超濾膜用于飲用水深度處理的中試研究

王立彪

(杭州余杭水務(wù)有限公司，浙江杭州311100)

摘要針對(duì)余杭區(qū)宏畔水廠現(xiàn)有工藝及水質(zhì)現(xiàn)狀，在高溫高藻期，進(jìn)行了一次超濾膜工藝處理沉后水和濾后水的中試試驗(yàn)。結(jié)果表明浸沒(méi)式超濾工藝和柱式超濾工藝對(duì)濁度、耗氧量、氨氮、鐵、錳等具有良好的去除效果，出水濁度<0.1NTU，達(dá)到浙江省城市供水現(xiàn)代化水廠評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(2013)，超濾膜出水顆粒數(shù)可以控制在30個(gè)/mL以下，以“兩蟲”為代表的微生物可以得到有效控制。

關(guān)鍵詞超濾飲用水浸沒(méi)式超濾膜柱式超濾膜濁度中試

中圖分類號(hào)：TU991文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

[收稿日期]2014-11-24

[作者簡(jiǎn)介]王立彪(1989—)，男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)榻o水深度處理。電話： 15957187523；E-mail： wanglibiao2002@126.com。

Pilot-Scale Study on Ultrafiltration (UF) Membrane Process for Advanced Treatment of Drinking Water

Wang Libiao

(HangzhouYuhangWaterCo.,Ltd.,Hangzhou311100,China)

AbstractAccording to the current process and water quality in Hongpan Waterworks of Yuhang District, a pilot-scale experiment was investigated during the period of high algae and high temperature. The results show that both immerse UF membrane and column UF membrane have good removal effects on turbidity, COD, ammonia nitrogen, total iron and manganese. The turbidity of effluent can maintain less than 0.1 NTU, which can reach evaluation standard of The Urban Water Supply Modernized Waterworks in Zhejiang Province 2013. The average number of particles of effluent is less than 30 particles per milliliter and microorganism such as cryptosporidium and giardia can be controlled as well.

Keywordsultrafiltration (UF)drinking waterimmersed UF membranecolumn UF membraneturbiditypilot test

杭州市余杭區(qū)宏畔水廠建于2006年，采用前加氯加礬—混凝沉淀—砂濾—消毒工藝，8年來(lái)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明該廠的處理工藝能夠有效去除原水中的濁度、有機(jī)物、NH3-N、Fe、Mn等污染物，出廠水優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)，保證了周邊區(qū)域優(yōu)質(zhì)供水。但是，近年來(lái)杭州及周邊區(qū)域水質(zhì)事件頻發(fā)，杭州水業(yè)集團(tuán)已對(duì)相關(guān)水廠做了工藝升級(jí)改造[1]。東苕溪在2011年也曾發(fā)生過(guò)6·5水質(zhì)事件，余杭水務(wù)公司水源受到嚴(yán)重威脅。

苕溪是余杭區(qū)主要供水水源，發(fā)源于臨安市東天目山北麓的水竹塢，向東流經(jīng)臨安、青山湖、余杭后，折東北去，經(jīng)瓶窯、獐灣，直抵德清縣轉(zhuǎn)向湖州與西苕溪匯合后，匯入太湖。從總體來(lái)說(shuō)，東苕溪水源水質(zhì)較為穩(wěn)定，《2012年浙江省環(huán)境狀況公報(bào)》顯示苕溪Ⅰ～Ⅲ類水?dāng)嗝嬲?4.1%，優(yōu)于錢塘江水質(zhì)[2]。為了進(jìn)一步保障飲用水水質(zhì)安全，余杭水務(wù)公司根據(jù)實(shí)際情況，擬在宏畔水廠常規(guī)處理工藝的基礎(chǔ)上增加深度處理工藝。超濾作為新一代飲用水凈化工藝能有效去除“兩蟲”、水蚤和藻類，并且無(wú)有害副產(chǎn)物產(chǎn)生，具有傳統(tǒng)處理工藝無(wú)法比擬的優(yōu)越性[3]。近年來(lái)，超濾技術(shù)在泰安、上海、杭州等大型水廠已成熟應(yīng)用，超濾根據(jù)膜組件的形態(tài)可分為浸沒(méi)式超濾和柱式超濾，兩種工藝在國(guó)內(nèi)水廠改造中均有所應(yīng)用，不同地區(qū)的水廠各自面臨不同的水質(zhì)條件及其他土建等客觀因素。余杭區(qū)的主要水源地苕溪與以上大型水廠水文水質(zhì)情況又有所不同。本中試試驗(yàn)將從工藝的角度來(lái)討論兩種處理工藝的可行性，并為宏畔水廠的膜法深度處理工藝提供必要的設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。

