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浸入式超濾膜技術(shù)在凈水處理應用中的前景

2010.12.07

浸入式超濾膜技術(shù)在凈水處理應用中的前景

何壽平張國宇陳杰孫麗華

        1. 超濾膜技術(shù)在凈水處理中的應用現(xiàn)狀及存在問題
      由于水源污染的復雜化使實際水源水質(zhì)與水質(zhì)需求之間的矛盾日趨突出，從而對水質(zhì)凈化處理及其技術(shù)支持提出了更高、更新的迫切需求。膜法處理飲用水技術(shù)的進步，為解決這一需求提供了一個可資選擇的先進處理手段。國內(nèi)外多位專家指出膜法處理是水處理技術(shù)應用發(fā)展的一個趨勢，甚至提出“膜法將取代傳統(tǒng)的水處理工藝”。
        超濾膜的功用是通過孔徑截留機理去除水體中的懸浮物質(zhì)、膠體等顆粒物。超濾的孔徑范圍為0.01 – 0.05µm(通常為0.01µm)或者更小。
        許多超濾膜可以截流分子量相對較大的有機物，因此通常更多是用切割分子量(MWCO)而不是具體的孔徑來描述。超濾膜典型的截留分子量范圍為10,000 ～500,000道爾頓, 水處理中用到的膜通常為100,000 MWCO。
      1.1 應用現(xiàn)狀

國外應用日益增多，國內(nèi)已經(jīng)起步。膜的價格和運行在逐步下降，但建設、運行成本仍然是推廣應用的瓶頸。

        北美：超濾水廠數(shù)量已經(jīng)超過300座；
       歐洲：日處理能力過萬的超濾自來水廠已經(jīng)有數(shù)十座，主要分布在英國、法國、意大利、瑞士等；
       亞洲：新加坡Chesnut水廠、CCK水廠均采用浸入式超濾膜，產(chǎn)能分別為27.3萬m3/d和18.2萬m3/d；
     日本東京都水廠采用內(nèi)壓式超濾膜8萬m3/d；
        臺灣高雄拷潭水廠采用雙膜法，產(chǎn)能達到30萬m3/d；
      澳門大水塘水廠（6萬m3/d）采用浸入式超濾膜技術(shù)；

     上海同盛水務（ 2萬m3/d ）采用內(nèi)壓式超濾膜技術(shù)；
       天津楊柳青水廠（ 0.5萬m3/d ）采用內(nèi)壓式超濾膜技術(shù)。
        我國計劃建設或者正在建設的一批超濾膜水廠；
        杭州自來水公司（30萬m3/d）采用外壓式超濾膜技術(shù)；

      東營自來水公司（10萬m3/d）采用浸入式超濾膜技術(shù)；
       無錫自來水公司（15萬m3/d）采用外壓式超濾膜技術(shù)；
        南通自來水公司（2.5萬m3/d）采用浸入式超濾膜技術(shù)。該項目屬改造項目，采用經(jīng)過中試的短流程凈水工藝。原處理工藝為原水—絮凝—斜管沉淀池—虹吸濾池，改造方案將斜管沉淀池改為膜池，實現(xiàn)原水絮凝之后直接進行超濾膜過濾，同時實現(xiàn)沉淀、污泥濃縮、濃水回收等功能，超濾膜系統(tǒng)產(chǎn)水率在99%左右，虹吸濾池將改為應急處理設施。該項目將于今年內(nèi)實施，其意義在于實現(xiàn)了凈水工藝的“短流程”，為水廠改造提供了一條新思路。
        我國超濾膜在凈水處理的應用方面正在健康地起步，在較大規(guī)模水廠采用浸入式超濾膜技術(shù)方面，有著廣闊的應用前景。
        1.2 超濾膜技術(shù)在凈水處理應用中存在的問題
       超濾膜技術(shù)在凈水技術(shù)發(fā)展中還沒有得到大范圍的推廣，主要存在以下幾個問題：
      （1）膜的材質(zhì)、加工、制作有進一步改進的必要；
      （2）膜的價格、建設費用及運行成本仍然偏高；
     （3）對膜的運行機理有待深層次的理解和認識；

