靳少培,侯鈺闊,李 露,潘春佑,安子韓

(1.天津市水文水資源勘測管理中心,天津 300061;2.自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所,天津 300192)

1 前言

水處理技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步在應(yīng)對各種涉水健康風(fēng)險中具有舉足輕重的作用,如化學(xué)消毒技術(shù)控制致病菌風(fēng)險、臭氧生物活性炭技術(shù)控制長期化學(xué)風(fēng)險,以及膜分離技術(shù)控制特定致病微生物(如兩蟲)風(fēng)險等。

水處理的基本方法是通過一系列的物理、化學(xué)和生物過程將水中目標(biāo)污染物轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化。在傳統(tǒng)的給水處理技術(shù)中,通常這3種方法都會采用。如地表水水源取水設(shè)施中圍油欄、攔藻網(wǎng)、格柵與格網(wǎng)就是通過吸附、攔截的方法將水中目標(biāo)污染物(水草、樹葉、編織物、浮油和水藻)從水中轉(zhuǎn)移。水廠水處理過程中的混凝、沉淀(澄清)與快速顆粒過濾,則是采用轉(zhuǎn)化后再進(jìn)行轉(zhuǎn)移的方法,即先將水中膠體(包括附著在膠體上的致病微生物)脫穩(wěn)和凝聚,使其易于沉淀或在過濾介質(zhì)顆粒表面附著,然后通過沉淀(澄清)與過濾予以去除[1-2]。

濾料過濾的過程是攔截—洗脫循環(huán)進(jìn)行的過程,含懸浮物和膠體的給水通過顆粒介質(zhì)止組成的濾層,濾層具有篩分功能,在遷移—黏附—截留的激勵作用下,在濾層中孔隙逐漸變小,除去懸浮物和膠體;同時濾層具有接觸吸附功能,還能部分去除給水中的有機(jī)物、細(xì)菌以及鐵、鋁、錳等重金屬離子。膜分離作為現(xiàn)代水處理的新型技術(shù),是通過半透膜對水溶液中不同組分進(jìn)行選擇性透過(分離)來實現(xiàn)對水的凈化。因此,從水處理的基本方法角度看,膜分離就是采用純粹轉(zhuǎn)移的方法來實現(xiàn)對水的凈化,即通過選擇合適的膜分離過程去除水中特定的目標(biāo)污染物。

文章從能耗、占地、控制等方面對比分析了V型濾池與膜過濾應(yīng)用特點。

2 V濾過程技術(shù)特點

傳統(tǒng)給水處理中主要采用V型濾池去給水中的懸浮物等雜質(zhì),V型濾池目前在我國普遍應(yīng)用,適用于大、中型水廠。V型濾池提升了過濾及反沖洗的自動化控制,另外由于采用了不使濾層膨脹的氣、水同時反沖洗兼表面掃洗,明顯提升了濾池的反沖洗效果,改善V型濾池過濾能力的再生狀況,從而增大濾池的截污能力,降低了濾池的反沖洗頻率。V型濾池的主要特點如下:

(1)恒水位等速過濾。濾池出水閥隨水位變化不斷調(diào)節(jié)開啟度,池內(nèi)水位在整個過濾周期內(nèi)保持不變,濾池不出現(xiàn)負(fù)壓,不產(chǎn)生氣阻,整個池面始終處于均衡工作狀態(tài),運行穩(wěn)定。

(2)采用均粒石英砂濾料,濾層厚度比普通濾池厚,故截污量大、濾速高、產(chǎn)水水質(zhì)好、過濾周期長。

(3)V型進(jìn)水槽和排水槽沿池長方向布置,單池面積大時有利于布水均勻,其單池面積為普通快濾池的3倍～5倍,適用于大中型水廠,可節(jié)省閥門和儀表,降低工程造價,便于維護(hù)管理。

(4)采用氣、水同時反沖洗兼表面掃洗,提高了沖洗效果并達(dá)到節(jié)水、節(jié)電、減排的目的。

(5)自動化控制程度高,能夠長期穩(wěn)定運行,可實現(xiàn)無人值守,只需人員常規(guī)巡查,大幅度節(jié)省運行管理費用。

相對于V型濾池出水水質(zhì)依賴于運行人員應(yīng)對原水水質(zhì)變化的經(jīng)驗,以及控制顆粒過濾之前的混凝沉淀(澄清)工藝穩(wěn)定運行的能力。膜過濾由于能有界限地篩分顆粒物,可使有明確尺寸的目標(biāo)顆粒物(包括特定的致病微生物)完全去除(膜未破損時),出水水質(zhì)不受進(jìn)水水質(zhì)條件影響,運行過程受人為因素影響少,自動操作運行程度高。因此,20世紀(jì)80年代在美國、法國等歐美國家的小型公共供水系統(tǒng)中開始應(yīng)用。但由于設(shè)備價格較高,較長一段時間內(nèi)市場應(yīng)用規(guī)模相對較小。21世紀(jì)以來,隨著技術(shù)進(jìn)步、大量成熟產(chǎn)品進(jìn)入市場和膜產(chǎn)品成本的顯著下降,在任何規(guī)模的地表水處理中,膜過濾技術(shù)已被認(rèn)為是能與傳統(tǒng)的顆粒過濾進(jìn)行競爭的技術(shù)。