圖1　宏畔水廠現(xiàn)有工藝流程 Fig.1　Existing Current Flow Chart of Hongpan Waterworks

1中試方案

宏畔水廠現(xiàn)有工藝如圖1所示。

根據(jù)現(xiàn)有水質(zhì)情況，分別針對(duì)平流沉淀池出水和V型砂濾池出水采用兩套中試裝置，即浸沒(méi)式超濾系統(tǒng)和柱式超濾系統(tǒng)。中試規(guī)模為100t/d，浸沒(méi)式超濾平均通量為30t/d，柱式超濾平均通量為70t/d。分別考察了浸沒(méi)式超濾膜對(duì)平流沉淀池出水的處理效果和柱式超濾膜對(duì)V型砂濾池濾后出水的處理效果，以便選出較為合適的工藝。中試試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，試驗(yàn)期間水廠正常制水。中試裝置搭建在宏畔水廠內(nèi)的空地上，工藝流程如圖2、圖3所示。

圖2　浸沒(méi)式超濾中試工藝流程 Fig.2　Flow Chart of Immersed Ultrafiltration Pilot-Scale Experiment

圖3　柱式超濾中試工藝流程 Fig.3　Flow Chart of Column Ultrafiltration Pilot-Scale Experiment

對(duì)于浸沒(méi)式超濾系統(tǒng)，原水取自宏畔水廠V型砂濾池前的配水井，通過(guò)原水提升泵提升至膜箱內(nèi)，在膜箱內(nèi)放置一定數(shù)量的孔徑為0.05μm的外壓式PVDF浸沒(méi)式超濾膜組件，由浸沒(méi)式膜組件過(guò)濾后到達(dá)產(chǎn)水箱。產(chǎn)水箱內(nèi)設(shè)有液位計(jì)，待高液位時(shí)，產(chǎn)水經(jīng)提升泵作為產(chǎn)品輸出。水箱內(nèi)部分成品水在反洗時(shí)，經(jīng)反洗泵回到膜箱，到一定運(yùn)行周期后，膜箱自動(dòng)排空一次。

對(duì)于柱式超濾系統(tǒng)，原水取自宏畔水廠V型砂濾池出水濾格，通過(guò)提升泵輸送到原水箱內(nèi)。濾后水濁度為0.1～0.15 NTU，經(jīng)碟片過(guò)濾器(精度為100μm)后，經(jīng)水泵加壓后從膜柱底部進(jìn)入PVDF中空纖維膜內(nèi)，清水則從膜絲外表面出水匯集后，從頂部產(chǎn)水管路產(chǎn)水。部分清水暫存于產(chǎn)水箱中以便反洗時(shí)使用，其余清水則通過(guò)提升泵加壓后作為產(chǎn)品輸出。

宏畔水廠原水取自東苕溪，由東苕溪奉口取水并通過(guò)DN1200原水管網(wǎng)輸送至廠區(qū)，中試期間(2014年5～7月)原水水質(zhì)如表1所示。水廠平流沉淀池、V型砂濾池出水水質(zhì)如表2、表3所示。作為余杭區(qū)重要的供水水廠，該廠出廠水質(zhì)仍存在提升的空間，有必要增加深度處理工藝。

2結(jié)果與討論

2.1超濾膜對(duì)濁度的去除

中試期間，受水廠原水水質(zhì)的影響，平流沉淀池出水濁度變化較為明顯，正常情況下混凝沉淀后出水濁度為1.0NTU左右，即濁度指標(biāo)接近《生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)。V型砂濾池出

表1　中試期間原水水質(zhì)

表2　中試期間沉淀水水質(zhì)

表3　中試期間濾后水水質(zhì)

水濁度為0.1～0.15NTU，與浙江省城市供水現(xiàn)代化水廠評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(2013)尚有一定的差距，具體濁度的變化如圖4所示。

由圖4可知經(jīng)過(guò)超濾膜處理后出水濁度更為平穩(wěn)，產(chǎn)水濁度為0.07NTU左右，濁度指標(biāo)完全滿足浙江省城市供水現(xiàn)代化水廠評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(2013)[4]。由于宏畔水廠位于北緯30度的杭州市余杭區(qū)，該地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，最冷月平均氣溫在0℃上下，構(gòu)筑物最低水溫為5℃，冬季原水為低溫低濁水，夏季高溫高藻期，原水水質(zhì)波動(dòng)較大。2014年5月～7月高溫天數(shù)較往年偏少，水溫為20～25℃，變化不大。

為了更加精確地反映制水過(guò)程中顆粒物的去除情況，同時(shí)間接控制賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲的數(shù)量[5]，在中試現(xiàn)場(chǎng)安裝了2臺(tái)GR-1500在線激光顆粒物分析儀，平流沉淀池、V型砂濾池、浸沒(méi)式超濾膜、柱式超濾膜出水顆粒數(shù)的分布如表4所示。美國(guó)對(duì)水中“兩蟲”控制和顆粒物數(shù)量的相關(guān)研究表明當(dāng)水中大于2μm的顆粒數(shù)大于100個(gè)/mL時(shí)，水中賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲出現(xiàn)的幾率很大[6]。因此，美國(guó)的自來(lái)水廠出水要求將大于2μm的顆粒數(shù)控制在50個(gè)/mL以內(nèi)。中試研究表明所選用的PVDF中空纖維超濾膜能將顆粒數(shù)有效控制在30個(gè)/mL以內(nèi)(剛反洗完，顆粒數(shù)上升至20個(gè)/mL左右，然后下降趨于穩(wěn)定)，超濾膜出水的微生物指標(biāo)能夠達(dá)到國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4　超濾膜前后濁度的變化 Fig.4　Changes of Turbidity before and after UF Membrane

