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超滤在饮用水处理中的应用

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水是生命之源,我国人均占有水资源很少,且这有限的水资源还不断地受到水质恶化和水生态系统被破坏的严重威胁,各种生产废水和生活污水未达标准就直接排放到水体中,对地表水源造成极大的危害,水源水质急剧下降。水源中污染物品种很多,有无机毒物和有机有害物质,有机污染物可分为天然有机物(NOM)和人工合成污染物(SOC)两类,其中NOM包括腐殖质、微生物分泌物、溶解的动物组织及动物废弃物等,而SOC大多为有毒有机污染物,其中包括三致有机污染物,这些物质难以去除。另一方面,常规处理工艺在降低处理费用、降低产水浊度、减少水中消毒副产物方面存在一定困难。为了满足现有的和未来更为严格的水质要求,微滤及超滤技术被用于饮用水处理已是大势所趋。

        在我国,随着经济建设的快速发展,水污染呈发展趋势,工业发达地区水域污染尤为严重,水资源短缺问题也日益突出,城市缺水现象越来越严重。农村地区的饮用水问题更为严重。农村地区饮用水的水源呈现分散、多样性和不稳定的特点,水源得不到有效保护,饮水处理往往只经简单的沉淀或澄清处理,不能有效杀灭细菌、病毒等微生物,更不能去除有机农药的残留物,使生活在农村地区的人群生命健康受到严重影响。传统的饮用水处理技术及强化常规处理技术,已无法满足人们对饮用水水质的要求。目前国内外的水深度处理技术,主要有生物氧化、臭氧氧化、活性炭吸附技术、高锰酸钾氧化、膜法处理等。其中膜法饮用水处理技术,作为一种革命性的技术,已在发达国家广泛应用,在我国也已广为关注。本文就一个150吨/天的小型超滤膜法水厂实例,分析超滤技术对于铁、锰及微生物指标严重超标的地表饮用水源的实际处理效果。

        1、微滤、超滤技术在饮用水处理中的应用现状
 
        1)种类

        按膜孔大小应用于饮用水处理的膜可分为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)。工业应用中需要把膜安装成膜组件,已工业应用的膜组件主要分为:中空纤维式、卷式、板框式和管式。中空纤维式和卷式组件膜填充密度高,造价低,组件内流体力学条件好,但这两种组件对制造技术要求高,密封困难,使用中抗污染能力差,对料液预处理要求高。板框式和管式组件膜填充密度低,造价高,但组件清洗方便,耐污染。
 
        2)材质

        目前,已有数十种材料用于制备分离膜,有机材料包括纤维素类、聚酰胺类、芳香杂环类、聚砜类、聚烯烃类、硅橡胶类和含氟聚合物,无机材料包括陶瓷、玻璃、金属和碳。其中,用陶瓷材料制成的膜具有更好的化学稳定性和耐酸碱性,机械强度高,它的管式组件能处理含较大悬浮颗粒的水,而且不易堵塞膜的通道,因而适合于净水处理。
 
        3)优点

        膜技术去除的污染物范围广,从无机物到有机物,从病毒、细菌到微粒,不需加药剂,运转可靠,设备紧凑且容易自动控制。从技术上讲,微滤和超滤去除水中悬浮物质、浊度和细菌等病原微生物效果良好,是常规处理和其他一些深度处理所不能比拟的。过去由于价格原因不宜用于城市水厂,近年来由于膜技术的进步,价格也有较大下降,其在饮用水处理中具有广泛的应用前景,替代常规处理是必然趋势,其中浸没式系统可用于建设新水厂或者对现有水厂进行改造,将膜直接放入澄清池或者砂滤池即可。
 
        4)发展与应用

        我国膜科学技术的发展是从1958年研究离子交换膜开始的,从80年代起进行了推广应用,90年代已进入产业化阶段,先后出现了一批应用膜进行饮水装置的小公司,并逐渐扩大,现今国内较大的膜厂家有海南立升、天津膜天。而世界范围内膜工艺也已形成了产业化规模,1997年在法国Vigneux-sur-Seine和苏伊士里昂水务集团(Suez-Lyonnaise des Eaux)联合开发出了将粉末活性炭(PAC)与UF结合的CIRSTAL工艺。到2000年CIRSTAL工艺已被11家大型水厂应用,总处理量超过2×105 m3/d,其中规模最大的一家处理量为5.5×104m3/d,为巴黎东南部20万居民供水。而在我国,王宝贞进行了活性炭与超滤组合工艺深度处理饮用水的研究,并且在北京燕山石化公司动力厂进行了活性炭-膜技术的中试,日处理能力为2×104 m3。大规模的生产性膜技术处理微污染水的研究应用在我国相对较少,目前苏州已建成了日产万吨的超滤膜饮用水处理工艺,相信随着膜技术的进步国产膜会逐渐赶上世界水平。
 
