王馨梅 賈生海 趙婷婷 柴庶桐 趙國(guó)榮

摘 要： 西北農(nóng)村地區(qū)集雨水窖污染物數(shù)量多、種類繁雜，窖水水質(zhì)不能滿足居民安全飲水標(biāo)準(zhǔn)。利用一種新型節(jié)能、高效的凈水處理工藝（重力流超濾技術(shù)）是改善窖水水質(zhì)的重要手段。在描述西北地區(qū)集雨水窖特征的基礎(chǔ)上，著重分析了膜材質(zhì)、膜組件、進(jìn)水水質(zhì)和膜清洗方式等因素對(duì)影響膜出水量、膜污染或膜堵塞的運(yùn)行效果和機(jī)理。深入探討和分析了重力流超濾技術(shù)在西北農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用和推廣方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，提出重力流超濾技術(shù)適用于我國(guó)西北農(nóng)村缺水地區(qū)發(fā)展，以期為提高和改善窖水水質(zhì)及居民安全飲水提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水窖；重力流超濾技術(shù)；膜出水量；膜污染；西北地區(qū)

中圖分類號(hào)：S274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1795（2023）11-0054-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.11.009

0 引言

《中華人民共和國(guó)鄉(xiāng)村振興促進(jìn)法》的頒布，對(duì)全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興、實(shí)現(xiàn)小康社會(huì)具有里程碑意義。解決農(nóng)村安全飲水是提高農(nóng)村居民生活的基本保障，需加強(qiáng)農(nóng)村飲水安全、保護(hù)飲用水水源和建立符合地區(qū)實(shí)際的農(nóng)村飲水管理體系。水窖作為西北農(nóng)村缺水地區(qū)主要的微型水利工程，因其水源廣泛，難以保障水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)（濁度、色度、有機(jī)物和微生物等指標(biāo)）。因此，采用適配的凈水技術(shù)對(duì)于保障農(nóng)村地區(qū)的飲水安全具有重要的意義。

凈水技術(shù)、工藝逐漸完善，迫切要求其朝著低成本、高效率、低耗能和低維護(hù)的方向發(fā)展。在某些環(huán)節(jié)上，重力流超濾技術(shù)因消耗能源較低、運(yùn)行維護(hù)成本較低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠充分保障農(nóng)村安全飲水需求，已在部分農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用和推廣[1]。

1 水窖

西北地區(qū)作為我國(guó)主要的干旱地區(qū)之一，常年日照時(shí)長(zhǎng)，降雨時(shí)空分布不均勻，蒸發(fā)量大，地表水資源嚴(yán)重匱乏，地下水資源量少，資源型和水質(zhì)型缺水較嚴(yán)重[1]。因此，集雨水窖成為西北地區(qū)應(yīng)用最為廣泛的主要微型水利工程。

水窖主要有混凝土水窖和紅泥水窖兩種形式，其通常修筑于地下5 m 左右，并通過(guò)道路、地面和房屋集流面等來(lái)集蓄雨水，調(diào)配利用氣候和季節(jié)性水源，能有效保障西北缺水地區(qū)飲水安全問(wèn)題[2]。但對(duì)于水質(zhì)型缺水地區(qū)，存在有機(jī)物和微生物污染嚴(yán)重，pH 值超標(biāo)、感官指標(biāo)異常或者高礦水某些離子超標(biāo)等問(wèn)題，使飲用水水質(zhì)不能達(dá)到居民安全飲水標(biāo)準(zhǔn)（ GB5749—2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)》），需做進(jìn)一步凈化處理方可飲用。

2 重力流超濾技術(shù)

