浸入式超濾膜技術在凈水處理中的應用
文/金州環境集團股份有限公司技術中心 張國宇 何壽平
據國家環保部提供的數據，長江38條主要干流上的72個監測斷面，能達到Ⅲ類以上水質的斷面已只有46個。國家水文局2005年2月份的監測資料顯示，長江流域現在Ⅰ類、Ⅱ類水體的比例已只占31%，Ⅲ類水占34%，其余都是Ⅳ類、Ⅴ類和劣Ⅴ類水。因此，我國自來水廠現有的傳統處理工藝提出了新的挑戰，國內大部分自來水廠現有的處理工藝將面臨技術改造的問題。目前，主要的強化處理技術有生物預處理、預氧化、改善混凝、臭氧氧化、活性炭吸附、膜處理等可資應用的技術。
新《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）已經于2007年7月1日實施，新標準對水質指標做了極其嚴格的規定，例如，新標準對自來水的106項指標進行了極其嚴格的限制，在生物監測指標方面規定出水水質總大腸菌群、耐熱大腸菌群、大腸埃希氏菌均不得檢出，細菌總數小于100 CFU/mL，賈第鞭毛蟲小于1 個/10L，隱孢子蟲小于1個/10L（賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲簡稱為“兩蟲”），而濁度指標也由原來的小于3NTU，提高到小于1NTU。而我國絕大部分自來水廠仍然采用的傳統處理工藝：混凝——沉淀——砂濾——消毒。該工藝對未受污染水源水中的膠體、懸浮物、微生物等污染物具有良好去除效果，對水中的有機污染物有一定去除作用，對兩蟲的去除效果甚微。同時，隨著工業的高速發展，我國水源水質不斷惡化，以長江為例，長江流域年污水排放總量多達250多億立方米，占全國40%以上，其中80%以上的污水未經有效處理，就直接排入長江。目前長江干流60%的水體，都已受到不同程度的污染。其中工業和人口比較密集的長江中下游上千公里河段，沿岸水質基本都已在Ⅲ類和Ⅳ類之間。
膜分離技術被譽為21世紀的綠色處理技術。膜技術發展迅速，越來越為人們所關注。其中，超濾膜位于膜過濾連續譜圖中的納濾和微濾之間，其截留分子量為5000-500000道爾頓，孔徑為0.1μm-0.01μm。超濾過程是一個物理篩分過程：以膜兩側的壓力差（跨膜壓差）為驅動力，以超濾膜為過濾介質，當水流通過膜表面時，只允許水、小分子和可溶性物質通過，阻止水中的懸浮物、膠體、微生物、蛋白質等大分子物質通過，從而達到凈化的目的。相比其它膜過濾技術，超濾膜過濾技術具有運行成本低、處理效果好、能夠保留水中對人體有益的溶解性無機鹽、可以去除水中對人體有害的細菌甚至病毒。超濾膜過濾技術已成為水處理領域中的關注熱點。以超濾技術為核心的水處理工藝被專家稱為“第三代水處理工藝”。
盡管將超濾膜技術引入自來水處理中能夠達到很好的效果，但是在具體應用中還存在諸多問題：
（1） 膜的價格、建設費用及運行成本仍然偏高；
（2） 膜的污染機理、運行機理有待深更層次的理解和認識；
（3） 超濾膜凈水工藝與傳統凈水工藝之間如何進行匹配的研究有待進一步深入；
（4） 超濾膜凈水技術系統研究有待進一步深入
針對以上情況，為了有效解決我國自來水廠改造技術難關，太平洋水處理工程有限公司、南通自來水公司、蘇州立升凈水科技有限公司和金州環境集團股份有限公司技術中心結合江蘇省南通市蘆涇水廠技術改造，進行了以浸入式超濾膜技術為核心的短流程凈水工藝研究，試驗規模達到1500m3/d。研究自2008年3月開始，持續進行了一年多實驗。實驗過程中得到了各級領導、專家的關注。
通過一年多實驗，課題組分別對沉后水和絮凝水進行了超濾膜過濾，提出了具有自主知識產權的“以浸入式超濾膜技術為核心的短流程凈水工藝”，即原水經過絮凝之后直接進入超濾膜池，在膜池內完成膜過濾、濃水回收、沉淀、污泥濃縮等功能，產水率達到99.2%以上，大大降低了水廠自用水率。為了實現上述功能，課題組提出了同一膜池內分膜單元運行的，即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，提高了系統的產水率。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”。它實現了同一膜池中不同膜單元產水的自動平衡，減緩了膜單元的污染，保證系統的穩定運行。為了保證污泥濃縮效果，應保證膜組件底部與池底之間的距離。此運行方式可以不用單獨建設濃水回收裝置，節省投資。