     （4）與傳統(tǒng)凈水工藝的匹配，加長了處理流程；
     （5）超濾膜抗污染能力不理想，與常規(guī)過濾工藝相比，反洗及化學清洗周期仍然顯得較短，有待進一步提高；
      （6）系統(tǒng)設計有待改進。
        2、膜性能及組件
        根據(jù)不同的分類方式，超濾膜可以分為內(nèi)壓膜、浸入式膜、中空纖維膜、管式膜、板式膜等等。在凈水處理領域中，最常用的是中空纖維膜。
        2.1 內(nèi)壓膜與浸入式膜的對比

        浸入式超濾膜優(yōu)良的抗污性能和方便清洗的特點，更有利于較大規(guī)模的水廠應用。
2.2 超濾膜發(fā)展趨勢
     （1）提高膜的親水性。親水性好，通量大，跨膜壓差相應也低。因此，研制出親水性能優(yōu)良且膜強度理想的超濾膜是超濾膜制備發(fā)展趨勢之一；
      （2）提高開孔率，減低跨膜壓差的是運行中降低能耗的有效手段。但由此帶來的將會降低膜本身的強度和使用壽命，所以有研究采用復合高強材料的方法，提高膜的強度和壽命；

（3）膜孔徑小，孔徑分布均勻。適度縮小膜的孔徑可以有效地防止膜的深層污染，這一理念得到了許多膜廠家和膜用戶的認可?？讖椒植季鶆蚴潜ＷC超濾水生物安全性指標的重要一環(huán)，這也已引起高度的重視。因此，研制出小孔徑且分布均勻的超濾膜是超濾膜制備發(fā)展的趨勢之一；

      （4）注意膜組件封膠、接口、膜絲的填充密度與泥餅下滑通道的關(guān)聯(lián)等關(guān)鍵細節(jié)的有效性是保證膜組件可靠性和使用壽命的重要一環(huán)；
    （5）優(yōu)化膜組件的水力結(jié)構(gòu)，減少不必要的水頭損失是超濾膜運行中提高運行效果，降低運行成本非常重要的一面；（6）膜單元(組件)設計、膜單元組合方式、膜過濾系統(tǒng)與水廠工藝的配合對生產(chǎn)運行效果產(chǎn)生重要影響，有必要深化研究，精心設計。
        3、浸入式超濾膜系統(tǒng)運行方式的研究
       從處理水量較大的凈水構(gòu)筑物來說，我們認為浸入式超濾膜系統(tǒng)更具優(yōu)勢。
        浸入式超濾膜系統(tǒng)的運行方式有很多不同形式，除了對單個膜單元運行工藝進行優(yōu)化外，還應當對整個膜系統(tǒng)運行模式進行研究。
        3.1 浸入式超濾膜對進水水質(zhì)的要求
目前國內(nèi)外已運行的浸入式超濾膜系統(tǒng)進水大都經(jīng)過砂濾，或經(jīng)過充分沉淀處理。較多的超濾膜供貨商要求進水濁度低于5NTU。這種常規(guī)做法認為，進膜水濁度越低，所含懸浮物越少，越有利于超濾運行。
        然而，某公司生產(chǎn)的PVC內(nèi)壓式超濾膜在上海的試驗，采用黃浦江原水直接過濾，持續(xù)三個月未化學清洗，超濾膜運行良好。我們也曾采用PVC內(nèi)壓式超濾膜在鎮(zhèn)江××水廠進行了長江原水未加混凝劑運行試驗，三個月沒有進行化學清洗，超濾膜運行正常，說明該超濾膜的抗污性能良好，甚至可以直接進原水運行。
        3.2 同一膜池內(nèi)分膜單元的運行
        鑒于以上的認識，我們在制定南通××水廠改造的方案中，決定進行在同一膜池內(nèi)分膜單元運行的試驗（開始試驗時進水采用沉后水）。
        同一膜池中的多個膜組件（采用浸入式超濾膜）被分為若干個膜單元，膜單元各自獨立運行，通過程序控制，實現(xiàn)某膜單元清洗（包括水洗和曝氣），其余膜單元正常運行。同時，清洗出的濃水由其他正在運行的膜單元加以回收，從而達到整個膜池的不間斷運行，提高了系統(tǒng)的產(chǎn)水率。該運行方式屬“多個超濾膜單元在同一跨膜壓差下的變通量運行”。它實現(xiàn)了同一膜池中不同膜單元產(chǎn)水的自動平衡，減緩了膜單元的污染，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
        實現(xiàn)分單元運行的前提條件，一是超濾膜在較高的濁度下能夠平穩(wěn)運行；二是膜清洗過程產(chǎn)生的濁度能夠通過重力作用下沉，得以排除。
        圖1和圖2為試驗規(guī)模為1000m3/d的浸入式超濾膜中試，膜池內(nèi)的浸沒式超濾膜被分為四個單元，實行分單元運行過程中膜池濁度變化情況。