為有效解決和改善窖水水質(zhì)問(wèn)題，許多研究人員開(kāi)展了窖水水處理技術(shù)應(yīng)用研究。目前，凈化改善窖水水質(zhì)的方法包括混凝沉淀、生物慢濾、超濾技術(shù)及重力流超濾技術(shù)等。其中，重力流超濾技術(shù)（GravitydrivenMembrane，GDM）應(yīng)用是指利用水的自重壓差作為動(dòng)力改善原水水質(zhì)的一種超濾技術(shù)。它是通過(guò)水所產(chǎn)生的自重作為動(dòng)力進(jìn)行跨膜運(yùn)行，無(wú)須借助外部動(dòng)力即可長(zhǎng)期運(yùn)行[3]。通過(guò)GDM 的膜分離，原水中的污染顆粒物大多被截留于膜表面，而水體中微生物通過(guò)其生化反應(yīng)保持恒定的出水量，使得膜在無(wú)清洗的條件下保持長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)[4]。膜技術(shù)在飲水安全、凈化效果方面具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，并且具有高效率、節(jié)約能源、操作工藝簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，在改善西北農(nóng)村地區(qū)水窖水質(zhì)方面高度契合[5]。然而，無(wú)論是膜材質(zhì)、膜組件、原水水質(zhì)還是清洗方式，均對(duì)GDM 的膜出水量和膜污染或膜堵塞產(chǎn)生較大的影響，從而影響其運(yùn)行效果和運(yùn)營(yíng)成本。

2.1 膜

中空纖維膜是一種性能優(yōu)異、穩(wěn)定性較高的熱塑性高分子材料，在水處理技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是重力流超濾、反滲透和超濾等方面，是近年GDM開(kāi)發(fā)應(yīng)用的主要膜材料之一。然而，由于中空纖維膜的強(qiáng)疏水特性，使得原水中的微生物、顆粒、膠狀物及大顆粒有機(jī)物等通過(guò)吸附作用致使膜阻力迅速增加和膜出水量迅速下降，造成嚴(yán)重的膜污染或膜堵塞。如蛋白質(zhì)易依附于膜表面，降低膜出水量。對(duì)中空纖維膜表面進(jìn)行改性是提高膜出水量和降低膜消耗的重要手段[6]。

中空纖維膜的改性方法包含表面和基內(nèi)改性兩種。基內(nèi)改性是通過(guò)直接或間接的方法改變膜的基本結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，如將中空纖維材料按一定比例混合，得到孔徑分布均勻、孔徑小且親水性較強(qiáng)的中空纖維膜。即通過(guò)與親水性較好的聚合物混合改變中空纖維膜的性質(zhì)，有效地調(diào)節(jié)膜的親疏水性、膜結(jié)構(gòu)和膜的孔徑分布等[7-8]。

不同材質(zhì)的膜對(duì)同一種物質(zhì)膜出水量的影響具有明顯的差異性，而同種材質(zhì)的膜重力流超濾不同物質(zhì)，其利用效率也具有顯著差異[2]。如利用聚砜膜對(duì)蛋白質(zhì)、鞣質(zhì)和果膠進(jìn)行超濾時(shí)，前兩者的膜出水量比果膠利用率高[9]。不僅如此，膜孔徑的大小也是決定膜出水量的一個(gè)關(guān)鍵因素。膜孔徑越寬，膜出水量越大；但膜污染的速率也隨之加快[10-11]。

2.2 膜組件

膜組件是GDM 凈水工藝的重要組成部分，膜的特性是影響膜污染的一個(gè)重要參數(shù)，因此合理規(guī)劃設(shè)計(jì)其特性在實(shí)際應(yīng)用中起到不可忽視的效果。由于膜組件設(shè)計(jì)參數(shù)（孔徑、裝填密度、長(zhǎng)度）影響GDM 凈水工藝性能及膜污染程度[12]。如裝填密度的大小決定膜絲之間的距離，較小的膜絲間距（較大的裝填密度）易引起膜污染，從而降低膜出水量。因此，膜組件的裝填密度對(duì)提高膜出水量、延緩膜污染具有重要意義。

