不同膜组件在净水工程中运行效能对比研究

王旭阳，唐凯峰，张燕平，仝致琦

(1.天津市市政工程设计研究院，天津 300051;2.山东省冶金设计院股份有限公司，济南 250101;3.河南大学环境与规划学院，河南 开封 475004)

近年来的研究表明，以超滤为核心的组合制水工艺是保障饮用水化学安全和生物安全的有效技术，是能够体现节能环保的绿色净水技术［1］，2009年以来在国内大型市政给水工程中的应用越来越多.超滤组合工艺能否经受实践的考验发展成为城市供水领域的第三代净水工艺，关键在于超滤膜的质量能否满足要求.当前国内外市场上的超滤膜生产商很多，制作工艺和运行方式差别较大，在激烈的市场竞争中选择性价比高、能耗低的超滤组件成为该工艺得以推广的关键技术之一.

1 试验流程和装置

1.1 试验流程

试验场地位于苏南地区某自来水公司，除超滤外其余的工序均采用厂区现有的净水设施，超滤系统处理能力为250 m3/d.试验分为2个阶段，第1阶段工艺流程如图1所示.第2阶段工艺流程如图2所示.

图1 第1阶段工艺流程

1.2 主要工艺参数

试验采用的超滤组件均为国产大型知名品牌，制作工艺及运行方式差别较大，具有一定的代表性，表1为两种膜组件性能，表2为两种膜组件的运行方式.

图2 第2阶段工艺流程

表1 两种超滤组件的基本性能

表2 两种超滤膜组件的运行工况

2 试验结果与讨论

试验在运行通量及运行周期相似条件下对两种膜组件出水浊度、藻类、CODMn、UV254、NH3—N 等指标进行了对比分析.

2.1 浊度变化

第1阶段砂滤出水浊度在0.24～0.49 ntu之间波动，平均值为0.36 ntu;超滤A 出水浊度在0.07～0.19 ntu之间波动，平均值为0.1 ntu，去除率为72.2%;超滤B出水在0.08 ～0.22 ntu 之间波动，平均值为0.12 ntu，去除率为66.7%.第2阶段气浮出水浊度在1.4～2.8 ntu之间波动，平均值为2.03 ntu;超滤A出水浊度在0.09 ～－0.33 ntu 之间波动，平均值0.16 ntu，去除率92.1%;超滤B出水在0.09～0.19 ntu之间波动，平均值为0.12 ntu，去除率为94.1%.见图3～7.超滤出水浊度不仅达到了《生活饮用水卫生标准》(GB5749－2006)的限值(≤1.0～7 ntu)，而且达到了《饮用净水水质标准》(CJ94－2005)的规定值(≤0.5 ntu).超滤膜对浊度的去除优势明显，受原水浊度变化影响很小.超滤用于砂滤出水时，进水浊度较低，A组件去除效率较高;超滤用于气浮出水时，进水浊度较高，B组件去除效率较高.两种超滤组件对浊度的去除效果差别不大，均不能稳定达到传统认为的0.1 ntu的效果.

2.2 藻类的去除

第1阶段砂滤出水藻类数量在1.08～10.4万个/L之间波动，平均值为0.64万个/L;超滤A出水藻类数量在360～1800个/L之间波动，平均值864个/L，去除率86.5%;超滤 B出水在360～1800个/L之间波动，平均值为1080个/L，去除率83.1%.第二阶段气浮出水藻类数量在2.2～4.8万个/L之间波动，平均值为3.56万个/L;超滤A出水藻类数量在3600～9000个/L之间波动，平均值为6240个/L，去除率为82.5%;超滤B出水在1800～7200个/L之间波动，平均值为4671个/L，去除率为86.9%.由于超滤公称孔径远小于藻类的细胞直径，理论上超滤膜能将藻类全部去除，但由于膜组件存在一定的破损量和断丝率，因此实际工程中总会存在一定的泄露量.分析结果显示，超滤对藻类具有非常显著的分离截留作用，相对其他工艺而言超滤膜在截留过程中对藻类细胞破坏率低，细胞内的毒素和有机物释放量小，生成副产物少，超滤在除藻方面具有明显的优势.用于砂滤出水时，进水藻类含量较低，A组件去除效率较高;用于气浮出水时，进水藻类含量较高，B组件去除效率较高.两种超滤组件对藻类的去除效果差别不大，去除率均能达到85%左右.

2.3 CODMn值的变化

第1阶段砂滤出水 CODMn在2.24～2.88mg/L之间波动，平均值为2.58mg/L;超滤A出水在1.68 ～2.53mg/L 之间波动，平均值为 2.25mg/L，去除率为13.0%;超滤B 出水在1.76 ～2.46mg/L 之间波动，平均值为2.19mg/L，去除率为15.4%.第2阶段气浮出水 CODMn在 2.8～4.4mg/L之间波动，平均值为3.16mg/L;超滤 A 出水在1.91～2.93mg/L之间波动，平均值为2.46mg/L，去除率为21.96%;超滤 B 出水在 1.83 ～3.34mg/L 之间波动，平均值为 2.44mg/L，去除率为 22.86%.CODMn表征了溶解态、胶体态和颗粒态有机物的总和，超滤系统对原水中胶体态和颗粒态物质具有高效的截留效能，同时也去除了以胶体和颗粒状态存在的CODMn.试验期间超滤出水CODMn小于《生活饮用水卫生标准》(GB5749－2006)的限值(≤3.0mg/L)，高于《饮用净水水质标准》(CJ94－2005)的规定值(≤2.0mg/L).分析结果显示，试验第1阶段和第2阶段超滤B组件的处理效果均比A组件略好，但优势不明显.见图8.

