王婷婷，孫文挺，馮 磊，劉露露

(1.天津市渤海海洋監(jiān)測(cè)監(jiān)視管理中心 天津300070；2.天津膜天膜科技股份有限公司膜材料與膜應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津300457)

0 引 言

水是萬(wàn)物之源，是一切生物生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，是社會(huì)生產(chǎn)必需的基本資源之一。開(kāi)發(fā)利用水資源，實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置、合理使用、有效保護(hù)和安全供給，對(duì)于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、提高人民生活水平和保障國(guó)家安全具有重大的戰(zhàn)略意義。然而近年來(lái)，水環(huán)境污染加劇，飲用水源水質(zhì)惡化，我國(guó)飲用水資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)人均淡水資源僅相當(dāng)于世界人均的1/4，被列為世界上最缺乏淡水的13個(gè)國(guó)家之一，近 700個(gè)城市中有 60%存在供水不足的問(wèn)題，其中近 20%嚴(yán)重缺水，全國(guó)城市年總?cè)彼拷?×109m3[1-4]。因此，采用高效合理的飲用水凈化處理工藝，充分利用有限的飲用水資源，確保飲用水安全，是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的重要研究課題。

飲用水供給行業(yè)一方面面臨著水源水質(zhì)惡化的現(xiàn)狀，另一方面又面臨著飲用水水質(zhì)要求更嚴(yán)苛的壓力。在現(xiàn)有凈水工藝的條件下，飲用水的生物安全性、化學(xué)安全性等方面出現(xiàn)了諸多問(wèn)題。因此，為持續(xù)保證飲用水水質(zhì)要求，確保供水安全，除了不斷加大力度控制飲用水水源污染，改善水源水質(zhì)外，還要根據(jù)實(shí)際工程技術(shù)條件，采用強(qiáng)化常規(guī)處理工藝，增加預(yù)處理或膜法深度處理工藝等飲用水處理技術(shù)，以滿(mǎn)足長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全的飲用水供水要求[5-10]。

本文著眼于飲用水凈化處理各發(fā)展階段的特點(diǎn)，從飲用水處理技術(shù)和膜技術(shù)的發(fā)展歷程出發(fā)，著重介紹中空纖維膜技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用，以期為飲用水處理技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和改進(jìn)提供一定的借鑒。

1 飲用水處理及中空纖維膜技術(shù)概況

1.1 飲用水處理技術(shù)的發(fā)展歷程

公元前 2000年，飲用水處理最早在古希臘和古印度出現(xiàn)文字記載，人們用木炭處理飲用水。公元前1500年，古埃及人首先發(fā)現(xiàn)了混凝沉淀原理，用明礬(KAl(SO4)2·12H2O)去除水中顆粒物。1804 年，英國(guó)設(shè)計(jì)了第一個(gè)利用慢速砂濾處理的城市飲用水處理廠。19世紀(jì) 90年代，喬治·富勒(George Fuller)發(fā)現(xiàn)混凝沉淀和快速砂濾池結(jié)合使用可以更好地去除病原微生物，美國(guó)一些水廠開(kāi)始采用混凝沉淀和快速砂濾來(lái)確保飲用水安全。1900年，英、美等國(guó)開(kāi)始對(duì)飲用水進(jìn)行氯消毒，殺滅病原微生物，而后將沉淀、慢濾、快濾和氯消毒工藝組合，在全世界得到十分廣泛的應(yīng)用，目前仍然是全世界的主流飲用水凈化工藝?；炷?、沉淀、過(guò)濾、消毒的常規(guī)凈水處理工藝被稱(chēng)為第一代凈水技術(shù)[11]。

20世紀(jì)70年代，水環(huán)境污染使城市飲用水中出現(xiàn)了諸多對(duì)人體有毒害的微量有機(jī)污染物和氯化消毒副產(chǎn)物，其中不乏致癌、致畸、致突變物質(zhì)(三致物)。在此背景下，人們?cè)诘谝淮鷥羲幚砉に嚮A(chǔ)上增加了臭氧-活性炭深度處理工藝，即為第二代工藝，去除和控制水中的有機(jī)污染物和氯化消毒副產(chǎn)物，提高飲用水的化學(xué)安全性。

