見表2。由表2分析可知，超濾技術(shù)對濁度、CODMn及UV254分離性能好，出水水質(zhì)有保障;超濾工藝占地面積小，投資成本低，建設(shè)周期短，有較好的自動運(yùn)行控制條件，較砂濾有較好的技術(shù)優(yōu)勢，可以用于傳統(tǒng)凈水工藝，取代砂濾工藝。超濾投資成本及運(yùn)行費(fèi)用雖略高，但是可以接受的。4結(jié)論超濾工藝具備高精度的分離能力，其產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，可達(dá)到國家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。超濾與傳統(tǒng)砂濾工藝相比，占地面積小，跨膜壓差低，膜通量較大。其工藝水平和主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于砂濾工藝。超濾工藝的產(chǎn)水濁度可控制在0.1NTU以內(nèi)，遠(yuǎn)低于GB5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的要求。超濾工藝對CODMn、UV254等指標(biāo)具有一定的去除率，可滿足在原水輕微污染的情況下處理達(dá)標(biāo)要求。參考文獻(xiàn)：[1]張林生.水的深度處理與回用技術(shù)[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.[2]馬蓉，呂錫武，李發(fā)戰(zhàn)，等.超濾組合工藝出水及消毒方法[J].水處理技術(shù)2005,31(12):74-79.(MARong,LVXiwu,LIFazhan,etal.Studyofcombinedultrafiltrationanddisinfectionofthetreatedwater[J].TechnologyofWaterTreatment,2005,31(12):74-79.(inChinese))[3]秦鈺慧，凌波，張曉健.飲用水衛(wèi)生與處理技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社