趙錦輝，錢 建，翟鵬翔

（江蘇優(yōu)聯(lián)環(huán)境發(fā)展有限公司，江蘇 南通 226000）

外壓式給水超濾工藝處理長江下游水源研究

趙錦輝，錢 建，翟鵬翔

（江蘇優(yōu)聯(lián)環(huán)境發(fā)展有限公司，江蘇 南通 226000）

通過對(duì)長江下游水源進(jìn)行超濾中試試驗(yàn)，得出適合于該水源的外壓式給水超濾運(yùn)行參數(shù)，用于給水廠提標(biāo)改造，以適應(yīng)我國人民對(duì)飲用水水質(zhì)、水量的新時(shí)期要求。

超濾；給水超濾；長江下游水源；外壓式

1 概況

國家頒布的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）對(duì)現(xiàn)今給水廠提出了新的要求，為克服傳統(tǒng)工藝的種種局限，提出給水超濾膜水處理工藝，以適應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn)的要求。以下是對(duì)長江下游水源進(jìn)行超濾中試試驗(yàn)，并取得水廠改造參數(shù)的研究過程。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)裝置介紹

本次試驗(yàn)采用的是外壓式中空纖維超濾膜中試系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)集中放置在可移動(dòng)式集裝箱內(nèi)。膜件為立式結(jié)構(gòu)，采用有加強(qiáng)筋的PVDF膜絲，且膜絲僅在上端固定，下端可以自由擺動(dòng)。膜件能夠采用反洗和空氣擦洗，自由擺動(dòng)的膜絲使得污染物脫除效果好，不會(huì)產(chǎn)生膜絲間的污堵。

2.2 試驗(yàn)工藝流程

如圖1所示，將平流沉淀池出水接入超濾膜車間，超濾出水進(jìn)入清水池。

圖1

2.3 試驗(yàn)用膜件的主要參數(shù)

中試膜件型號(hào)：8寸給水超濾膜組件

安裝的膜件數(shù)：1

有效膜面積（m2）：49

中試系統(tǒng)出力：

進(jìn)水量（m3/h）：2-6

產(chǎn)水量（m3/h）：2-6

清洗循環(huán)流量（m3/h）：2.5

快沖流量（m3/h）：等同于進(jìn)水量設(shè)定值

反洗流量（lmh）：85

進(jìn)水溫度范圍（℃）：0-40

最高進(jìn)水溫度（℃）：43

常規(guī)進(jìn)水壓力范圍（bar）：0.35-2.4

最高產(chǎn)水跨膜壓差（bar）：1.7

最高反洗跨膜壓差（bar）：0.7

完整性測(cè)試壓力設(shè)置（bar）：0.7-0.8

膜件排水壓力（bar）：0.9-1.0

膜件耐受的PH范圍：1.8-10.5

最大余氯接觸濃度（ppm）：1000

最大空氣擦洗量（Nm3/h）：21

2.4 試驗(yàn)設(shè)備

進(jìn)水濁度檢測(cè)儀表：1720E；

出水濁度檢測(cè)儀表：1720E；

進(jìn)水水溫檢測(cè)儀表：溫度傳感器E+Htr10-aka1cas1g2000；

進(jìn)水流量檢測(cè)儀表：科隆電磁流量計(jì)；

出水流量檢測(cè)儀表：科隆電磁流量計(jì)；

進(jìn)水壓力檢測(cè)儀表：管道式壓力變送器；

出水壓力檢測(cè)儀表：管道式壓力變送器；

2.5 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）測(cè)試和記錄試驗(yàn)超濾膜在各通量條件下的性能參數(shù)。

（2）評(píng)估出水水質(zhì)，確保合乎出水要求。

（3）為膜性能的長久穩(wěn)定性，開發(fā)膜維護(hù)性/恢復(fù)性清洗方案。

（4）用產(chǎn)水滲透性能測(cè)試結(jié)果來評(píng)估恢復(fù)性清洗的有效性。

（5）測(cè)定不同季節(jié)溫度下的運(yùn)行通量和性能。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)分析

根據(jù)2014年《南通某水廠水質(zhì)檢驗(yàn)日?qǐng)?bào)表》，隨機(jī)提取4月、6月、11月中某天的水質(zhì)，如表1所示。

（1）與國內(nèi)其它傳統(tǒng)工藝水廠一樣，砂濾后水可檢測(cè)到大腸菌；（2）超濾膜系統(tǒng)出水無細(xì)菌；

（3）出水濁度不受進(jìn)水濁度波動(dòng)的影響，恒定在0.1以下。

3.2 恒通量運(yùn)行時(shí)物理清洗對(duì)跨膜壓差的恢復(fù)

運(yùn)行方式：物理清洗周期30min，每次歷時(shí)4min。

任取3段反洗周期（2014/3/27，平均水溫13.77℃）進(jìn)行考察，如圖2所示。

（1）恒通量84L/（m2.h）運(yùn)行；

（2）周期內(nèi)，跨膜壓差平均上升約96%；

表1 南通某水廠2014年源水及各構(gòu)筑物出水主要水質(zhì)指標(biāo)（*表示未檢測(cè)）：

圖2

（3）清洗后跨膜壓差恢復(fù)，周期之間看不出來有明顯上升趨勢(shì)。

（4）說明該物理清洗周期和歷時(shí)較適合。

3.3 恒通量運(yùn)行時(shí)維護(hù)性清洗對(duì)跨膜壓差上升的控制

運(yùn)行方式：維護(hù)性清洗周期為一周兩次，清洗濃度200mg/L（次氯酸鈉），歷時(shí)45min；

取水溫變化不大的時(shí)段進(jìn)行考察（2014年4月18日至2014年5月6日，水溫18℃至19℃之間），如圖3所示：

（1）恒通量84L/（m2.h）運(yùn)行；

（2）其間TMP從38kpa上升至41kpa，19日內(nèi)TMP上升8%；（3）平均每日TMP上升0.16kpa。

圖3

3.4 全試驗(yàn)過程分析

整個(gè)試驗(yàn)從2013年08月20日至2014年05月27日，其間2013年11月27日至2014年1月8日按照93L/（m2.h）通量運(yùn)行，2014年2月18日完成化學(xué)清洗，如圖4所示：

