超濾技術(shù)具有能耗低、過(guò)濾性能優(yōu)良、占地面積小、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可在農(nóng)村飲水工程中廣泛推廣。
位于重慶市秀山縣龍池鎮(zhèn)建國(guó)村的飲水示范工程，以浸沒式超濾膜為核心工藝，并輔以混凝、粉末炭等預(yù)處理技術(shù)以及濾后消毒工藝，出水水質(zhì)按國(guó)家現(xiàn)行的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)中關(guān)于小型集中供水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格把關(guān)。筆者對(duì)該工程的長(zhǎng)期運(yùn)行效果進(jìn)行分析，探討超濾技術(shù)在農(nóng)村供水工程中應(yīng)用的可行性。
1 水廠設(shè)計(jì)
1. 1 凈水工藝選擇
建國(guó)村原有水廠的凈水工藝如下: 水庫(kù)水→砂濾罐→清水池→供水管網(wǎng)?？梢钥闯觯撍畯S的凈水工藝僅是過(guò)濾工藝，設(shè)備為砂濾罐，沒有過(guò)濾前的混凝設(shè)備，更沒有后續(xù)的消毒措施。其出水水質(zhì)如下: 色度為12 倍、濁度為5．17 NTU、CODMn為2．43mg /L、總大腸菌群為180 MPN/100 mL、耐熱大腸菌群為490 MPN/100 mL; 而《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006) 中關(guān)于小型集中供水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn): 色度為20 倍、濁度為3 NTU、CODMn為5 mg /L、總大腸菌群和耐熱大腸菌群均不得檢出。可見，水廠的原有工藝處理效果差，不能滿足國(guó)家對(duì)農(nóng)村小型集中式供水的要求。因此，需要通過(guò)有效的方法降低濁度和去除微生物; 再加上農(nóng)村建設(shè)飲用水處理站所需的集成度高、操作簡(jiǎn)單的要求，最終選擇混凝/超濾膜組合工藝 。
1. 2 超濾膜裝置及工藝參數(shù)
膜處理裝置如圖2 所示。通過(guò)對(duì)建國(guó)村人口、用水量的調(diào)查，確定膜裝置的產(chǎn)水量為10．0 m3 /h。水庫(kù)水經(jīng)混凝處理后由泵提升至膜池，膜池內(nèi)的水位由液位控制器控制，膜池內(nèi)安設(shè)20 片PVC 簾式膜組件，膜組件底部采用穿孔管鼓風(fēng)曝氣，膜出水由抽吸泵抽吸出水，并定期用膜出水對(duì)膜組件進(jìn)行反沖洗。
膜裝置的運(yùn)行參數(shù): 混凝劑聚合氯化鋁的投加量為0．8 mg /L; 曝氣時(shí)間間隔為30 min，曝氣持續(xù)時(shí)間為1 min，曝氣強(qiáng)度為80 m3 /(m2·h) ; 水力反洗周期為150 min，反洗強(qiáng)度為70．6 L /(m2·h) ，反洗歷時(shí)3 min。
試驗(yàn)用膜為某國(guó)產(chǎn)浸沒式PVC 合金超濾膜，膜組件主要工藝參數(shù)如下: 溫度為5 ～38 ℃、pH 值為1 ～ 13、截留分子質(zhì)量為50 ku、膜內(nèi)徑為1．0 mm、膜外徑為1．6 mm、單簾膜面積為8．03 m2、工作壓力為0．03 ～ 0．08 MPa。
1. 3 分析項(xiàng)目及方法
濁度: XZ- 1B 型濁度儀; CODMn : 酸性高錳酸鉀法; 膜通量: 液體流量計(jì); 膜運(yùn)行壓力: 真空壓力表;pH 值: PHSJ- 4A 型pH 計(jì)。
2 處理效果分析
2. 1 膜裝置對(duì)濁度的去除效能
濁度的高低是判斷水處理效果的重要指標(biāo)。天然原水中濁度組成為粘土性物質(zhì)、膠體狀的鐵錳(氧化后) 、浮游生物、藻類、微生物和有機(jī)物等，粒徑范圍為0．1 μm 至數(shù)百微米［2］。超濾過(guò)程是一個(gè)物理篩分過(guò)程，而超濾膜孔徑一般為0．002 ～ 0．1μm，能有效去除水中濁度。原水的濁度很穩(wěn)定，為4．12 ～ 5．89 NTU，波動(dòng)范圍不大，其中5 月份的濁度最大(為5．89 NTU) ，而膜出水濁度保持在0．5NTU 以內(nèi)，去除率穩(wěn)定在90%以上。