裝填密度的大小通過(guò)改變膜絲的有效長(zhǎng)度來(lái)影響膜出水量效率。鄭雨[5] 通過(guò)分析膜組件中不同長(zhǎng)度的膜絲，得出膜絲越長(zhǎng)，膜組件的穩(wěn)定出水量越小。需將膜絲長(zhǎng)度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，避免對(duì)膜產(chǎn)生二次污染[13]。

2.3 原水水質(zhì)

GDM 凈水效率、膜污染或膜堵塞程度均與原水水質(zhì)和污染物種類相聯(lián)系。許多研究人員研究結(jié)果表明，引起超濾膜污染和堵塞的污染物主要是天然有機(jī)物（NOM）和顆粒物。TANG X 等[13] 研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)機(jī)顆粒濃度含量較高的原水，對(duì)膜污染的影響很小。SUN W等[6] 研究表明，天然多糖類的某些有機(jī)物能夠降低膜出水量。YAN M 等[7] 研究發(fā)現(xiàn)，天然有機(jī)物和無(wú)機(jī)顆粒相互混合過(guò)濾的過(guò)程中，總的膜出水量衰減率大于兩者相互獨(dú)立的衰減率之和。因此，污染物的種類及其組合，都會(huì)造成不同程度膜污染或膜堵塞，其污染機(jī)理也存在較大差異。

集雨水窖中引起膜污染的主要污染物有3 種。①無(wú)機(jī)顆粒。無(wú)機(jī)顆粒（如土質(zhì)）易依附于膜表面形成多孔狀的濾餅層，對(duì)膜的影響程度較低，具有較強(qiáng)的恢復(fù)性[14-15]。②天然有機(jī)物。天然有機(jī)物能同時(shí)引起膜孔徑堵塞、表面沉積及膜內(nèi)吸附等作用，是膜出水量衰減和膜污染速率加快的主要原因[16-17]。③天然有機(jī)物+無(wú)機(jī)顆粒。天然有機(jī)物可以減少無(wú)機(jī)顆粒的形成，同時(shí)可以加強(qiáng)其顆粒凝聚程度，增強(qiáng)濾餅層的密集程度，導(dǎo)致天然有機(jī)物和無(wú)機(jī)顆粒間進(jìn)行頻繁的交互作用。

原水的pH 值對(duì)超濾效果具有顯著影響。ZHANG Y等[8] 研究發(fā)現(xiàn)，在原水中天然有機(jī)物含量較低、酸性條件的情況下，超濾膜的運(yùn)行效果更好，而中型條件下更適用于集雨窖水。

2.4 清洗方式

在GDM 凈水工藝運(yùn)行的過(guò)程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生膜污染。針對(duì)膜污染，可利用膜清洗方式改善膜出水量利用效率。目前，膜清洗方式主要有表面清洗、反沖洗和化學(xué)沖洗3 種方法。劉雷等[9] 研究得出，表面清洗僅適用于窖水水質(zhì)較好的GDM 凈水工藝；與表面清洗相比，反沖洗對(duì)膜出水量影響效果更為明顯，但反沖洗后無(wú)法使膜出水量恢復(fù)至原有水平?；瘜W(xué)清洗后膜出水量可恢復(fù)率高達(dá)91%[18]。但在我國(guó)西北農(nóng)村地區(qū)，表面清洗和手動(dòng)反沖洗可使膜出水量恢復(fù)80%，其操作簡(jiǎn)便并且具有較高的適用性。郭強(qiáng)等[10] 對(duì)高礦化度礦井水進(jìn)行膜污染處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，物理清洗不能有效去除鈣鎂晶體的沉淀物，需進(jìn)行化學(xué)沖洗，減少膜出水量的下降率。