圖4

（1）通量從84L/（m2.h）調(diào)整到93L/（m2.h）時(shí)運(yùn)行，TMP上升到44kpa以上，并不斷升高，最高達(dá)到75.26kpa；

（2）通量從93L/（m2.h）下調(diào)到84L/（m2.h）時(shí)運(yùn)行，TMP緩慢下降，但仍在62kpa～72kpa之間；

（3）化學(xué)清洗結(jié)束后，TMP降低至25.87kpa；

（4）在恒通量運(yùn)行情況下，暫時(shí)停機(jī)后開機(jī)，TMP將降低，如2013年10月13日的重啟和2014年3月25日的重啟，但TMP很快恢復(fù)上升趨勢(shì)。

（5）2013年12月26日到2014年3月12日為全年水溫最低（10℃左右）的時(shí)段，TMP處于高水平（最高75.26kpa），超濾系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行（93L/（m2.h）通量）。

3.5 超濾滲透性能分析

為考察該超濾膜的產(chǎn)水性能，消除水溫因素的影響，引入超濾滲透性能參數(shù)，對(duì)該超濾膜進(jìn)一步分析。

根據(jù)Hagen-Poiseuille定律，對(duì)于超濾系統(tǒng)，通量、跨膜壓差與水的粘度之間的關(guān)系可以用下式表示：

式中：TMP——跨膜壓差，KPa；

qc——超濾膜通量，L·m-2·h-1

ε——超濾膜開孔率

r——超濾膜孔眼直徑

τ——擴(kuò)散曲率，實(shí)際膜孔毛細(xì)管長度與膜厚度之比

L——超濾膜有效厚度

μ——水的粘度

對(duì)于工程應(yīng)用來講，應(yīng)該考慮膜污染對(duì)超濾的影響，引入膜污染系數(shù)k；

k——考慮運(yùn)行過程中的超濾膜污染系數(shù)。

式中：TMP——跨膜壓差，10KPa；

qc——超濾膜通量，L·m-2·h-1

μ——水的粘度

X——滲透性能，20℃時(shí)，超濾膜在1m水頭工作壓力下的通量值，反應(yīng)了超濾膜的特性和超濾膜的污染情況。

對(duì)于同一超濾膜，X——變化將反應(yīng)超濾膜污染程度的變化。如圖5所示，對(duì)全試驗(yàn)過程進(jìn)行滲透性能分析：

圖5

（1）超濾膜滲透性能與超濾的啟停、清洗有直接相關(guān)；

（2）2014年2月18日完成化學(xué)清洗后，滲透性能恢復(fù)到2013年的最高水平40（lmh/10kpa）；

（3）隨著超濾系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的加長，該超濾膜的滲透性能緩慢的下降，化學(xué)清洗前，從40（lmh/10kpa）下降到15（lmh/10kpa）（120天），每日平均下降0.21（lmh/10kpa）；

（4）化學(xué)清洗后，從滲透性能40（lmh/10kpa）下降到19（lmh/10kpa）（96天），每日平均下降0.22（lmh/10kpa）；

（5）從以上數(shù)據(jù)可見，化學(xué)清洗后滲透性能下降速度加快了5%。

4 小結(jié)

（1）該超濾系統(tǒng)在某水廠以84L/（m2.h）通量，正常運(yùn)行；

（2）該超濾系統(tǒng)物理清洗周期內(nèi)，跨膜壓差平均上升約96%，物理清洗后跨膜壓差恢復(fù)，周期之間無明顯上升趨勢(shì)；

（3）維護(hù)性清洗控制跨膜壓差上升速度，恒通量運(yùn)行條件下平均每日TMP上升約0.16kpa；

（4）水溫10℃，TMP75.26kpa，通量93L/（m2.h）時(shí)，超濾系統(tǒng)可正常運(yùn)行；

（5）該系統(tǒng)化學(xué)清洗后滲透性能下降速度加快了5%；

5 結(jié)論

（1）通過9個(gè)月的試驗(yàn)，考察了不同季節(jié)溫度下的運(yùn)行通量和性能。

（2）測(cè)試和記錄了試驗(yàn)超濾膜在84L/（m2.h）和93L/（m2.h）通量條件下的性能參數(shù)。

（3）超濾膜系統(tǒng)出水無細(xì)菌，出水濁度恒定在0.1NTU以下且不受進(jìn)水濁度波動(dòng)的影響；

（4）物理清洗周期、歷時(shí)和強(qiáng)度較適合實(shí)際情況，運(yùn)行穩(wěn)定。

（5）維護(hù)性清洗周期為一周兩次，清洗濃度200mg/L（次氯酸鈉），歷時(shí)45min，該清洗方案保證了試驗(yàn)在通量84L/（m2.h）下穩(wěn)定運(yùn)行。

（6）化學(xué)清洗完成后滲透性能恢復(fù)到2013年最佳工況，以此判斷化學(xué)清洗方案行之有效。

（7）該試驗(yàn)已達(dá)到預(yù)期目的，建議利用以上參數(shù)對(duì)現(xiàn)有水處理工藝進(jìn)行技術(shù)改造，以滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）各項(xiàng)要求。

趙錦輝（1979-），男，江蘇南通人，碩士研究生，工程師，研究方向：水環(huán)境治理。