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超滤膜技术在10000吨自来水厂处理太湖水的应用报告韦相亮1刘绍芳1王农村2张振家2（1．恩纳社工程系统有限公司，上海200001；2.上海交通大学环境科学与工程学院，200240）摘要:本文通过微絮凝+超滤工艺对太湖水制取自来水进行了探讨。结果显示：此工艺不仅流程短，占地面积小，更为重要的是能够几乎完全去除细菌和大肠杆菌；能够高效地去除有机物；超滤产水浊度保持在0.01NTU，并且超滤对原水中的CODMn、NH4-N、Fe也有一定程度的去除，去除率在20-50%之间。同时通量长期保持在高水平上运行，大大减少了清洗的次数和化学药剂的使用量。说明采用超滤为主体的工艺生产优质、安全的自来水是非常适宜、可行的。关键词:微絮凝+超滤工艺；自来水苏州市吴中区渡村自来水厂座落于环境优美的太湖边上，太湖水质波动大，夏季藻类较多，富营养化为中度，冬季受风向影响，浊度变化比较大。过去该自来水厂采用传统工艺，通过混凝沉淀池去除胶体和颗粒物，使浊度降至2NTU以下，然后采用快滤过滤池工艺，进一步降低浊度及其它杂质，以达到饮用水水质标准。为了满足未来饮用水的要求和提高饮用水水质，恩纳社工程系统公司在苏州渡村自来水厂采用微絮凝＋超滤工艺建成了一座每天10,000吨的自来水项目，以取代原有的传统工艺，至目前为止，该项目是国内采用超滤膜制取自来水的最大规模的项目，该套超滤的成功运行对于探索在中国的自来水行业采用超滤膜技术的可行性具有非常重要的意义。1.0超滤（UF）工艺简介UF是一种物理性的低压驱动的膜分离技术，本文采用立升中空纤维内压式超滤膜元件作为例子，膜材料为改性PVC，经过改性后的PVC具有亲水性好、耐有机污染、耐酸碱等特点。一只膜组件内含有上万根中空丝，两端用环氧树脂封装，这样每根中空丝都被隔离开来。所用LH3-1060V膜组件基本参数如下：膜材质改性PVC过滤方式内压式膜组件长度1500mm膜组件直径250mm膜面积40m2空心面积6m2过滤孔径0.2-10nm（中央值：4-6nm）中空膜内径1.2mm中空膜丝厚度0.2mm中空膜容积9.8liter中空丝数量/组件10610中空纤维膜见图1：图1:中空纤维膜元件单根中空丝的断面及横断面如图2所示。图2:UF中空丝-断面及横断面2.0超滤（UF）工艺基本设计超滤系统流程图：UF技术的采用，可以简化工艺并提高出水质量，即使在原水的浊度和微生物较高的情况下，其去除率也是稳定的。由于超滤膜上的微孔很小，可以有效除去各种水中悬浮颗粒、胶体、细菌和大分子有机物等，这些截留物质可能会在膜的内表面集聚，所以需要对超滤膜组件进行定期的反冲洗和加药清洗。随着固体物质在膜组件表面沉积，跨膜压差（TMP）将增加。在这种情况下，需要用间歇的反冲洗及化学加强型反冲洗来降低膜的污染。反洗使用超滤产品水，可以直排或回收。反冲洗为物理方法来冲洗堵塞的纤维丝和沉积在膜表面的污染物，反洗的频率根据原水的污染程度决定。由于水中悬浮物和胶体均带电荷，在未进入超滤膜前，投加少量混凝剂（铝/铁盐），后者可以利用自身的电荷来中和和降低水中悬浮物和胶体的电荷，以取得更有效的反冲洗效果。原水超滤超滤净水/反洗水箱反洗泵酸/碱/次氯酸钠(CEB、CIP)微絮凝剂超滤进水泵反洗废水用户随着膜组件工作时间的延长，膜污染会不断加重。膜的透水速率会不断下降，为了恢复膜的通量，需要对膜组件进行化学清洗(CIP)，化学清洗时根据原水质中杂质的情况选择适合的化学药品。由于不同季节，污染程度会不同，因此，清洗剂的选择可根据原水水质，在现场试验时确定。碱可有效去除有机物污染，酸则对硬度和絮凝剂的去除较为有效。NaClO用于控制细菌的滋生，被加于化学加强反洗中（CEB）以让膜进行消毒。