王馨梅 賈生海 趙婷婷 柴庶桐 趙國榮

摘 要： 西北農村地區(qū)集雨水窖污染物數量多、種類繁雜，窖水水質不能滿足居民安全飲水標準。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）是改善窖水水質的重要手段。在描述西北地區(qū)集雨水窖特征的基礎上，著重分析了膜材質、膜組件、進水水質和膜清洗方式等因素對影響膜出水量、膜污染或膜堵塞的運行效果和機理。深入探討和分析了重力流超濾技術在西北農村地區(qū)應用和推廣方面的技術優(yōu)勢和經濟優(yōu)勢，提出重力流超濾技術適用于我國西北農村缺水地區(qū)發(fā)展，以期為提高和改善窖水水質及居民安全飲水提供參考依據。

關鍵詞：水窖；重力流超濾技術；膜出水量；膜污染；西北地區(qū)

中圖分類號：S274文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）11-0054-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.11.009

0 引言

《中華人民共和國鄉(xiāng)村振興促進法》的頒布，對全面推進鄉(xiāng)村振興、實現小康社會具有里程碑意義。解決農村安全飲水是提高農村居民生活的基本保障，需加強農村飲水安全、保護飲用水水源和建立符合地區(qū)實際的農村飲水管理體系。水窖作為西北農村缺水地區(qū)主要的微型水利工程，因其水源廣泛，難以保障水質是否達標（濁度、色度、有機物和微生物等指標）。因此，采用適配的凈水技術對于保障農村地區(qū)的飲水安全具有重要的意義。

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

1 水窖

西北地區(qū)作為我國主要的干旱地區(qū)之一，常年日照時長，降雨時空分布不均勻，蒸發(fā)量大，地表水資源嚴重匱乏，地下水資源量少，資源型和水質型缺水較嚴重[1]。因此，集雨水窖成為西北地區(qū)應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，并通過道路、地面和房屋集流面等來集蓄雨水，調配利用氣候和季節(jié)性水源，能有效保障西北缺水地區(qū)飲水安全問題[2]。但對于水質型缺水地區(qū)，存在有機物和微生物污染嚴重，pH 值超標、感官指標異?；蛘吒叩V水某些離子超標等問題，使飲用水水質不能達到居民安全飲水標準（ GB5749—2006《生活飲用水標準》），需做進一步凈化處理方可飲用。

2 重力流超濾技術

為有效解決和改善窖水水質問題，許多研究人員開展了窖水水處理技術應用研究。目前，凈化改善窖水水質的方法包括混凝沉淀、生物慢濾、超濾技術及重力流超濾技術等。其中，重力流超濾技術（GravitydrivenMembrane，GDM）應用是指利用水的自重壓差作為動力改善原水水質的一種超濾技術。它是通過水所產生的自重作為動力進行跨膜運行，無須借助外部動力即可長期運行[3]。通過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其生化反應保持恒定的出水量，使得膜在無清洗的條件下保持長期穩(wěn)定運行的狀態(tài)[4]。膜技術在飲水安全、凈化效果方面具有相對優(yōu)勢，并且具有高效率、節(jié)約能源、操作工藝簡便等優(yōu)勢，在改善西北農村地區(qū)水窖水質方面高度契合[5]。然而，無論是膜材質、膜組件、原水水質還是清洗方式，均對GDM 的膜出水量和膜污染或膜堵塞產生較大的影響，從而影響其運行效果和運營成本。

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，在水處理技術領域得到廣泛應用，特別是重力流超濾、反滲透和超濾等方面，是近年GDM開發(fā)應用的主要膜材料之一。然而，由于中空纖維膜的強疏水特性，使得原水中的微生物、顆粒、膠狀物及大顆粒有機物等通過吸附作用致使膜阻力迅速增加和膜出水量迅速下降，造成嚴重的膜污染或膜堵塞。如蛋白質易依附于膜表面，降低膜出水量。對中空纖維膜表面進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改性兩種?；鶅雀男允峭ㄟ^直接或間接的方法改變膜的基本結構和性質，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的中空纖維膜。即通過與親水性較好的聚合物混合改變中空纖維膜的性質，有效地調節(jié)膜的親疏水性、膜結構和膜的孔徑分布等[7-8]。