試驗(yàn)所用超濾膜孔徑為0．01 μm，雖然沒有達(dá)到與其他試驗(yàn)研究相同的處理效果(出水濁度＜0．1 NTU) ，但本試驗(yàn)的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明: 超濾膜對(duì)原水濁度的去除效果良好，去除率較高且相對(duì)穩(wěn)定，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)對(duì)農(nóng)村小型集中式供水水質(zhì)的要求，能從根本上保證濁度的達(dá)標(biāo)率。
病菌、病毒及其他有害物質(zhì)往往附著于形成濁度的懸浮物中，對(duì)濁度的去除率高，也說(shuō)明對(duì)病菌和病毒有很好的去除能力，而較低的病毒含量，也有利于后續(xù)的消毒效果，能確保飲用水的生物安全性。
2. 2 膜裝置對(duì)水中有機(jī)物的去除效果
有機(jī)物的去除是水處理工藝中的一個(gè)重要過(guò)程。從4 月—8 月，試驗(yàn)裝置對(duì)CODMn的去除率均在45% 以上，最大為53．1%，平均去除率為49．04%，設(shè)備最終出水CODMn值始終保持在1．3mg /L 以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
天然水體中有機(jī)物的分子質(zhì)量主要集中在(10～ 30) 、＜1 ku 的范圍內(nèi)，而有機(jī)物的親疏水性與分子質(zhì)量之間存在密切的關(guān)系，分子質(zhì)量較大的有機(jī)物表現(xiàn)出較強(qiáng)的疏水性，分子質(zhì)量較小的有機(jī)物則表現(xiàn)出較強(qiáng)的親水性。因此，一部分分子質(zhì)量較大的疏水性有機(jī)物通過(guò)濾膜的篩分而被截留去除，而分子質(zhì)量較小的親水性有機(jī)物則通過(guò)了膜孔，從而導(dǎo)致膜工藝直接處理有機(jī)物的效率不高。
超濾膜直接過(guò)濾原水時(shí)對(duì)有機(jī)物的去除效果差，但混凝與超濾聯(lián)合使用可大大提高對(duì)有機(jī)物的去除效果。尹華升等人［3］對(duì)某水庫(kù)水進(jìn)行膜處理試驗(yàn)，將原水直接超濾和微絮凝/超濾兩組平行試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，在去除有機(jī)物方面，微絮凝/超濾工藝明顯優(yōu)于直接超濾工藝，對(duì)CODMn的去除率提高了19．76%; 柯水洲等［4］用超濾技術(shù)對(duì)湘江原水進(jìn)行處理，混凝/超濾對(duì)CODMn的去除率達(dá)到48%; 李海超等［5］用超濾膜對(duì)黃浦江原水進(jìn)行中試研究，結(jié)果表明: 聚合氯化鋁/超濾和硫酸鋁/超濾兩種工藝對(duì)CODMn的去除率均可以達(dá)到45%。在該試驗(yàn)中在線混凝/超濾組合工藝對(duì)原水中有機(jī)物的去除效果非常顯著，且在線混凝對(duì)去除有機(jī)物的貢獻(xiàn)程度多于超濾膜。
2. 3 超濾裝置對(duì)細(xì)菌的去除效果
超濾膜能有效去除大腸桿菌。試驗(yàn)結(jié)果表明，膜池進(jìn)水的總大腸桿菌數(shù)為79 ～ 235 MPN/100 mL，耐熱大腸桿菌數(shù)為98 ～ 183 MPN/100 mL，菌落總數(shù)為110 ～ 314 CFU/mL，而膜濾出水的各項(xiàng)指標(biāo)均接近于零。因此，該膜濾裝置對(duì)水中細(xì)菌具有較高的去除率。
3 超濾技術(shù)在農(nóng)村地區(qū)推廣的可行性分析