3 應(yīng)用前景

3.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

解決膜污染或膜堵塞是GDM 凈水處理工藝在西北農(nóng)村地區(qū)水窖中應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵因素。然而，選用適配的膜材質(zhì)、孔徑大小及膜組件，以及優(yōu)化GDM 的操作條件等改善窖水水質(zhì)措施，可有效控制和改善膜污染的形成[19]。王子捷等[11] 研究得出，nm-Si 體系中Si 去除率均低于μm-Si 體系，在納米顆粒物體系中投加混凝劑后膜出水量從0.79 提升至0.80～0.84。

鄭雨[5] 研究發(fā)現(xiàn)，膜材料影響GDM 對(duì)濁度的去除效果，如PS 材質(zhì)濁度去除率94%、PVDF 材質(zhì)95% 左右、PES 材質(zhì)96%， 平板膜組件（ 單層PES 材質(zhì)、雙層PES 材質(zhì)、單層PVDF 材質(zhì)和雙層PVDF 材質(zhì)）對(duì)濁度去除率達(dá)97% 以上。研究表明，GDM 系統(tǒng)能有效地改善地表水中鐵、錳污染物的含量[12-13]。GDM 對(duì)AOC 的去除率高達(dá)80%，并且與慢濾池或生物濾床聯(lián)用時(shí)，可進(jìn)一步提高AOC 的去除率，保障出水的生物穩(wěn)定性[20-21]。慢濾池和生物預(yù)處理能有效地去除水中的AOC，降低生物膜污染和堵塞的形成及其內(nèi)的生物作用，提高GDM 的膜出水量[22]。

3.2 經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)

GDM 應(yīng)用理論上需消耗大量能源，充足資金、高新的運(yùn)營(yíng)技術(shù)及復(fù)雜的維護(hù)程序。尤其是經(jīng)濟(jì)成本，是制約其在西北農(nóng)村地區(qū)水窖中應(yīng)用和發(fā)展的主要因素。因此，解決經(jīng)濟(jì)困難尤為重要[23-24]。而GDM 是利用水的自重產(chǎn)生壓差，將原水依次通過(guò)孔徑、膜絲、膜組件等設(shè)備實(shí)現(xiàn)水質(zhì)優(yōu)化的凈水技術(shù)。李洪興[1] 研究得出，在10～15 kPa 的靜水壓力下，PES 超濾膜對(duì)窖水的膜出水量長(zhǎng)期穩(wěn)定在7～12 L/（h·m2）；農(nóng)戶所需承擔(dān)的超濾膜材料費(fèi)（包含膜組件費(fèi)用、設(shè)備安裝費(fèi)等其他費(fèi)用）最多150 元/年。考慮在西北偏遠(yuǎn)地區(qū)的情況，在經(jīng)濟(jì)層面上GDM 推廣和應(yīng)用是具有可行性的。GDM 在西北農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用，是有效提高窖水水質(zhì)、降低成本、減少能源消耗，保障農(nóng)村飲用水水質(zhì)安全的重要手段。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)GDM 進(jìn)行多方面分析，從技術(shù)或經(jīng)濟(jì)層面來(lái)看，選用配適的膜材質(zhì)、孔徑大小及膜組件（成本≤0.5元/d），能有效改善和提高GDM 的膜出水量。從膜污染或膜堵塞層面來(lái)看，基于GDM 在水處理領(lǐng)域具有低耗能、高效率等優(yōu)點(diǎn)，但在改善窖水水質(zhì)的情況下會(huì)不同程度產(chǎn)生膜污染或膜堵塞，需要根據(jù)實(shí)際窖水選擇合理的膜材質(zhì)、孔徑大小及膜組件、優(yōu)化操作系統(tǒng)參數(shù)及對(duì)窖水的預(yù)處理等手段，降低和預(yù)防膜污染的程度。隨著對(duì)GDM 的不斷探索與研究，膜的價(jià)格進(jìn)行了不斷改良，GDM 以其高效的水質(zhì)凈化能力，低廉的運(yùn)行成本和簡(jiǎn)易的操作程序，將在西北缺水地區(qū)得到廣泛應(yīng)用和推廣。

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