20世紀(jì)末，水環(huán)境污染加劇導(dǎo)致水中污染物種類(lèi)不斷增加，同時(shí)，第二代凈水工藝中的顆?；钚蕴繛槲⑸锏姆敝程峁┝藞?chǎng)所，以“兩蟲(chóng)”——賈地鞭毛蟲(chóng)和隱孢子蟲(chóng)為代表的微生物具有較強(qiáng)的致病性和抗氯性，1993年美國(guó)兩蟲(chóng)病爆發(fā)感染了40多萬(wàn)人[3]。類(lèi)似的重大飲用水生物安全性問(wèn)題，再次引起人們的關(guān)注。以膜技術(shù)為核心的新一代組合工藝不僅對(duì)顆粒物和細(xì)菌有很好的去除效果，對(duì)有機(jī)物和其他毒害物質(zhì)也能起到很好的控制作用，可以有效提高水的生物安全性和化學(xué)安全性[12]。

1.2 膜技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用

膜分離技術(shù)被稱(chēng)為“21世紀(jì)的水處理技術(shù)”，在飲用水處理領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。18世紀(jì)中葉，人們初步認(rèn)識(shí)膜，了解膜的基本特性。到 19世紀(jì)中葉出現(xiàn)了第一張人工膜。1987年，世界第一座膜分離水廠在美國(guó)科羅拉多州的 Keystone建成投產(chǎn)，處理能力為 105m3/d。1988年，第二座水廠出現(xiàn)在法國(guó)阿蒙科特(Amoncourt)，其規(guī)模為240m3/d。20世紀(jì)90年代，由于高端飲水需求，我國(guó)出現(xiàn)大批以活性炭吸附、反滲透工藝為主的直飲水項(xiàng)目。21世紀(jì)初，臺(tái)灣金棠公司在高雄用自制平板超濾膜和進(jìn)口反滲透膜雙膜法，改造了 30萬(wàn) m3/d深度處理工程；2007年，該公司又用國(guó)產(chǎn) PVC中空纖維膜取代平板膜，建成30萬(wàn)m3/d雙膜法深度處理水廠[1,13]。

目前，世界上應(yīng)用膜分離技術(shù)的自來(lái)水廠越來(lái)越多，南水北調(diào)、引灤入津、水質(zhì)提標(biāo)改造，日處理能力在幾十萬(wàn)噸的大規(guī)模水廠也開(kāi)始采用膜分離技術(shù)。膜分離技術(shù)的高速發(fā)展及成本的不斷降低，為其在飲用水處理中的廣泛推廣應(yīng)用掃清了障礙，為緩解城市供水壓力，全面提升飲用水品質(zhì)提供了堅(jiān)定的技術(shù)支持和穩(wěn)定保障，膜分離技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用也成為飲用水凈化提質(zhì)的研究熱點(diǎn)。

1.3 中空纖維膜的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)

中空纖維膜具有單位體積裝填密度高、過(guò)濾面積大、占地面積小、成本相對(duì)較低、分離效果好等優(yōu)勢(shì)，利用其優(yōu)勢(shì)，可以將該技術(shù)應(yīng)用于氣體分離、海水淡化、水處理、膜曝氣以及生物醫(yī)學(xué)工程等方面。其中，聚偏氟乙烯(PVDF)中空纖維膜應(yīng)用最為廣泛，也是當(dāng)今世界公認(rèn)的優(yōu)秀膜材料，主要特點(diǎn)為：

①抗氧化性強(qiáng)，常用于氧化性藥劑清洗。

②化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿、抗老化性強(qiáng)。

③用于制膜柔韌性好，延展性強(qiáng)，使用安全。

④耐污染，易清洗，使用氣水雙洗，容易清洗恢復(fù)，從而節(jié)水節(jié)能[14-15]。

2 以中空纖維超濾膜為核心技術(shù)的第三代城市飲用水凈化工藝

超濾是綠色無(wú)害的物理分離技術(shù)，不僅可以降低水的濁度、殺菌，而且?guī)缀跄苋コ恐虏∥⑸?，使出水水質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到飲用水新國(guó)標(biāo)要求。經(jīng)超濾處理后的飲用水，其消毒副產(chǎn)物生成量大幅減少，從而提高了飲用水的化學(xué)安全性。另外，將超濾技術(shù)與第一、二代技術(shù)進(jìn)行組合，可使出水水質(zhì)提高且出水量增加，但對(duì)溶解性中小分子量污染物以及高濁度水的處理效果較差。為了獲得優(yōu)質(zhì)水，需要增設(shè)膜前處理單元和膜后處理單元。目前，將超濾視為第三代城市飲用水凈化工藝的核心技術(shù)，是城市飲用水處理發(fā)展的新方向。

2.1 膜前處理技術(shù)