圖1 一個反洗周期內(nèi)膜池濁度變化情況

                     圖2 一個曝氣周期內(nèi)膜池濁度變化情況

        由圖1可以看出由于超濾膜進水濁度僅為5NTU左右，隨著運行時間的推移，膜池內(nèi)濁度有所增加，運行一段時間后，膜池內(nèi)濁度基本穩(wěn)定，膜池內(nèi)濁度基本穩(wěn)定在25-65NTU之間。由圖2可知超濾膜曝氣時，超濾膜表面的污染物被剝落，膜池內(nèi)濁度相對較高，為50-70NTU，超濾膜曝氣結(jié)束后，膜池內(nèi)懸浮物開始沉淀，膜池內(nèi)濁度開始降低，超濾膜下一次曝氣之前，膜池內(nèi)濁度可以降低至25-40NTU，這說明分膜單元運行有利于膜池內(nèi)被截留的顆粒物下沉。從圖1中還可以看出，膜系統(tǒng)運行穩(wěn)定后單個膜單元反洗并不影響膜池內(nèi)濁度的分布，反洗產(chǎn)生的濃水被其它正在過濾的超濾膜回收，濃水中的懸浮物能夠較快地沉淀至膜池底部，并不影響膜的運行，說明分單元運行能夠?qū)崿F(xiàn)濃水的回收。
        實驗過程中，膜池24h排污一次，排污量為池容的30%，排出水的濁度變化情況如圖3所示：

