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(1.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072；2.鹽亭縣水務(wù)局，四川 鹽亭，621600；3.海南立昇凈水科技實業(yè)有限公司，海南，518040)

預(yù)處理+超濾凈水裝置優(yōu)化組合系統(tǒng)示范研究

葉紅1，周蕓1，胡飛2，趙承俊2，蒲澤鑫2，陳康3

(1.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072；2.鹽亭縣水務(wù)局，四川 鹽亭，621600；3.海南立昇凈水科技實業(yè)有限公司，海南，518040)

西南山丘區(qū)農(nóng)村供水傳統(tǒng)凈化工藝難以解決當(dāng)前面臨的諸多水質(zhì)問題，本項目構(gòu)建了超濾凈水裝置優(yōu)化組合系統(tǒng)，開展現(xiàn)場水質(zhì)凈化效果試驗，獲得了水質(zhì)凈化數(shù)據(jù)、運行管理參數(shù)等，提出了應(yīng)用技術(shù)模式，為農(nóng)村飲水安全提質(zhì)增效提供了技術(shù)支持。

預(yù)處理 超濾凈水裝置 優(yōu)化組合 示范研究

1 前言

西南山丘區(qū)地緣遼闊，既有淺丘平壩也有高山深丘，農(nóng)村飲用水源不同，受污染的特征和本身的自然條件也有顯著不同，但主要的共性是農(nóng)民居住分散，自然村落規(guī)模小，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化程度較低，氣候普遍溫和，水資源較豐富，飲用水源地主要以庫泊、河渠溝塘地表水等自然水體為主。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，飲用水源大多受到嚴(yán)重污染并有進(jìn)一步惡化的趨勢，使現(xiàn)有混凝—沉淀—過濾—消毒的傳統(tǒng)工藝，難以滿足當(dāng)前飲用水安全提質(zhì)增效目標(biāo)的要求，需要開展適合農(nóng)村技術(shù)管理水平的、經(jīng)濟適用的水質(zhì)凈化技術(shù)研究與示范，以提高水質(zhì)安全水平，保障水質(zhì)安全。因此，課題組開展了西南山丘區(qū)農(nóng)村飲水水質(zhì)保障技術(shù)及裝置研究與示范。

近年來，以超濾膜組合工藝為代表的膜處理技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，超濾膜采用純物理方法過濾，有效濾除細(xì)菌、病毒和絕大部分懸浮顆粒物。出水濁度和菌落指標(biāo)均達(dá)到國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。模塊化的裝置設(shè)計，非常適合中小型集中、分散供水系統(tǒng)，自動化程度高，易管理，非常適合農(nóng)村地區(qū)管理水平。但是，采用單一的超濾膜技術(shù)面臨著超濾膜污染問題，本課題組針對四川鹽亭縣永泰鄉(xiāng)供水站原水的水質(zhì)特點，以大口井+重力無閥濾池作為超濾膜前預(yù)處理方式，考察預(yù)處理+超濾凈水優(yōu)化組合工藝對原水的去除效果，縮短制水工藝流程、降低藥劑耗量，從而降低基建投資和運行費用。

2 超濾凈水裝置優(yōu)化組合系統(tǒng)設(shè)計及示范

2.1 示范區(qū)選擇

通過現(xiàn)場多次調(diào)研與協(xié)商，示范點選在鹽亭縣永泰鄉(xiāng)供水站。供水人口包括場鎮(zhèn)居民和學(xué)校共計2800人，設(shè)計供水規(guī)模220m3/d。水源類型為地表水(湍江取水)，為保證穩(wěn)定取水，采用大口井作為取水設(shè)施，河道源水水質(zhì)經(jīng)鹽亭縣疾病預(yù)防控制中心衛(wèi)生檢測(2014年7月11日)，結(jié)果表明：所檢指標(biāo)中菌落總數(shù)、總大腸菌群、耐熱大腸菌群、大腸埃希氏菌、色度、肉眼可見物不符合國家飲水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求，其余指標(biāo)符合要求。

2.2 原有供水工程及其存在問題

該供水站原有水處理采用混凝—沉淀—過濾—消毒的傳統(tǒng)工藝，在新形勢下已不堪負(fù)重，難以解決當(dāng)前的諸多水質(zhì)問題，主要包括：用水泵直接提取河水，常規(guī)工藝的凈水效果受原水水質(zhì)的影響較大，通常會使出水水質(zhì)如濁度、顆粒物等指標(biāo)超標(biāo)；飲用水的微生物安全性難以有效保障；運行成本高。