3.0苏州10000吨自来水厂超滤中试报告3.1设计参数3.11原水资料水源：地表水(太湖水)最低浊度15NTU最高浊度300~500NTU3.12超滤膜组件超滤膜型号：LH3－1060－V超滤膜数量：60根/套；120根/2套；总共：120根超滤膜面积：40m2/根设计膜通量：60～150L/m2•hr实际膜通量：100L/m2•hr3.13设计工艺太湖水原水泵保安过滤器超滤膜组件滤过水水箱反冲洗水泵反冲洗水箱液氯絮凝剂图3.超滤工艺流程图超滤膜是由海南立升公司产生的内压式中空纤维超滤膜，材质为改性的PVC复合膜，膜孔径分布在4～6nm，切割分子量为80,000dalton，有效膜面积为40m2,纯水通量大于350L/m2·hr(纯水通量是指在25oC,0.12Mpa条件下过滤纯水时每平方每小时的产水量),该工艺的过滤方式采用死端过滤。3.2运行结果和分析3.21系统运行情况的分析3.211有无微絮凝预处理的比较在运行过程中,我们发现在未投加微絮凝药剂的条件下，随着运行时间的增长,跨膜压差迅速升高，采用反冲洗,即正冲洗和反冲洗的办法,通量虽然有所恢复,跨膜压差也有所下降,但是很难恢复到最初水平。由图4可知,跨膜压差是持续升高的，污染累积非常严重。但是如果我们在超滤前投加适宜的微絮凝药剂的条件下，在运行周期为35分钟的条件下，则在一个周期内跨膜压差上升幅度为0.1bar，每个周期反洗后，跨膜压差基本都能恢复的上个周期的初始运行情况，运行非常稳定。具体情况见图4.00.20.40.60.811.21.41.61.803570105140T/minuteTMP(bar)未投加絮凝剂投加絮凝剂图4.有无絮凝剂情况下,跨膜压差随运行周期的变化情况从图4可看到,投加微絮凝药剂后,膜的污染情况大大减轻。超滤的污染主要来自膜孔内的吸附及污染物质在膜表面的堆积。超滤的过滤阻力主要来自膜表面的滤饼和膜孔内堵塞和吸附的污染物。太湖水中含有大量的悬浮颗粒、胶体、合成有机物、天然有机物和无机物等,很容易地就会在膜表面和膜孔内吸附和堆积，而超滤操作压力的升高会对膜表面滤饼和膜内的污染物进行压实，加大了不可逆污染的程度,造成超滤产水通量下降和跨膜压差的升高[3]。而投加微絮凝药剂后，则后者可以利用自身的电荷来中和和降低水中悬浮物和胶体的电荷，从而使后者失稳，相互聚集，形成微絮体[4]。显然这些絮体的内部密度较低，它们之间作用力主要是物理作用力；且与细碎的微小胶体和悬浮物相比，表面中性的大体积聚集体与膜之间的作用力就小的多。Carman2kozeny方程ac=180(1-ε)/(ρd2ε3)也证实了此种猜想。膜表面沉积层的比阻ac随颗粒尺寸d和孔隙率ε的增大而减小，经过微絮凝预处理后颗粒尺寸增大，形成的滤饼层阻力减小，渗透通量增大。另外，絮体的形成提高了它的反向传输速度。反向传输的原理在于布朗扩散、惯性提升和剪切扩散。布朗扩散随颗粒尺寸增大而减小，惯性提升和剪切扩散随颗粒尺寸增大而增大，三种反向传输速度都与颗粒直径有关。经微絮凝预处理后颗粒直径增大，总的反向传输速度随之增大，从而减轻了有机物在膜表面的吸附沉积。因此，在反冲洗的过程中，有利于将污染物从膜表面冲洗掉。3.212超滤通量的变化情况1801851901952002050.20.61.11.62.12.63.13.54.04.44.95.45.96.3超滤产水(万吨)校正通量(L/m2*hr*b温度校正通量图5.超滤的通量随产水量的变化加入合适剂量得絮凝剂后，则在我们整个运行过程中，超滤系统运行非常稳定，比特征通量稳定在190～200L/m2*hr*bar之间,最大波动在5％以内(具体数据见图5.)，考虑到水质、机械等各方面的条件，比特征通量还是非常稳定的。比特征通量运行的稳定依赖与水质、系统的运行操作，现场技术人员应根据具体的情况对系统运行参数进行合理的调整。同时,在水质一定的条件下，运行的参数的设定也非常重要，如运行压力、通量、周期的设定、反洗时间、压力、通量及反洗方式的设定，这不仅影响到系统的运行的稳定性，同时也会影响到系统运行的成本。通过前期的小试，对该系统的运行参数进行了修正和改进，并摸索出了一套适应于该系统的参数，使得系统能够长期稳定、有效的运行，而且运行费用方面，也基本与传统工艺持平。