圖3 膜池排出的污水濁度變化情況

        由圖3可以看出，膜池排污起始時所排出的污水濁度近2000NTU；排污1min后，膜池排污水濁度迅速降至50NTU左右，并趨于穩(wěn)定。說明膜池底部污泥得到一定程度的濃縮。
試驗裝置超濾膜底部與池底之間距離有限，污泥沉淀濃縮空間有限，如增大膜組件底部與池底之間的距離，可以延長污泥濃縮時間，提高濃縮效果。此運行方式可以不用單獨建設濃水回收裝置，節(jié)省投資。
        經(jīng)過近一年的試驗，驗證了這一運行方式的可行性，取得了良好的試驗效果。
C/}awQ yO6L0        4. 以浸入式超濾膜為核心的短流程凈水工藝研究
F#h)O2j%zm5u;Z*_0        4.1工藝的提出為了水廠改造的需要，而后又嘗試將膜組件置于絮凝池出口過渡區(qū)進行試驗。發(fā)現(xiàn)經(jīng)過絮凝的水直接過濾相反比采用沉淀后的水運行效果更好，化學清洗周期更長。這與早前同濟大學所做的試驗的結(jié)論有異曲同工之處。
$Z2Nv~do0J0        我們認為過濾后的水或已得到沉淀濁度很低的水，大的懸浮顆?；救コ?，通過超濾膜過濾，攔截的微小顆粒在膜表面形成的“泥餅”較為“密實”。而絮凝后的水凝絮體顆粒松散，即使附著在膜表面，其“泥餅”的透水性較好，清洗時也易于脫落，極細顆粒對膜的深層污染相對較輕，所以絮凝水直接進入膜過濾運行效果良好。
        試驗中還觀察到超濾膜過濾絮凝水反洗后膜表面比較清潔，沉后水膜過濾形成的濾餅層相對比較密實，清洗后有一定的殘留物附著在膜的表面。
P3?5oz l#v0        在此試驗的基礎上，提出了一種集絮凝、沉淀、超濾、濃水回收、污泥濃縮于一體的短流程凈水工藝。該工藝為原水經(jīng)過絮凝直接進入膜池，池內(nèi)設有多個膜單元的浸沒式超濾膜過濾系統(tǒng)。絮凝后的水進入膜池流速減緩，部分凝絮體在重力作用下下沉，進入污泥濃縮區(qū)的凝絮體經(jīng)過重力濃縮之后通過排泥系統(tǒng)排出。去除了部分凝絮體的水進入超濾膜進行過濾。
        運行中可根據(jù)超濾膜的污染程度，加入一定量的清洗劑，對超濾膜進行在線維護清洗，可以延長化學清洗的周期。
        為了保證系統(tǒng)的連續(xù)運行，該工藝中的超濾膜過濾系統(tǒng)由多個膜單元組成。以便進行分單元運行（過濾、曝氣、反洗和化學維護清洗），反洗產(chǎn)生的濃水由膜池內(nèi)其它正在過濾運行的膜單元加以回收，運行中產(chǎn)生的濃水的顆粒物在物理作用下，沉入底部污泥濃縮區(qū)，不需另外單獨設立濃水回收裝置，僅在池內(nèi)部就可完成以上處理程序。
         4.2 工藝的研究
        我們分別從曝氣時間間隔、曝氣歷時、曝氣強度、反洗周期、反洗方式、反洗強度、反沖洗歷時等方面優(yōu)化了工藝運行參數(shù)。結(jié)果表明浸入式PVC超濾膜直接處理長江水絮凝水有著良好的運行效果，以超濾為核心集多種凈水工序于一體的短流程水處理工藝更適合于老水廠技術(shù)改造；超濾膜采用分單元運行，可以在膜池內(nèi)實現(xiàn)濃水回收、污泥濃縮、污泥沉淀等多種功能并提高超濾系統(tǒng)的產(chǎn)水率。
5~H%z,S0z"N0        浸入式PVC超濾膜過濾出水濁度小于0.02NTU，大腸桿菌的去除率為100%；出水細菌總數(shù)僅有個別測出1～2CFU/mL，明顯優(yōu)于國家《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749-2006）的規(guī)定。
x&Po{%cy-C|hd0        該工藝超濾膜過濾系統(tǒng)必須設置獨立的化學清洗裝置，經(jīng)過長期運行，超濾膜采用離線恢復性化學清洗。
        離線恢復性化學清洗的好處在于提高了化學清洗藥劑的利用率，減少了對環(huán)境的污染，降低了膜池本身的防腐處理要求，化學清洗池亦可存放備用膜單元。缺點是，需要拆卸膜單元運送到轉(zhuǎn)移到化學清洗池內(nèi)清洗，如果超濾膜有著良好的運行性能，通過運行方式的優(yōu)化，延長離線恢復性化學清洗的周期，可以取得良好的綜合效益。