項(xiàng) 目2～3μm/(個(gè)·mL-1)3～5μm/(個(gè)·mL-1)5～7μm/(個(gè)·mL-1)7～10μm/(個(gè)·mL-1)10～15μm/(個(gè)·mL-1)15～20μm/(個(gè)·mL-1)總數(shù)/(個(gè)·mL-1)沉淀池出水52668517013637101570V型濾池出水2530951070浸沒(méi)式超濾出水3200005柱式超濾出水2000002

2.2超濾膜對(duì)有機(jī)物和氨氮的去除

CODMn和 NH3-N是飲用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)的2項(xiàng)常規(guī)指標(biāo)，直接關(guān)系到飲用水水質(zhì)的優(yōu)劣。6月上旬苕溪流域降水量較少，東苕溪水位較低，原水氨氮與高錳酸鹽指數(shù)較高，浸沒(méi)式超濾和柱式超濾進(jìn)出水水質(zhì)數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明浸沒(méi)式超濾膜和柱式超濾膜對(duì)進(jìn)水的CODMn和 NH3-N均有一定的去除效果。其中，浸沒(méi)式超濾膜對(duì)CODMn去除率為0～13.8%，出水CODMn控制在3mg/L以下，對(duì)氨氮的平均去除率為21.34%；柱式超濾膜對(duì)CODMn的去除率為1.85%～35.4%，平均去除率為5.9%，對(duì)氨氮的平均去除率為13.29%。該結(jié)果與國(guó)內(nèi)已經(jīng)運(yùn)行的超濾膜水廠較為接近[7]。

圖5　超濾膜前后COD Mn的變化 Fig.5　Changes of COD Mn before and after UF Membrane

圖6　超濾膜前后NH 3-N的變化 Fig.6　Changes of Ammonia Nitrogen before and after UF Membrane

2.3超濾膜對(duì)鐵、錳的去除

6月中旬在水廠的取水口斷面采樣監(jiān)測(cè)得到原水中鐵為0.23mg/L、錳為0.14mg/L。經(jīng)水廠前階段的混凝沉淀，鐵、錳基本上已被去除。多次監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，總錳進(jìn)水一直<0.05mg/L，總鐵進(jìn)水偶爾幾次為0.1mg/L，多次監(jiān)測(cè)結(jié)果均<0.05mg/L。超濾膜出水后鐵、錳指標(biāo)均<0.05mg/L。

3結(jié)論

余杭東苕溪取水口一年之中大部分時(shí)間水質(zhì)較好，通過(guò)常規(guī)處理后，濁度、CODMn、氨氮等超標(biāo)項(xiàng)目在出廠時(shí)均能夠達(dá)到《生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)。以上研究表明增設(shè)浸沒(méi)式超濾工藝或柱式超濾工藝后，出水水質(zhì)均有所提高，出廠水濁度能保證在0.1NTU以下，對(duì)CODMn、氨氮、錳等有較好的去除效果。此外，出廠水>2μm顆粒數(shù)可以從70個(gè)/mL控制到30個(gè)/mL以下，以“兩蟲”為代表的微生物得到有效控制，說(shuō)明該工藝可以提升水廠的水質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 傅曉冬.杭州市清泰水廠膜處理自控系統(tǒng)方案比選[J].給水排水,2011,37(11)： 102-105.

[2] 浙江省環(huán)境保護(hù)廳.2012年浙江省環(huán)境狀況公報(bào)[R].2013.

[3] 楊艷玲,李星,李圭白.新一代飲用水凈化工藝—以超濾為核心技術(shù)的組合工藝[J].建設(shè)科技,2007,6(13)： 62-63.

[4] 浙江省城市供水協(xié)會(huì).浙江省城市供水現(xiàn)代化水廠評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].2013.

[5] Templeton M R, Andrews R C, Hofmann R. Removal of particle-associated bacteriophages by dual-media filtration at different filter cycle stages and impacts on subsequent UV disinfection[J]. Water Research, 2007, 41(11)： 2393-2406.

[6] Mark W L, William D N. Examining relationships between particle counts and giardia, cryptosporidium and turbidity[J]. JAWWA. 1992, 84(12)： 54-60.

[7] 許陽(yáng),代榮,董民強(qiáng),等.炭砂過(guò)濾—膜處理組合工藝中試研究[J].給水排水,2008,34(3)： 17-20.