由于農(nóng)村地區(qū)居民收入相對(duì)較低、住戶較為分散、用水時(shí)間不集中以及取水較為困難等特點(diǎn)，農(nóng)村飲用水工程的建設(shè)必須符合制水成本低廉、產(chǎn)水快捷、有較高回收率等要求。試驗(yàn)通過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行對(duì)回收率和經(jīng)濟(jì)成本作出分析，以論證超濾技術(shù)在農(nóng)村地區(qū)推廣的可行性。
3. 1 回收率分析
膜濾系統(tǒng)的總回收率是指系統(tǒng)總凈產(chǎn)水量與總進(jìn)水量之間的比值。以一個(gè)完整的過(guò)濾—反沖周期為例，該工程中膜產(chǎn)水的去向主要有兩個(gè)方面: 一部分作為反沖水而暫時(shí)儲(chǔ)存于反沖洗水箱中; 另一部分直接進(jìn)入清水池。儲(chǔ)存于反沖洗水箱中的處理水在臨近該周期的最終階段會(huì)隨著反沖的進(jìn)行而反向透過(guò)膜重新回到膜池中，最終系統(tǒng)通過(guò)排污的形式排放一定體積的濃縮液。在該試驗(yàn)中超濾系統(tǒng)的總回收率達(dá)到93．8%，設(shè)備對(duì)水資源的浪費(fèi)僅限于對(duì)膜池濃縮液的排放。與常規(guī)水處理工藝相比，該系統(tǒng)不僅提高了凈水效率，更節(jié)約了水資源，這對(duì)于日漸嚴(yán)重的全球水資源危機(jī)不失為一個(gè)新的緩解途徑。
3. 2 經(jīng)濟(jì)成本分析
該試驗(yàn)中超濾膜凈水系統(tǒng)的運(yùn)行成本主要包括: 動(dòng)力費(fèi)(電費(fèi)) 、藥劑費(fèi)、人工費(fèi)、折舊費(fèi)，以一個(gè)月為期限。各部分費(fèi)用估算見表1。
在超濾系統(tǒng)的運(yùn)行成本中，動(dòng)力費(fèi)和折舊費(fèi)占到總運(yùn)行成本的近90%，藥劑費(fèi)和人工費(fèi)大體相當(dāng)。在動(dòng)力費(fèi)中，抽吸泵的貢獻(xiàn)最高，達(dá)到93．5%，其次為鼓風(fēng)機(jī)(5．05%) ，而反沖泵和加藥泵對(duì)運(yùn)行成本的影響幾乎可忽略不計(jì); 在藥劑費(fèi)中，由于混凝劑的投加方式為連續(xù)投加，因此其費(fèi)用與消毒劑相比占主導(dǎo)地位，達(dá)到84．3%; 在折舊費(fèi)中，作為系統(tǒng)核心的膜組件，其更換費(fèi)用占到總折舊費(fèi)的85．1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他泵機(jī)設(shè)備的折舊費(fèi)。
該套系統(tǒng)的總運(yùn)行成本為0．239 元/t，這與膜濾系統(tǒng)的運(yùn)行成本相符［6］。
該膜裝置的占地面積為21 m2，相比于其他處理方式的構(gòu)筑物，其占地面積較小; 膜裝置的制水較為快捷，能夠滿足農(nóng)村地區(qū)用水時(shí)間不集中，即產(chǎn)即用的特點(diǎn); 用水的回收率較高，能夠減少源水的浪費(fèi); 通過(guò)經(jīng)濟(jì)成本分析，該超濾裝置的制水成本較為低廉，能夠讓廣大農(nóng)村居民接受。因此，在農(nóng)村飲用水工程中廣泛推廣超濾裝置是可行的。
4 結(jié)論
①在原水濁度不是很高的情況下，超濾膜對(duì)濁度仍能保持較高的去除率，去除率始終在90%以上，出水濁度在0．5 NTU 以下，能滿足農(nóng)村小型集中式供水水質(zhì)的要求。
②超濾膜直接過(guò)濾原水對(duì)有機(jī)物的去除率不高，但和其他工藝組合能提高去除率。原水經(jīng)混凝后再進(jìn)行過(guò)濾，對(duì)有機(jī)物的去除率保持在45．3% ～53．1%之間，出水水質(zhì)能滿足國(guó)家對(duì)小型集中供水水質(zhì)的要求。
③超濾膜對(duì)水中細(xì)菌的去除率較高，出水中幾乎檢測(cè)不到細(xì)菌，能有效保證飲用水的微生物安全性。
④超濾工藝有很好的處理效果和較高的回收率，且經(jīng)濟(jì)成本較低，能為廣大農(nóng)村居民所接受，適合在農(nóng)村地區(qū)推廣。
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