為了保證膜不受機(jī)械損傷，保持良好的過(guò)濾效果，針對(duì)水中不同的污染物和目標(biāo)物，膜前需要采用不同的處理方法。

①混凝：可使顆粒物、微生物、大分子有機(jī)物及部分溶解物質(zhì)生成可為超濾去除的顆粒物，而且還能除磷。

②吸附：目的是去除中等分子量有機(jī)物。

③生物處理：利用生物氧化和吸附去除小分子量有機(jī)物，其中利用生物氧化除氨氮效果顯著。

④化學(xué)氧化：可提高混凝、吸附、生物處理的去除效率，且針對(duì)不同目標(biāo)物，采用不同氧化及高級(jí)氧化方法。

2.2 膜后處理技術(shù)

單獨(dú)的超濾技術(shù)能將水中致病微生物幾乎全部去除，出水可達(dá)到新國(guó)標(biāo)對(duì)新生物指標(biāo)的要求，所以原則上對(duì)膜出水不必再進(jìn)行消毒，但為防止二次污染，需向水中投加少量消毒劑。因此，消毒副產(chǎn)物的生成量顯著減少，膜后處理技術(shù)應(yīng)使水保持生物穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。

2.3 常規(guī)工藝與超濾單元組合工藝

2.3.1 在常規(guī)工藝后設(shè)置超濾單元

改進(jìn)后其典型的工藝流程為：原水→混合→絮凝→沉淀→過(guò)濾→超濾→出水。超濾單元的設(shè)置，不影響原常規(guī)工藝的運(yùn)行，易于執(zhí)行，但增設(shè)超濾單元，增加了建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用。由于原常規(guī)工藝中沒(méi)有可利用的水頭，若采用內(nèi)壓式超濾膜組件，需在膜單元前增設(shè)加壓泵，若采用外壓式超濾膜組件，需在膜單元后增設(shè)抽吸泵。

2.3.2 用超濾單元取代常規(guī)工藝中過(guò)濾單元

改進(jìn)后其典型的工藝流程為：原水→混合→絮凝→沉淀→超濾(原為過(guò)濾)→出水。利用超濾單元取代常規(guī)工藝中的過(guò)濾單元，可處理適宜常規(guī)工藝應(yīng)用的所有水，且對(duì)膜前處理不必進(jìn)行大的改造，因不需增設(shè)新的大型凈水構(gòu)筑物，建設(shè)費(fèi)用較低，而且可以利用原過(guò)濾水頭，有利于降低運(yùn)行費(fèi)用。但將濾池改造成超濾單元，會(huì)一定程度影響常規(guī)工藝的運(yùn)行。

2.3.3 用超濾單元取代常規(guī)工藝中沉淀和過(guò)濾單元

改進(jìn)后其典型的工藝流程為：原水→混合→絮凝→超濾(原為沉淀和過(guò)濾)→出水。此工藝由于膜前沒(méi)有沉淀單元，故適用于濁度較低的原水水質(zhì)，而且對(duì)于水質(zhì)優(yōu)良的原水，可進(jìn)行無(wú)藥劑處理。另外，它還可充分利用原工藝中沉淀和過(guò)濾單元的空間，建設(shè)費(fèi)降低，并顯著提高產(chǎn)水量，而且可以利用原工藝大部分水頭，有利于降低運(yùn)行費(fèi)用。但將沉淀池和濾池改造成超濾單元，會(huì)影響原工藝的運(yùn)行。

2.3.4 其他幾種超濾組合工藝

①在采用氣浮常規(guī)工藝后，用超濾單元取代過(guò)濾。

②在澄清池、高密度沉淀池后，用超濾單元取代過(guò)濾。

③在澄清池、高密度沉淀池內(nèi)的出水區(qū)設(shè)置超濾單元。

3 中空纖維超濾膜技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用案例

3.1 東營(yíng)第二自來(lái)水廠

東營(yíng)第二自來(lái)水廠(圖1)的水源為東營(yíng)墾利縣永鎮(zhèn)水庫(kù)水(黃河水)，經(jīng)該廠處理后，供工業(yè)園區(qū)用水和東營(yíng)市市政自來(lái)水。該廠一期工程膜車(chē)間浸沒(méi)式超濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模為5萬(wàn)m3/d，分為6個(gè)膜池，單池設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為 8750m3/d，于 2011年 8月投入使用。水廠采用“調(diào)蓄預(yù)沉+加氯消毒+折板絮凝平流沉淀池＋浸沒(méi)式超濾”工藝，出水水質(zhì)的濁度≤0.1，藻類(lèi)、兩蟲(chóng)、細(xì)菌以及病毒去除率顯著提高。

圖1 東營(yíng)第二自來(lái)水廠現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.1 Spot map of second waterworks in Dongying