3.22超滤对水质各指标的去除效果解决了运行过程中超滤膜的污染问题和跨膜压差高的问题后,又进一步对所设计的超滤流程的处理效果进行了检测。详细讨论如下：3.221超滤对浊度的去除效果超滤系统运行期间的数据（2005-4-18～2005-9-11），进水浊度为10～230NTU，进水浊度变化非常大。但在浊度的去除方面，超滤膜体现出优越的截留性能，产水浊度都稳定保持在0.01NTU以下，UF膜组件对浊度物质的截留率在99.9％以上。具体数据见图6.在运行过程中,原水浊度、系统集成模式以及运行条件（制水周期、透过通量、化学清洗周期）的变化对于UF膜组件去除浊度的功能没有消极影响，滤过水浊度始终稳定保持在0.01NTU以下。而目前我国采用的饮用水标准规定浊度小于3NTU，而美国环境保护署则规定浊度小于1NTU，在该处理系统中，滤过水浊度(0.01NTU)完全可以达到国内外的饮用水浊度要求。说明该设计流程处理太湖水进行自来水的生产是十分有效，高效和安全的。0501001502002504-184-275-17-278-88-178-269-3运行时间（月-日）浊度(NTU)原水浊度(NTU)图6.超滤对浊度的去除效果3.222超滤对CODMn的去除效果对本系统运行对CODMn的去除效果也进行了检测，结果见图7.01.534.567.595-15-35-67-237-257-268-38-98-108-168-178-238-248-30检测时间（月-日）CODmn(mg/L)CODmn(原水)CODmn(超滤产水)图7.超滤对CODMn的去除效果从图7可看出，超滤产水的CODMn值和超滤膜对CODMn的去除效果明显受到了原水CODMn值、温度等条件变化的影响。在运行过程中，采集的超滤产水水样中，原水的CODMn在7和8mg/L的情况下，超滤产水的CODMn值超过了3mg/l。原水在小于4mg/L的情况下，超滤产水CODMn值均没有超出3mg/l。在超滤膜前投加微絮凝药剂的情况下对CODMn的总去除率一般在26％～50％之间。3.223超滤对有机物的去除效果大量文献表明，自来水中有机物的存在会导致后续处理的许多副产物。未被去除的有机物在氯化时会产生一部分消毒副产物。这些副产物有一部分是可以致癌的，而常规的自来水处理工艺是很难将有机物去除的。因此，如何减少和控制饮用水中消毒副产物的含量，成为国际给水界关注的热点。而我们在运行过程中发现，在本流程可以对所含的有机物进行去除。去除结果见图8～9。图8.原水水质中HPLC所测出的有机物种类图8显示,原水中至少含有四种有机物，各自对应不同的化学结构。而经本流程处理后，则这些有机物都已被去除(见图9)。说明微絮凝和超滤工艺对去除有机物也是有效的。图9.微絮凝+超滤处理后自来水中所检测的有机物种类3.224超滤对氨氮的去除效果00.050.10.150.25-15-35-67-237-257-268-38-98-108-168-178-238-248-308-31测定时间（月-日）氨氮值（mg/L）NH3(原水)NH3(超滤产水)图10超滤对氨氮的去除效果图10显示了超滤对氨氮的去除效果。显然，超滤产水的氨氮值和超滤膜对氨氮的去除效果明显受到了原水氨氮值、温度等条件变化的影响。原水中的氨氮含量在0.2mg/l以下，超滤产水中的氨氮含量都小于0.1mg/l，若一旦原水中氨氮含量大于0.2mg/l，超滤产水的氨氮含量是否能达到饮用水标准，有待于进一步的试验。在系统运行过程中，超滤膜对氨氮的去除率一般在45％～75％之间。3.225超滤对铁的去除效果00.511.522.535-15-35-67-237-257-268-38-98-108-168-178-238-248-30检测时间（月-日）Fe值(mg/L)Fe(原水)Fe(超滤产水)图11.超滤对铁的去除效果本系统进行期间，原水中铁的含量为0.3～2.7mg/L，变化相