图8 第2阶段CODMn对比曲线

2.4 UV254的去除率

第1阶段砂滤出水 UV254在 0.043～0.059之间波动，平均值为 0.052;超滤 A出水 UV254在0.039～0.055 之间波动，平均值为 0.049，去除率为6.6%;超滤 B 出水 UV254在 0.042 ～0.057 之间波动，平均值为0.050，去除率为4.5%.第2阶段气浮出水UV254在0.045～0.059之间波动，平均值为0.052;超滤 A 出水在0.042～0.059之间波动，平均值为0.051，去除率为3.26%;超滤B出水在0.044 ～0.056 之间波动，平均值为 0.051，去除率为2.82%.UV254表征的是水中含不饱和键的有机物，其数值与TOC及THMFP具有较好的相关性，大多数为疏水性有机物［2］.而试验采用的超滤膜组件材质PVDF和PVC合金均为亲水性材料，UV254类有机物不易与超滤膜接触，去除效果不明显.实验结果显示，超滤A组件对UV254的去除率比超滤B略好，可能与超滤膜的材质及制作工艺有关.见图 9、10.

2.5 NH3—N的质量质量浓度变化

第1阶段砂滤NH3—N出水在0.02～0.3mg/L之间波动，平均值为0.11mg/L;超滤A出水在0.04 ～0.39mg/L 之间波动，平均值为 0.16mg/L，质量浓度提高 37.2%;超滤 B出水 NH3—N在0.03 ～0.46mg/L 之间波动，平均值为 0.15mg/L，质量浓度提高33.1%.第2阶段气浮出水NH3—N质量浓度在0.10～0.40mg/L之间波动，平均值为0.19mg/L;超滤 A 出水在 0.08 ～0.30mg/L 之间波动，平均值为0.17mg/L，去除率为5.3%;超滤B出水在0.10 ～0.32mg/L 之间波动，平均值为0.18mg/L，去除率为4.8%.见图11、12.结果显示，第 1阶段超滤处理以后两种膜组件NH3—N质量浓度均有30%以上的提高，主要是由于在过滤过程中部分有机物富集在膜表面，发生了氨化反应;另外藻类在过滤过程中在膜表面挤压部分破碎，体内的氮素进入水体也是NH3—N质量浓度提高的重要原因.由于进水质量浓度很低，试验期间一直稳定达到了GB5749－2006标准限值的要求(0.5mg/L).第2阶段超滤进水的NH3—N质量浓度提高70%以上，两种超滤组件对NH3—N的去除率均在5%左右.分析认为可能是由于试验期间为避免出水水箱中藻类及其他微生物的滋生，每天定量投加了部分NaClO，对水中NH3—N具有一定的氧化作用所致.两种形式的超滤组件对NH3—N的去除都表现出了相似的规律性，不同的超滤组件运行效果差别不大.

3 结论

1)本试验采用的两种超滤组件，性能及运行方式差别较大，基本代表了市场上大部分超滤系统.试验结果显示，两种超滤组件出水主要检测指标均能够达到GB5749－2006规定的各项指标限制的要求，均可作为当前市政给水处理系统提标改造的备选方案，实际工程中选择膜组件应更多的考虑初期投资、使用寿命、破损量极断丝率、与现有工程的衔接及运行过程中的物耗、能耗等其他因素.膜处理技术的另一个突出优势是对隐孢子虫和贾第虫等原生动物具有极高的去除率，这是常规工艺无法达到的［3］.

2)在运行工况相似的条件下(通量、周期等基本参数相似)，进水质量浓度较低时，A组件对浊度和藻类的去除率较B组件高;进水质量浓度较高时，B组件对浊度和藻类的去除率较A组件高.B组件对CODMn的去除率略好于A组件，A组件对UV254的去除率略好于 B组件.由于试验期间NH3—N质量浓度一直很低，两种膜组件对NH3—N的去除没有明显的区别.超滤均存在难以处理小分子有机物和溶解性物质的问题［4］.

3)试验结果显示，在相似的运行工况下两种超滤组件出水水质差别不大，A组件对进水水质要求较低，在升级改造的过程中能够充分利用现状的处理设施，比如沉淀池、滤池，土建工程量较小，但运行通量较小，可用于市政给水净化处理，也可用于污水再生利用领域.B组件运行通量大，跨膜压差较小，但对进水水质要求较为严格，需要新建独立的处理设施，一般认为适用于市政给水水质净化领域.

4)实验过程中两种膜组件的运行通量及跨膜压差均没有达到饱和值，实际工程中应根据具体的进水水质，进一步摸索超滤系统最优运行方式，努力提高运行通量、延长过滤周期、减少反洗及化学清洗频率，减少絮凝剂的投加量，体现绿色环保的优势［5－6］.

［1］李圭白，杨艳玲.超滤—第三代饮用水净化工艺的核心技术［J］.供水技术，2007，4(1):1－3.

［2］蒋绍阶，刘宗源.UV254作为水处理中有机物控制指标的意义［J］.重庆建筑大学学报，2002，24(2):61－65.

［3］金兆丰.21世纪的水处理［M］.北京:化学工业出版社，2003.

［4］何寿平.以浸没式超滤膜为核心的短流程净水工艺的应用与思考［J］.给水排水，2011，37(1):27－33.

［5］沈裘昌.谈以超滤技术为核心的组合处理工艺［J］.给水排水，2010，36(3):1.

［6］唐凯峰，郭淑琴.气浮/超滤工艺处理微污染水试验研究［J］.哈尔滨商业大学学报:自然科学版，2011，27(3):304－307，323.