采用傳統(tǒng)工藝建造中小型自來水廠，不具備規(guī)?；?yīng)，占地面積大，因運行管理及日常維護(hù)不善，供水水量及水質(zhì)難以保證。由上可見，在水源受污染情況下，由于傳統(tǒng)自來水凈化工藝的局限性，經(jīng)處理后的生活飲用水水質(zhì)安全性難以有效保障，已經(jīng)不能與現(xiàn)有的水源和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)，必須選擇新的適合城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民使用的替代水處理技術(shù)。經(jīng)過與當(dāng)?shù)厮块T協(xié)商，結(jié)合農(nóng)村飲水安全建設(shè)項目，決定采用預(yù)處理+超濾組合工藝改造該供水站，改善供水保證水平。

2.3 預(yù)處理+超濾凈水裝置優(yōu)化組合系統(tǒng)設(shè)計

預(yù)處理+超濾凈水裝置優(yōu)化組合系統(tǒng)是在原有的滲濾-大口井-重力式無閥濾池工藝上直接增加超濾工藝，是傳統(tǒng)工藝供水廠進(jìn)行深度處理改造的一種方案。該方案雖然增加了水處理工藝流程長度，但重力式無閥濾池良好的出水水質(zhì)往往能夠為超濾提供穩(wěn)定的進(jìn)水條件。

試點工程工藝流程為：大口井-重力式無閥濾池-超濾裝置-消毒設(shè)施-清水池-高位水池(二級泵站)。

原水經(jīng)大口井潛水泵泵入重力式無閥濾池，濾池出水經(jīng)重力自流進(jìn)入調(diào)節(jié)水池，經(jīng)增壓泵增壓后先后進(jìn)入預(yù)過濾器和超濾膜組件系統(tǒng)，超濾產(chǎn)水匯集到清水池，然后利用水廠原有的供水設(shè)施和供水管網(wǎng)供給用戶。該處理工藝采用超濾膜組件把關(guān)，水體中存在的細(xì)菌、病毒等物質(zhì)被有效截留，確保出水中微生物的安全性，且出水濁度控制在0.1NTU以下。

2.3.1 取水工程

采用在湍江永泰鄉(xiāng)場鎮(zhèn)上游修建滲水渠、大口井的取水方式，對水源進(jìn)行初濾，增加滲水面，確保取水水量。滲水渠采用干砌料石邊墻、鋼筋混凝土蓋板、砂石濾料，大口井周邊枯水位以下3m高干砌厚0.6m塊石，外圍回填砂石。大口井直徑3m，深8m。

2.3.2 重力式無閥濾池

由于本次選用的水源為地表水，無工業(yè)污染源，水質(zhì)較好，凈水處理時間按照16h計算，凈水處理需求為Q=13.75m3/h，凈水處理能力設(shè)計為Q=15m3/h。平均沖洗強度為15L/s·m2。水頭損失為1.70m。采用雙層濾料：下層為300mm厚粒徑1.2mm～1.6mm無煙煤(篩網(wǎng)規(guī)格16目/吋～12目/吋)，上層為400mm厚粒徑0.5mm～1.0mm石英砂(篩網(wǎng)規(guī)格36目/吋～18目/吋)。

2.3.3 超濾膜深度凈化系統(tǒng)

超濾凈化系統(tǒng)采用海南立升凈水公司生產(chǎn)的設(shè)備，設(shè)計技術(shù)參數(shù)見表1。超濾膜系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)水量220m3/d，選用1套內(nèi)壓式超濾膜設(shè)備(見圖1)，型號為LG1060×6-DT，共選用LH3-1060-V型超濾膜組件6支，每支膜有效膜面積為40m2。

單支膜的設(shè)計產(chǎn)水量為2.0m3/h，反沖洗水量為7.0m3/h，過濾周期為30min(即過濾30min進(jìn)行1次反沖洗)，設(shè)備運行時間按20h/d計。反沖洗程序為“順沖-上反洗-下反洗-順沖”，每次反沖洗所需時間為60s，其中，順沖10s，上反洗20s，下反洗20s，順沖10s。即設(shè)備每天正常運行20h，產(chǎn)水時間約為19.3h，反沖洗時間約為0.7h。

根據(jù)設(shè)計參數(shù)，該型號設(shè)備的產(chǎn)水量=2.0m3/(h·支膜)×6支膜×19.3h/d=231.6m3/d，系統(tǒng)需要的主要設(shè)備參數(shù)見表2。