{"L w u%[ d9A0        該項中試成果邀請國內(nèi)知名專家進行了鑒定。專家們一致認為該項成果具有創(chuàng)新性，達到國際先進水平。該工藝節(jié)約用地，節(jié)省投資，為老水廠改造和新建水廠提供了一條新的技術(shù)路線，符合資源節(jié)約型產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向，有廣闊的應用前景。
g'qY'm$V BJ(X0根據(jù)試驗取得的成果及水廠的具體條件，制訂了水廠25000m3/d的改造方案，將水廠斜管沉淀池改造為集絮凝、沉淀、超濾膜過濾、超濾膜反洗、濃水回收、污泥濃縮為一體的多功能處理構(gòu)筑物。原有的虹吸濾池將考慮改造成為突發(fā)性原水水質(zhì)事故的應急處理構(gòu)筑物。
        該方案基于低跨膜壓差、低通量的理念，以充分利用水廠原有的工作水頭進行超濾膜運行，降低運行能耗和成本。當氣溫低于7℃時，由于水的粘度增大，仍需要依靠抽吸泵提高超濾膜的通量。
L$I*P3vY9I~)?0        4.3 超濾膜系統(tǒng)的預處理
OFrKK-QL0        盡管浸入式超濾膜對進水水質(zhì)要求比較寬松，以超濾膜技術(shù)為核心的短流程凈水工藝為水廠改造提供了一條新思路，但是超濾膜并不能去除小分子有機污染物和重金屬污染物，因此，當原水中含有上述污染物，必須進行合適的預處理，以去除上述有機污染物。
%@_`7m6u[9j0        去除水中的重金屬和有機污染物可以采用傳統(tǒng)的高級氧化、活性炭吸附、生物預處理等方法，也可以采用能夠去去除水中一定量的COD的滲濾澄清池技術(shù)進行預處理。也可以設想在滲濾澄清池上部的清水區(qū)安裝浸入式超濾膜過濾裝置，實現(xiàn)又一類型的短流程凈水工藝。
\*Z3f{W-DG0        采用粉末活性炭與超濾膜聯(lián)用，能夠去除水中一定量的有機污染物，但粉末活性炭的消耗較大，若將粉末活性炭與澄清池技術(shù)聯(lián)用，需要做更多的試驗研究，也許會取得更好的效果。
         4.4 關(guān)于低通量、低跨膜壓差運行的思考
低通量、低跨膜壓差運行能夠充分利用水廠剩余水頭，在不增加水頭的情況下進行水廠改造，對原有水廠的改造有利，但同樣帶來建設費用的高投入。不利于超濾膜技術(shù)的推廣應用。
`~ ?)Z+X3LqS D@0        我們認為在一定的跨膜壓差下運行提高通量，相反帶來良好地運行效果和經(jīng)濟實用性。
        通過經(jīng)濟技術(shù)分析，從靜態(tài)投資上來看，對于25000m3/d的水廠改造，與高通量的運行方式相比，如果僅僅利用原有剩余水頭，按照低跨膜壓差、低通量的方式運行，投資成本需要增加200萬元以上，但是年節(jié)約運行成本10.5萬元左右，如果超濾膜的使用壽命為5年，顯然適當提高跨膜壓差，提高通量的運行方式將更加經(jīng)濟。
D.h9N3XY yI-B\zH0        從另一方面講，一般情況下水廠絮凝池與清水池之間的水位差約為3m左右，水溫超過10℃時，僅此工作水頭就能保持超濾膜的產(chǎn)水通量在30L/m2/h時就能保證水廠的原有產(chǎn)水能力。當水溫進一步降低時，水電粘度增大，必須啟動抽吸泵提高工作水頭，以保證水廠的產(chǎn)水能力。因此，低跨膜壓差、低通量運行時，盡管投資成本比較高，但是仍然擺脫不了抽吸泵的應用。
!T9~c9t:F0        我們在絮凝水過濾試驗中采用抽吸泵將跨膜壓差提高到一定程度，通量得到增加，發(fā)現(xiàn)其抗污能力卻有所增強。通量維持在50-60L/m2/h,不會出現(xiàn)隨著運行時間的延長而出現(xiàn)通量下降的情況，這是一個值得注意的現(xiàn)象。經(jīng)分析，認為低跨膜壓差、低通量時，濾過水透過泥餅的壓差較低，所以透過的水量將受到一定程度的限制?？缒翰钤龃?、通量提高時，透過泥餅的滲透壓較大，因此對保持通量有一定的作用，而且并沒有引起膜堆深層污染。
        因此，超濾膜是否應該在低跨膜壓差、低通量下運行，應根據(jù)水廠剩余水頭、當?shù)貧夂驐l件等因素進行經(jīng)濟技術(shù)分析，慎重選擇。
