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(1.四川省水利科學研究院，成都，610072；2.鹽亭縣水務局，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

(1.四川省水利科學研究院，成都，610072；2.鹽亭縣水務局，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前面臨的諸多水質問題，本項目構建了超濾凈水裝置優(yōu)化組合系統(tǒng)，開展現(xiàn)場水質凈化效果試驗，獲得了水質凈化數(shù)據(jù)、運行管理參數(shù)等，提出了應用技術模式，為農(nóng)村飲水安全提質增效提供了技術支持。

預處理 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重污染并有進一步惡化的趨勢，使現(xiàn)有混凝—沉淀—過濾—消毒的傳統(tǒng)工藝，難以滿足當前飲用水安全提質增效目標的要求，需要開展適合農(nóng)村技術管理水平的、經(jīng)濟適用的水質凈化技術研究與示范，以提高水質安全水平，保障水質安全。因此，課題組開展了西南山丘區(qū)農(nóng)村飲水水質保障技術及裝置研究與示范。

近年來，以超濾膜組合工藝為代表的膜處理技術受到了廣泛的關注，超濾膜采用純物理方法過濾，有效濾除細菌、病毒和絕大部分懸浮顆粒物。出水濁度和菌落指標均達到國家飲用水衛(wèi)生標準。模塊化的裝置設計，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)供水站原水的水質特點，以大口井+重力無閥濾池作為超濾膜前預處理方式，考察預處理+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)居民和學校共計2800人，設計供水規(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施，河道源水水質經(jīng)鹽亭縣疾病預防控制中心衛(wèi)生檢測(2014年7月11日)，結果表明：所檢指標中菌落總數(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)生標準要求，其余指標符合要求。

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重，難以解決當前的諸多水質問題，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的影響較大，通常會使出水水質如濁度、顆粒物等指標超標；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)模化效應，占地面積大，因運行管理及日常維護不善，供水水量及水質難以保證。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安全性難以有效保障，已經(jīng)不能與現(xiàn)有的水源和水質標準相適應，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。經(jīng)過與當?shù)厮块T協(xié)商，結合農(nóng)村飲水安全建設項目，決定采用預處理+超濾組合工藝改造該供水站，改善供水保證水平。

2.3 預處理+超濾凈水裝置優(yōu)化組合系統(tǒng)設計

預處理+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往往能夠為超濾提供穩(wěn)定的進水條件。

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)重力自流進入調(diào)節(jié)水池，經(jīng)增壓泵增壓后先后進入預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，水體中存在的細菌、病毒等物質被有效截留，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)的設備，設計技術參數(shù)見表1。超濾膜系統(tǒng)設計產(chǎn)水量220m3/d，選用1套內(nèi)壓式超濾膜設備(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進行1次反沖洗)，設備運行時間按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)設計參數(shù)，該型號設備的產(chǎn)水量=2.0m3/(h·支膜)×6支膜×19.3h/d=231.6m3/d，系統(tǒng)需要的主要設備參數(shù)見表2。

表1 超濾膜系統(tǒng)主要技術參數(shù)

表2 超濾系統(tǒng)設備參數(shù)

圖1 超濾膜組件

2.3.4 消毒系統(tǒng)

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

2.3.5 調(diào)節(jié)構筑物及管網(wǎng)

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

3 水質指標檢測試驗

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、細菌學等指標，結果見表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一步的處理效果，也是現(xiàn)階段水廠供水濁度達標的關鍵。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%截留細菌，但由表3結果可看出，超濾出水菌落總數(shù)指標為1～5(CFU/mL)，其余指標為未檢出。從水質化驗結果顯示，出水完全符合國家飲用水衛(wèi)生標準。

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處理措施。

3.2 預處理+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的超濾凈化后出水進行取樣試驗，水質分析由當?shù)丶部夭块T分析完成，化驗結果見表4。結果顯示：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。主要水質指標均達到國家飲用水衛(wèi)生標準，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、水質下，通量和膜壓差的變化。膜壓差〔(P進水+P濃水)/2-P產(chǎn)水〕<0.15MPa。選擇超濾設備運行條件如表5所示。

表5 超濾設備運行條件

注：TMP=(進水壓力+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，滿足超濾設備運行條件。

表6 超濾設備運行記錄(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，又影響了透水質量。

壓力降是指原水進水壓力與濃水壓力之差。公式：壓力降=進水壓力-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。在實際應用中，應盡量控制壓力降值不要過大，隨著運轉時間延長，由于污垢積累而增加了水流的阻力，使壓力降增大，當壓力降高出初始值0.3MPa時應當進行清洗，疏通水路。表6數(shù)據(jù)顯示，壓力降較小，說明超濾設備產(chǎn)水通路順暢。

4.3 超濾膜設備的工作溫度試驗

示范點的年平均氣溫為17.3℃，超濾膜設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 結論

(1)重力式無閥濾池對原水水質指標的提高效果有限，高濁度原水直接進入超濾膜過濾會造成膜的嚴重污染，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、微生物等指標有一定的截留作用，一定程度上減輕了超濾膜的污染負荷，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。因此在膜前增設合理的預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)，遠低于GB5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》的要求，總大腸菌群、耐熱大腸菌群具有完全的截留作用，細菌總數(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安全性，另外超濾設備對過濾、反沖、保護等可以實現(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用前景。

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

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TU991.27

A

2095-1809(2017)05-0021-05

葉 紅，女，大學，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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