不同材質的膜對同一種物質膜出水量的影響具有明顯的差異性，而同種材質的膜重力流超濾不同物質，其利用效率也具有顯著差異[2]。如利用聚砜膜對蛋白質、鞣質和果膠進行超濾時，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關鍵因素。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重要參數，因此合理規(guī)劃設計其特性在實際應用中起到不可忽視的效果。由于膜組件設計參數（孔徑、裝填密度、長度）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改變膜絲的有效長度來影響膜出水量效率。鄭雨[5] 通過分析膜組件中不同長度的膜絲，得出膜絲越長，膜組件的穩(wěn)定出水量越小。需將膜絲長度控制在適當的范圍內，避免對膜產生二次污染[13]。

2.3 原水水質

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

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

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

2.4 清洗方式

在GDM 凈水工藝運行的過程中，不可避免會產生膜污染。針對膜污染，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較好的GDM 凈水工藝；與表面清洗相比，反沖洗對膜出水量影響效果更為明顯，但反沖洗后無法使膜出水量恢復至原有水平。化學清洗后膜出水量可恢復率高達91%[18]。但在我國西北農村地區(qū)，表面清洗和手動反沖洗可使膜出水量恢復80%，其操作簡便并且具有較高的適用性。郭強等[10] 對高礦化度礦井水進行膜污染處理時發(fā)現，物理清洗不能有效去除鈣鎂晶體的沉淀物，需進行化學沖洗，減少膜出水量的下降率。

3 應用前景

3.1 技術優(yōu)勢

解決膜污染或膜堵塞是GDM 凈水處理工藝在西北農村地區(qū)水窖中應用和推廣的關鍵因素。然而，選用適配的膜材質、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，膜材料影響GDM 對濁度的去除效果，如PS 材質濁度去除率94%、PVDF 材質95% 左右、PES 材質96%， 平板膜組件（ 單層PES 材質、雙層PES 材質、單層PVDF 材質和雙層PVDF 材質）對濁度去除率達97% 以上。研究表明，GDM 系統能有效地改善地表水中鐵、錳污染物的含量[12-13]。GDM 對AOC 的去除率高達80%，并且與慢濾池或生物濾床聯用時，可進一步提高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的生物作用，提高GDM 的膜出水量[22]。

3.2 經濟優(yōu)勢

GDM 應用理論上需消耗大量能源，充足資金、高新的運營技術及復雜的維護程序。尤其是經濟成本，是制約其在西北農村地區(qū)水窖中應用和發(fā)展的主要因素。因此，解決經濟困難尤為重要[23-24]。而GDM 是利用水的自重產生壓差，將原水依次通過孔徑、膜絲、膜組件等設備實現水質優(yōu)化的凈水技術。李洪興[1] 研究得出，在10～15 kPa 的靜水壓力下，PES 超濾膜對窖水的膜出水量長期穩(wěn)定在7～12 L/（h·m2）；農戶所需承擔的超濾膜材料費（包含膜組件費用、設備安裝費等其他費用）最多150 元/年?？紤]在西北偏遠地區(qū)的情況，在經濟層面上GDM 推廣和應用是具有可行性的。GDM 在西北農村地區(qū)的應用，是有效提高窖水水質、降低成本、減少能源消耗，保障農村飲用水水質安全的重要手段。

4 結束語

對GDM 進行多方面分析，從技術或經濟層面來看，選用配適的膜材質、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看，基于GDM 在水處理領域具有低耗能、高效率等優(yōu)點，但在改善窖水水質的情況下會不同程度產生膜污染或膜堵塞，需要根據實際窖水選擇合理的膜材質、孔徑大小及膜組件、優(yōu)化操作系統參數及對窖水的預處理等手段，降低和預防膜污染的程度。隨著對GDM 的不斷探索與研究，膜的價格進行了不斷改良，GDM 以其高效的水質凈化能力，低廉的運行成本和簡易的操作程序，將在西北缺水地區(qū)得到廣泛應用和推廣。

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