        我們的試驗僅限于采用PVC超濾膜，原水為長江下游水，投加聚合氯化鐵，對其他水源及不同超濾膜的的運行效果如何，還需進行更多更深入的試驗。
        5. 浸入式超濾膜在水廠改造中的應用前景
4F.Wal ?9? |0        5.1 水廠改造面臨的技術(shù)問題
如前所述，盡管諸多老水廠面臨著技術(shù)改造的問題，但是在改造過程中面臨著很多技術(shù)問題，這些問題大大限制了改造工藝選擇的余地。
       （1）過去的設計所采用的標準與新標準存在較大的差距，這無疑增加了改造難度。另一方面，GB5749-85僅僅規(guī)定了兩項微生物指標，而GB5749-2006規(guī)定了6項微生物指標，尤其規(guī)定了隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲，這對傳統(tǒng)處理工藝提出了難以達到的要求，如水源水質(zhì)有此隱患，水廠改造必須采用更新的工藝。
Jb!Q*?B0        （2）不可否認，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，水源水質(zhì)不斷惡化，而水廠設計時一般都沒有預料到水源水質(zhì)的惡化速度如此之快，這對水廠改造來說，無疑是雪上加霜。
        （3）水廠剩余可供利用土地受限。水廠設計時布置緊湊，幾乎沒有多余土地可供利用。
        （4）工藝流程的工作水頭已定（約頭為3m左右），如果改造方案流程增加勢必需要增加工作水頭，必需增設提升泵，這又要受到場地限制。
        5.2 水廠改造方案
*RBN2o;Mu4?0       浸入式超濾膜過濾技術(shù)，尤其是以浸入式超濾膜技術(shù)為核心的短流程凈水工藝，具有占地面積小、對進水水質(zhì)要求相對寬松、出水水質(zhì)穩(wěn)定優(yōu)良、可以充分利用水廠剩余土地和工作水頭，是水廠改造的可資選擇的方案之一。
|7YrfF7fs Dh0        對于平流沉淀池，可以充分利用平流沉淀池池體空間大的特點，在沉淀池后段安裝浸入式超濾膜，沉淀池前端仍可進行沉淀處理（或改造成原水水質(zhì)預處理設施），以去除尺寸特別大的顆粒物。
%_/i4a&dQ"R(Yg,uf0        關(guān)于澄清池的改造，可以設想在澄清池上部清水區(qū)安裝浸入式超濾膜，實現(xiàn)一個池體內(nèi)完成澄清、濃水回收、排泥等功能。由于澄清池大都為圓形，超濾膜的布置直接影響收水均勻性，因此，超濾膜的合理布置在澄清池改造中顯得尤為重要。
        6.浸入式超濾膜在大規(guī)模應用中需要亟待解決的問題
P&moL ?2Nu0盡管浸入式超濾膜已經(jīng)在許多水廠得到應用，但是大規(guī)模的應用還有值得研究的必要，還有一些問題亟待解決；
       （1）超濾膜成本的進一步降低，不可否認，超濾成本是限制超濾膜大規(guī)模應用的主要因素之一；
        （2）超濾膜抗污染能力的進一步提高，適當延長反沖洗周期，盡量延長化學清洗時間，以取得與傳統(tǒng)過濾工藝相抗衡的優(yōu)勢；
        （3）進一步研究超濾膜污染機理，研發(fā)出減輕超濾膜污染的藥劑；
        （4）研究超濾膜污染、跨膜壓差與超濾膜通量之間的關(guān)系，為超濾膜設計、運行提供理論依據(jù)；
        （5）進水顆粒物（包括粒徑、物化性質(zhì)等）與濾餅層、超濾膜污染之間的關(guān)系；
I],z|9c^Z rM9A0        （6）根據(jù)不同應用環(huán)境，設計出合理的超濾膜運行通量；
        （7）研究超濾膜清洗的機理和過程，找出更新、更為有效的清洗方式；
5@/C(j a-{+Y.\ `M0        （8）超濾膜系統(tǒng)的優(yōu)化及其與傳統(tǒng)工藝之間的匹配；
        （9）以超濾膜技術(shù)為核心的短流程凈水工藝示范工程應盡快實施，以取得更多實際運行的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。

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