為了節約運行成本，充分利用水廠剩余水頭，課題組提出了超濾膜應在低跨膜壓差、低通量下運行，這種運行方式能夠保證膜表面的濾餅層比較松散，從而能夠減緩超濾膜的深層污染，減少恢復性化學清洗次數，方便水廠運行管理。
課題組根據中試研究成果，申請了兩項國家發明專利：以超濾為核心集多種凈水技術于一體的短流程水處理工藝（專利申請號：200810242550.9）、浸入式超濾膜同一膜池分膜單元運行的工藝（專利申請號：200810171824.X）。
根據實驗結果，課題組提出了江蘇省南通市蘆涇水廠技術改造方案。
南通市蘆涇水廠隸屬于江蘇省南通市自來水公司，始建于1973年，改造前供水能力為5×104 m3/d，分為兩條生產線，生產能力均為2.5×104m3/d。原水取自于長江，工藝流程為原水——雙層回轉隔板絮凝池——斜管沉淀池——虹吸濾池——消毒——清水池，廠區面積較小，幾乎沒有閑置場地。
蘆涇水廠原凈水工藝是按出廠水濁度不大于5NTU的標準設計的，2000年以來，水廠全年一直處于滿負荷、超負荷的工作狀態，為了適應新的《國家生活飲用水衛生標準》，南通市自來水公司提出了技術改造要求。為此，課題組根據中試結果，結合路徑水廠特點，提出了兩套改造方案：（1）斜管沉淀池改成膜池，砂濾池改為應急處理水池；（2）砂濾池改為膜池。經過反復對比，最終確定蘆涇水廠改造方案采用方案（1），即管沉淀池改成膜池，砂濾池改為應急處理水池。
2009年1月6日，南通市科學技術局組織國內知名專家中國工程院院士李圭白教授、中國城鎮供排水協會顧問宋仁元先生和沈大年先生、上海市政設計研究總院原副總工沈裘昌、北京市政設計研究總院副總工郄燕球、天津自來水總公司總工何文杰、河海大學陳衛教授對太平洋水處理工程有限公司、南通自來水公司、蘇州立升凈水科技有限公司、金州環境集團股份有限公司技術中心完成的“以浸入式超濾膜技術為核心的短流程凈水工藝研究”項目進行了成果鑒定，專家組考察了試驗現場并聽取了課題組的匯報，專家組一致認為：課題組提出了以浸入式超濾膜技術為核心、集絮凝、超濾、污泥濃縮于一體的短流程工藝；該工藝突出了低跨膜壓差、低通量的理念，充分利用水廠原有工作水頭，采用分膜單元運行方式，減輕了膜污染，系統運行穩定，出水渾濁度低于0.02NTU，生物安全性大幅度提高；該工藝節約用地，節省投資，為老水廠改造和新建水廠提供了一條新的技術路線，符合資源節約型產業化發展方向，有廣闊的市場應用前景；蘆涇水廠工藝改造方案切實可行，實施后具有示范意義；項目成果具有創新性，達到國際先進水平。
該成果引起了專業人士和專業媒體的廣泛關注。
課題組在專家們提出的意見和建議基礎上對蘆涇水廠改造方案進一步細化，太平洋水處理工程有限公司根據改造方案對蘆涇水廠其中一條生產線進行了改造，改造過程中克服了水廠不允許長時間停水等苦難。蘆涇水廠改造工程于2009年12月31日正式通水。八個多月的運行結果表明，蘆涇水廠改造工程運行良好，超濾膜一直采用虹吸方式運行，大大節約了運行成本，方便了水廠管理，改造工程不僅沒有增加水廠用地，還空閑處濾池作為應急處理水池。
蘆涇水廠改造工程為我國第一座采用浸入式超濾膜技術對老水廠進行改造的項目，它的成功運行為我國自來水廠提標改造提供一條全新的思路，引起了國內外同行的廣泛關注，投入運行至今，已經有五十余家自來水廠到蘆涇水廠參觀考察。實踐表明，浸入式超濾膜在我國凈水處理中具有廣闊的應用前景。
到目前為止，我國已有多個水廠采用浸入式超濾膜過濾技術，筆者相信，浸入式超濾膜技術一定會在我國自來水廠中得到越來越多的應用。但是，作為一種新技術，浸入式超濾膜技術在應用過程中我們應當不斷總結經驗，對一些問題要深入研究，為其進一步大范圍應用奠定基礎。
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