        5)膜技术缺陷、解决方法、今后研究方向

        膜技术虽然发展前景良好,但仍存在一定问题,现今膜的使用寿命短、膜通量衰减造成运行成本增加等因素的阻碍,使膜技术在规模较大的水厂中应用仍有一定困难。从膜本身来看,膜材料及膜组件有待改进,抗污染、高通量膜的制备及延长膜使用寿命是今后一个发展方向,而制备低能耗的膜组件有利于膜技术进一步的发展应用。从膜运行来看,膜污染是非常严重的问题,需要进行频繁的化学清洗才能保证一定的通量,且膜更换频率提高,都造成整个处理工艺的运行费用和造价的提高,这将成为今后相当长时间内要解决的一个难题。

        2、超滤过滤原水的工艺原理

        2.1 超滤对于悬浮物和微生物的去除

        超滤膜分离技术的主要特点是具有很高的过滤精度,该工程采用的是公称过滤精度达到0.03微米的超滤膜,它能够实现:

        (1)对于造成水质混浊的悬浮物具有很高去除能力;产水浊度通常达到0.2NTU以下;

        (2)对于大肠杆菌等微生物具有99.99%以上的去除能力。由于微生物通常在0.5微米以上,因此0.03微米的超滤膜对于去除微生物十分有效;

        (3)对于铁、锰、铝等胶体具有90-95%以上的去除能力。但对于呈溶解态的铁离子等没有去除能力。

        2.2超滤对于铁、锰的去除

        超滤能够去除呈胶体或者悬浮物性质的铁、锰,但不能去除水中溶解的亚铁离子和二价锰离子,必须配合进行氧化处理,把亚铁快速氧化成三价铁,在中性pH附近形成不溶性的铁胶体,把二价锰氧化成四价锰,通过超滤过滤除去。在常规水处理工艺中,使用除铁锰过滤器来去除水中溶解的铁、锰。在本工程中,考虑到占地、投资等因素,采用了在超滤进水投加次氯酸钠的方法来实现此目的,加入量为6ppm。

        2.3超滤对于氟的去除

        水源水中氟化物超标,但超滤本身不能去除呈溶解态的氟离子。目前除氟工艺主要有活性氧化铝吸附过滤、骨炭吸附过滤、铝盐混凝沉淀、电絮凝、电渗析等,本工程中用国产聚合氯化铝(PAC)作絮凝剂,铝盐形成的矾花粒子Al(OH)3(S)对水中氟离子具有一定的吸附能力,然后借助超滤对于铝盐水解形成的胶体的截留作用来实现除氟的目的。工程运行中,PAC加入量10ppm,氟化物6的去除率为49%,已经能够满足饮水要求。如果要提高去除率,需投加更多的PAC量。

        3、先进超滤膜法饮用水处理工艺特点与传统的饮用水处理工艺、常规的饮用水深度处理工艺相比,超滤膜法工艺具有以下优点:

        a.过滤精度极高,对于悬浮物、微生物、胶体具有很高的去除率;

        b.产水水质稳定,受进水波动影响小;

        c.模块化的装置设计,即满足大型水厂的需要,又更适合小型分散供水系统;

        d.流程短,不需投加或投加少量化学药剂,便于实现自控。

        4、结语

       微滤、超滤膜工艺对水中污染物的去除具有传统工艺无法企及的效果,随着膜技术的进步和价格的下降,膜工艺完全可能替代常规水处理工艺,其不仅占地面积小,可以实现自动控制、易于维护、耗能少,而且可以去除浊度、NOM、味和嗅以及DBPs等,保证出水水质稳定,因此市场前景非常广阔。膜技术用于饮用水生产在国外已有大量的研究,许多国家己经建立了大规模的实际工程,这些给我国的饮用水生产提供了借鉴。
 

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