表1 超濾膜系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

表2 超濾系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

圖1 超濾膜組件

2.3.4 消毒系統(tǒng)

本工程水質(zhì)經(jīng)上述過濾、超濾后再在清水池前進(jìn)行消毒，然后供給用戶飲用。消毒設(shè)計為全自動二氧化氯發(fā)生器消毒機進(jìn)行水質(zhì)消毒處理，自動進(jìn)料投加氯消毒方式，藥液用完自動停泵報警。主要技術(shù)指標(biāo)：有效氯產(chǎn)量50g/h，水處理能力30m3/h。

2.3.5 調(diào)節(jié)構(gòu)筑物及管網(wǎng)

該工程調(diào)節(jié)構(gòu)筑物為清水池，有效蓄水容積按100m3設(shè)計。據(jù)統(tǒng)計，該工程供水管道總長4620m。

3 水質(zhì)指標(biāo)檢測試驗

3.1 超濾膜對濾后水的凈化

試驗超濾裝置對濾后水作進(jìn)一步處理，水溫平均在17.3℃，裝置在0.2MPa跨膜壓差穩(wěn)定運行1h，原水取水點在膜裝置進(jìn)水的原水箱內(nèi)，超濾出水取水樣點在裝過濾出水的流量計取水口處，分別測定濁度、CODMn、PH值、細(xì)菌學(xué)等指標(biāo)，結(jié)果見表3。

表3 超濾膜對濾后水的凈化

由表3可知，重力無閥濾池出水濁度為1NTU～2NTU，膜出水的濁度<1NTU，說明超濾工藝對濁度很低的重力無閥濾池出水有進(jìn)一步的處理效果，也是現(xiàn)階段水廠供水濁度達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵。超濾膜對溶解性有機物的去除效果較好，膜出水CODMn濃度平均值為1.8mg/L，CODMn濃度去除率為32.72%～41.8%。理論上講超濾膜能夠100%截留細(xì)菌，但由表3結(jié)果可看出，超濾出水菌落總數(shù)指標(biāo)為1～5(CFU/mL)，其余指標(biāo)為未檢出。從水質(zhì)化驗結(jié)果顯示，出水完全符合國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

超濾膜對濁度、膠體物有十分理想的屏障作用，除菌效果也非常有效，但對天然有機物效果相對較弱，而濾池中的濾料對相對小分子有機物有一定的去除效果，去除率>30%。因此，為了減低原水濁度隨季節(jié)的變化，保證超濾設(shè)備的正常運行，以及加強對原水中有機物的去除，在超濾前采取重力無閥濾池工藝是有效的預(yù)處理措施。

3.2 預(yù)處理+超濾組合工藝對水源水(河水)的凈化效果

該試點工程采用的超濾優(yōu)化組合方案是“預(yù)處理(大口井+重力無閥濾池)+超濾”組合凈化處理工藝，其凈化效果通過對河道水源原水以及相應(yīng)的超濾凈化后出水進(jìn)行取樣試驗，水質(zhì)分析由當(dāng)?shù)丶部夭块T分析完成，化驗結(jié)果見表4。結(jié)果顯示：在系統(tǒng)試驗運行期間，該組合工藝出水濁度基本被去除，有機物去除效果較好，對CODMn的去除率為58.18%～67.27%；菌落總數(shù)去除率為96%；總大腸菌群、耐熱大腸菌群、大腸埃希氏菌均未檢出。主要水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，說明該組合工藝對示范供水站原水(地表水)的凈化效果是成功的。

表4 組合工藝對原水的凈化

4 超濾膜操作參數(shù)試驗

超濾膜在使用過程中，膜通量隨運行時間的延長而降低。壓力、溫度、流速、PH值、濃水排放量等主要操作參數(shù)，對濃差極化、膜孔的堵塞、凝膠層的膠固化影響很大。而膜壓差和膜過濾通量是其最重要的運行參數(shù)，它能反映不同運行工況、水質(zhì)下，通量和膜壓差的變化。膜壓差〔(P進(jìn)水+P濃水)/2-P產(chǎn)水〕<0.15MPa。選擇超濾設(shè)備運行條件如表5所示。

表5 超濾設(shè)備運行條件

注：TMP=(進(jìn)水壓力+濃水壓力)/2-產(chǎn)水壓力；0.1MPa=1bar(kgf/cm2)=100kPa。

本試驗由于試驗條件和儀器的限制，只考察壓力、流速對透水通量的影響。

4.1 膜壓差監(jiān)測試驗

依據(jù)日常觀察記錄表中流量計、壓力表及產(chǎn)水量的原始記錄，計算、分析膜壓差是否滿足〔(P進(jìn)水+P濃水)/2-P產(chǎn)水〕<0.2MPa(建議運行跨膜壓差≤0.08MPa)。

