超濾技術(shù)具有能耗低、過濾性能優(yōu)良、占地面積小、運(yùn)行維護(hù)簡單等特點(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)。筆者對該工程的長期運(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
1. 1 凈水工藝選擇
建國村原有水廠的凈水工藝如下: 水庫水→砂濾罐→清水池→供水管網(wǎng)?？梢钥闯?，該水廠的凈水工藝僅是過濾工藝，設(shè)備為砂濾罐，沒有過濾前的混凝設(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，不能滿足國家對農(nóng)村小型集中式供水的要求。因此，需要通過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。通過對建國村人口、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; 曝氣時間間隔為30 min，曝氣持續(xù)時間為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3 min。
試驗(yàn)用膜為某國產(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; 膜運(yùn)行壓力: 真空壓力表;pH 值: PHSJ- 4A 型pH 計。
2 處理效果分析
2. 1 膜裝置對濁度的去除效能
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］。超濾過程是一個物理篩分過程，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: 超濾膜對原水濁度的去除效果良好，去除率較高且相對穩(wěn)定，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)對農(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，對濁度的去除率高，也說明對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重要過程。從4 月—8 月，試驗(yàn)裝置對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。
超濾膜直接過濾原水時對有機(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有機(jī)物的去除效果。尹華升等人［3］對某水庫水進(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CODMn的去除率提高了19．76%; 柯水洲等［4］用超濾技術(shù)對湘江原水進(jìn)行處理，混凝/超濾對CODMn的去除率達(dá)到48%; 李海超等［5］用超濾膜對黃浦江原水進(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/超濾組合工藝對原水中有機(jī)物的去除效果非常顯著，且在線混凝對去除有機(jī)物的貢獻(xiàn)程度多于超濾膜。
2. 3 超濾裝置對細(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，而膜濾出水的各項指標(biāo)均接近于零。因此，該膜濾裝置對水中細(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)居民收入相對較低、住戶較為分散、用水時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)通過長期的運(yùn)行對回收率和經(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。以一個完整的過濾—反沖周期為例，該工程中膜產(chǎn)水的去向主要有兩個方面: 一部分作為反沖水而暫時儲存于反沖洗水箱中; 另一部分直接進(jìn)入清水池。儲存于反沖洗水箱中的處理水在臨近該周期的最終階段會隨著反沖的進(jìn)行而反向透過膜重新回到膜池中，最終系統(tǒng)通過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)備對水資源的浪費(fèi)僅限于對膜池濃縮液的排放。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，這對于日漸嚴(yán)重的全球水資源危機(jī)不失為一個新的緩解途徑。
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: 動力費(fèi)(電費(fèi)) 、藥劑費(fèi)、人工費(fèi)、折舊費(fèi)，以一個月為期限。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運(yùn)行成本的影響幾乎可忽略不計; 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超濾膜直接過濾原水對有機(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)行過濾，對有機(jī)物的去除率保持在45．3% ～53．1%之間，出水水質(zhì)能滿足國家對小型集中供水水質(zhì)的要求。
③超濾膜對水中細(xì)菌的去除率較高，出水中幾乎檢測不到細(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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