3 膜過程技術(shù)特點

超濾過濾原理是一種膜分離過程原理,是利用壓力活性膜,在外界推動力(壓力)作用下截留水中膠體、顆粒和分子量相對較高的物質(zhì),而水和小的溶質(zhì)顆粒透過膜的分離過程。超濾主要用于去除水中的顆粒、膠體、大部分有機(jī)物等,一般超濾的出水濁度小于0.1 NTU,SDI15小于3,超濾還可有效去除病毒。

一般認(rèn)為超濾過程中溶質(zhì)的截留有3種方式,一是在膜表面的機(jī)械截留(篩分),二是在膜孔中停留而被除去(阻塞),三是在膜表面及膜孔內(nèi)的吸附。因此,超濾的主要分離機(jī)理為篩分機(jī)理,但是超濾膜表面的化學(xué)性質(zhì)也是影響分離效果的重要因素。超濾工藝特點為:

(1)過濾精度高。中空纖維膜的截留孔徑為0.2 μm～0.03 μm,可去除水中大部分的懸浮顆粒雜質(zhì),細(xì)菌總數(shù)的去除率可達(dá)到99.99%,大腸菌群去除率可達(dá)到100%。

(2)填裝密度大。在單位體積膜元件中,中空纖維膜的有效膜面積最大,過濾分離效率最高,大大減少膜過濾設(shè)備的占地面積,節(jié)約土建工程的費用,降低運行成本。

(3)易清洗。由于中空纖維膜的結(jié)構(gòu)為單皮層,且PVDF過濾膜有良好的耐污染性能,因此,中空纖維膜可以進(jìn)行反沖洗及化學(xué)清洗。

(4)可維修。中空纖維膜元件是由幾千根或上萬根中空纖維絲組裝而成,一旦有個別纖維絲損壞,可以通過壓力測試等方法檢測出來,并對膜元件進(jìn)行修復(fù),經(jīng)過修復(fù)的膜元件可以繼續(xù)使用,而不影響分離效果。

(5)化學(xué)穩(wěn)定性好。由于PVDF有著良好的化學(xué)穩(wěn)定性,有耐受較強酸、堿的能力,因此,在必要時可對過濾膜進(jìn)行大強度的化學(xué)清洗。

4 膜過程與V濾過程對比分析(表1)

表1 膜分離系統(tǒng)與V濾系統(tǒng)對比分析

從工程建設(shè)投資看,膜過程單位產(chǎn)水量投資約為V濾系統(tǒng)的2倍～3倍,但單位面積產(chǎn)水量卻是V型濾池的3倍～5倍,隨著用地成本的越來越高,用地成本上的優(yōu)勢完全可以抵消造價上的劣勢。V濾產(chǎn)水若想達(dá)到更高的要求,仍需串聯(lián)其他深度處理工藝,V濾與其他深度處理的串聯(lián),總水回收率與膜濾相當(dāng)。

從工程運行成本看,與V型濾池相比,增加的單位水量過水能耗也非常有限。主要增加的成本是膜元件的定期更換和日常有限的化學(xué)清洗藥劑的消耗。此外,當(dāng)原水來水水質(zhì)發(fā)生變化時,為保持濾池進(jìn)水水質(zhì)的穩(wěn)定,濾池之前的混凝沉淀(澄清)系統(tǒng)的日常藥劑消耗會明顯高于膜過濾之前的混凝沉淀(澄清)處理,許多運行經(jīng)驗表明,冬季低溫時混凝劑的消耗通常是夏季的2倍～3倍[4],膜過濾則不需要,甚至在前序混凝沉淀(澄清)進(jìn)行超負(fù)荷運行而出水水質(zhì)下降時,仍不會對膜過濾出水水質(zhì)帶來影響。綜合考慮預(yù)處理費用,在運行費用上,兩者相當(dāng)。在增產(chǎn)擴(kuò)容方面,膜過程為撬塊化拼裝設(shè)計,占地面積小,相對而言,更易于增產(chǎn)擴(kuò)容。從運行控制難度看,膜過濾出水水質(zhì)因不受進(jìn)水水質(zhì)變化的影響,需要人為干預(yù)的因素少。V型濾池則需要根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)變化,對過濾之前混凝沉淀(澄清)和自身運行進(jìn)行人為干預(yù),如調(diào)整混凝劑投加比例、更換混凝劑、增加助凝助濾措施、調(diào)整濾池過濾周期等。因此,在相同自動化程度條件下,膜過濾自動化運行程度更高,更方便管理。

5 結(jié)語

隨著社會進(jìn)步的同時,水環(huán)境卻日益惡化,水資源日益短缺,嚴(yán)重威脅著人類的生存與發(fā)展,在這種背景下,膜技術(shù)是一種新型的分離技術(shù),是水處理中非常重要的技術(shù)之一,應(yīng)該不斷創(chuàng)新膜技術(shù)的開發(fā)與利用,提高膜技術(shù)在水處理中的應(yīng)用水平,以便更好地為我國現(xiàn)代化社會建設(shè)服務(wù)。