超濾凈水裝置在試運行的幾個月中，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，進(jìn)水、濃水、超濾水的壓力都穩(wěn)定在下表6列出的2015年5月部分觀測數(shù)據(jù)中，跨膜壓差均小于0.2MPa，滿足超濾設(shè)備運行條件。

表6 超濾設(shè)備運行記錄(2015年5月)

4.2 流速測定試驗

流速是指原液(供給水)在膜表面上流動的線速度，是超濾系統(tǒng)中一項重要操作參數(shù)。流速較大時，不但造成能量的浪費和產(chǎn)生過大的壓力降，而且加速超濾膜分離性能的衰退。反之，如果流速較小，截留物在膜表面形成的邊界層厚度增大，引起濃差極化現(xiàn)象，既影響了透水速率，又影響了透水質(zhì)量。

壓力降是指原水進(jìn)水壓力與濃水壓力之差。公式：壓力降=進(jìn)水壓力-濃水壓力。

壓力降與供水量、流速、濃水排放量有密切關(guān)系。沿著水流方向膜表面的流速及壓力是逐漸變化的。供水量、流速、濃水排量越大，則壓力降越大，形成下游膜表面的壓力不能達(dá)到所需的工作壓力，膜組件的總的產(chǎn)水量會受到一定影響。在實際應(yīng)用中，應(yīng)盡量控制壓力降值不要過大，隨著運轉(zhuǎn)時間延長，由于污垢積累而增加了水流的阻力，使壓力降增大，當(dāng)壓力降高出初始值0.3MPa時應(yīng)當(dāng)進(jìn)行清洗，疏通水路。表6數(shù)據(jù)顯示，壓力降較小，說明超濾設(shè)備產(chǎn)水通路順暢。

4.3 超濾膜設(shè)備的工作溫度試驗

示范點的年平均氣溫為17.3℃，超濾膜設(shè)備的工作溫度保持在5℃～38℃，能保證膜在最佳狀態(tài)下正常工作。

5 結(jié)論

(1)重力式無閥濾池對原水水質(zhì)指標(biāo)的提高效果有限，高濁度原水直接進(jìn)入超濾膜過濾會造成膜的嚴(yán)重污染，影響產(chǎn)水能量和膜的使用壽命。重力式無閥濾池作為超濾膜前的預(yù)處理，實現(xiàn)了對大口井出水懸浮物的截留，水中的濁度、有機物、微生物等指標(biāo)有一定的截留作用，一定程度上減輕了超濾膜的污染負(fù)荷，避免了原水與膜絲的直接接觸，從而減輕了膜污染，保證了超濾膜的穩(wěn)定運行，彌補了超濾膜對有機物去除效果的有限性。因此在膜前增設(shè)合理的預(yù)處理工藝對提高有機物的去除以及保持超濾裝置的穩(wěn)定運行具有重要意義；

(2)大口井—重力無閥濾池—超濾優(yōu)化組合工藝的產(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，總大腸菌群、耐熱大腸菌群具有完全的截留作用，細(xì)菌總數(shù)去除效果良好，提高了微生物安全保障能力。對CODMn的去除率大于30%，有效降低了出水中的有機物含量；

(3)預(yù)處理+超濾凈水裝置優(yōu)化組合系統(tǒng)更能確保飲用水的水質(zhì)安全性，另外超濾設(shè)備對過濾、反沖、保護(hù)等可以實現(xiàn)完全自動控制、自動運行，使得供水站的運行維護(hù)變得簡單且容易管理。這種優(yōu)化組合凈水系統(tǒng)是農(nóng)村飲用水凈化技術(shù)的可行選擇，在類似的農(nóng)村供水工程改造升級中具有良好的應(yīng)用前景。

〔1〕朱方旭.預(yù)處理-微濾膜處理微污染水的試驗研究[D].江西：南昌大學(xué)，2012.

〔2〕劉 婷.三種預(yù)處理技術(shù)對超濾膜污染的影響及其機理研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

〔3〕劉光亞.超濾技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用和研究進(jìn)展[J].浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2007，6(3)：57～59.

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TU991.27

A

2095-1809(2017)05-0021-05

葉 紅，女，大學(xué)，高級工程師，主要從事水資源和水環(huán)境方面的研究工作。

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