3.2 江蘇金壇第三自來(lái)水廠

江蘇金壇第三自來(lái)水廠(圖2)的水源為江蘇金壇錢(qián)資蕩湖水(長(zhǎng)江水)，該廠處理后，供金壇市政自來(lái)水。該廠采用“調(diào)蓄預(yù)沉+加氯消毒+氣浮除藻+炭砂濾池+壓力式超濾”工藝，設(shè)計(jì)一級(jí) 8套和二級(jí) 1套，共計(jì) 864支，每個(gè)機(jī)臺(tái)設(shè)計(jì) 100支 UOF—4d超濾膜元件，膜設(shè)計(jì)通量為65LMH。

改善工藝后，出廠水委托國(guó)家城市供水水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)無(wú)錫監(jiān)測(cè)站檢測(cè)，出廠水完全符合 106項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且許多檢測(cè)項(xiàng)目還優(yōu)于國(guó)標(biāo)限值。譬如濁度一般低于 0.02NTU，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(1NTU)。另外，色度、嗅和味等感官性狀與一般化學(xué)指標(biāo)、微生物學(xué)指標(biāo)等都得到了嚴(yán)格的控制，尤其是讓市民最敏感的嗅和味得到明顯的改善。

圖2 江蘇金壇第三自來(lái)水廠現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.2 Spot map of third waterworks in Jiangsu Jintan

3.3 泰安市三合水廠

泰安三合水廠(圖3)改造項(xiàng)目采用“高錳酸鉀預(yù)氧化+混凝沉淀池+浸沒(méi)式超濾膜”凈水工藝。項(xiàng)目改造規(guī)模與原供水能力一致，仍為 10萬(wàn) m3/d。為了不影響水廠正常供水，在三合水廠東臨新征5173m2土地，用于建設(shè)膜處理車(chē)間和加氯加粉炭間。在原水廠實(shí)施其余改造工程如清水池、加藥間、絮凝沉淀池等。

三合水廠改造完成后，于2013年12月正式投入運(yùn)行，出廠水能夠達(dá)到國(guó)家最新的 106項(xiàng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，濁度只有 0.1NTU，細(xì)菌、病毒以及兩蟲(chóng)等幾乎為零[20]，三合水廠制水工藝及出廠水質(zhì)均可達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

圖3 泰安市三合水廠現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.3 Spot map of Sanhe waterworks in Taian

3.4 石家莊良村自來(lái)水廠

石家莊市南水北調(diào)配套工程——良村開(kāi)發(fā)區(qū)地表水廠(圖 4)一期工程屬于市政基礎(chǔ)設(shè)施工程，是合理開(kāi)發(fā)利用南水北調(diào)水資源、保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)條件，也是地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要舉措。良村開(kāi)發(fā)區(qū)地表水廠一期工程建設(shè)規(guī)模為15萬(wàn) m3/d，總規(guī)模為 30萬(wàn) m3/d，水源來(lái)自南水北調(diào)工程中線[25]。

該水廠于2017年3月投入運(yùn)行，采用PVDF浸沒(méi)式超濾膜，經(jīng)處理后，出水濁度＜0.1NTU，遠(yuǎn)低于國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖4 石家莊良村自來(lái)水廠現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.4 Spot map of Liang village waterworks in Shijiazhuang

4 結(jié) 論

中空纖維膜技術(shù)在飲用水處理領(lǐng)域的應(yīng)用具有劃時(shí)代的影響意義，可以通過(guò)改變傳統(tǒng)水處理工藝的凈化機(jī)理，將水力沉淀、吸附等改變?yōu)闄C(jī)械過(guò)濾，可根據(jù)不同水質(zhì)要求，采用不同精度的分離技術(shù)，從而獲得符合要求的出水水質(zhì)。

本文從飲用水處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，介紹了自來(lái)水廠、飲用水處理技術(shù)以及膜技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了飲用水處理工藝的重要性以及水處理面臨的挑戰(zhàn)，超濾水處理技術(shù)的出現(xiàn)有效解決了水處理技術(shù)方面長(zhǎng)久存在的問(wèn)題，大幅提高了出水水質(zhì)，出水濁度小于 0.1NTU，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于新水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，本文重點(diǎn)介紹了中空纖維超濾膜的優(yōu)勢(shì)、設(shè)計(jì)要點(diǎn)及其應(yīng)用，展現(xiàn)了超濾膜技術(shù)在當(dāng)代水處理技術(shù)方面的重要作用。最后，根據(jù)目前研究現(xiàn)狀及工程應(yīng)用中存在的問(wèn)題，對(duì)以后研究方向做出了大致規(guī)劃，中空纖維超濾膜技術(shù)將是飲用水凈化工藝新的發(fā)展方向。