超滤膜技术在市政净水厂中的应用

超滤膜技术在市政净水厂中的应用

贾恒松

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，浙江省 嘉兴市 314000）

摘 要 20世纪末城市饮水微生物安全问题的逐渐凸显，使得以膜处理为核心的第三代工艺逐渐成为发展方向，本文阐述了超滤膜技术的原理、特点、工艺组合及存在的问题等。

关键词超滤 饮用水

20世纪初至今，城市净水工艺不断变革发展。以混凝-沉淀-过滤-氯消毒为代表的第一代城市饮用水净化工艺，有效控制了水介烈细菌性传染病和病毒性传染病的流行。以“第一代工艺+臭氧—活性炭”为代表的第二代工艺，有效去除和控制了水中的有机污染物和氯化消毒副产物，提高了水的化学安全性。20世纪末新出现了以“两虫”、藻类为代表的城市饮水微生物安全问题，第一代和第二代工艺均无法有效的解决，从而使以膜处理为核心的第三代工艺逐渐成为城市饮用水净化工艺的一个新的发展方向。而经济水平的提高和社会饮用水安全意识的增强也为膜技术在水处理中的应用提供了动力和保障。

1 膜技术原理

膜分离技术是以具有选择性分离功能的膜为分离介质，以膜两侧的压力差为驱动力，实现原液中不同组分的分离、纯化及浓缩的过程。在水处理领域，微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）等膜分离技术均己获得一定应用。

图1 各种膜处理技术与分离物质对应图

如图1，滤膜按孔径由小到大分为反渗透膜、纳滤膜、超滤膜、微滤膜。反渗透膜几乎将水中盐类全部去除，这样的水不能作为饮用水长期饮用。纳滤能去除有机物和部分无机物，但能耗较高，且纳滤膜目前尚需要进口，成本很高，还不能作大规模推广。微滤能去除“两虫”、藻类和水生生物，但不能完全去除细菌和病毒。超滤在将水中的胶体微粒、不溶性的铁和锰以及细菌、病毒、贾第虫等微生物去除的同时，保留了人体必需的微量元素，既确保水质安全又保证水质健康。因此，超滤膜是目前国内外水厂选择膜处理技术时的主要选择。 超滤的分离机理为：以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当原液流过膜表面时，超滤膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过，而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧，从而实现对原液的净化、分离和浓缩的目的。给水用超滤膜孔径一般介于0.01～0.02微米之间，只允许水分子、水中的有益矿物质和微量元素通过，而细菌以及比细菌体积大得多的胶体、铁锈、悬浮物、泥沙、大分子有机物等都能被超滤膜截留下来，从而实现了净化过程。此外，水中污染物对膜表面和膜孔的吸附作用是超滤分离的另一机理，从而使小于膜孔径的分子也可能被膜分离。

2 超滤膜工艺特点

（1）超滤是绿色物理分离技术，可以取代以除浊和杀菌为目的的第一代工艺，且可以少用甚至不用混凝剂，从而减少混凝药剂对水质的污染。

（2）能够有效去除包括隐胞子虫、贾第鞭毛虫、细菌和病毒等在内的微生物，显著提高饮用水的微生物安全性。且由于超滤能够去除几乎全部致病微生物，故只需向水中投加少量消毒剂，显著减少了消毒副产物的生成量，从而提高了水的化学安全性。

（3）几乎可以消除水中的全部藻类组织。

（4）通过膜表面的物理筛分作用、膜孔中的阻塞作用及共同吸附作用间接去除一小部分有机物，COD Mn去除率一般为15～30%。

（5）膜装置的模块化和标准化有利于缩短水厂建设周期，节约土地资源，并使水厂建设向工厂化方向发展，从而实现水厂建设方式的重大革新。

3 超滤膜处理技术的工艺组合

虽然超滤膜能有效的去除水中的颗粒物质，但对小分子量有机污染物和溶解性有毒有害无机物则难以去除，对于高浊度水也难以适应。因此，针对不同原水，须考虑不同的膜处理组合工艺，进行膜前膜后处理，以达到相应的处理要求：

3.1 混凝-超滤工艺

对于水质优异的原水，可直接或经混凝后进入超滤膜过滤，对水中的浊度、微生物及少量有机物可有效去除。在国内以南通芦泾水厂、北京第九水厂为代表的膜处理水厂，由于原水水质较好，采用了以混凝+超滤为主体的工艺，并取得了较好的效果。

3.2 混凝-沉淀-超滤或混凝-沉淀-砂滤-超滤工艺

当原水浊度较高时，为尽量延长膜的使用寿命，宜在膜前增设混凝-沉淀或混凝-沉淀-砂滤单元，拓展超滤膜对原水浊度的适用范围。

3.3 高锰酸钾-混凝沉淀-粉末活性炭-砂滤-超滤工艺

当原水受到有机物微污染，但污染程度低、或只是季节性、突发性水质变化。可在常规处理工艺

基础上，增设高锰酸钾、粉末活性炭投加，吸附降解水中溶解性有机物。特别是生物粉末活性炭与超滤联用，可以延长粉末活性炭在反应器内的停留时间，提高粉末活性炭在反应器内的浓度，从而可以充分利用粉末活性炭的吸附容量；同时也使以粉末炭为载体的生物膜量大大增加，显著提高生物降解效果。

在国内，东营南郊水厂、天津杨柳青水厂等膜处理水厂，采用了以高锰酸钾-混凝沉淀-粉末活性炭-砂滤-超滤为核心的工艺，经过多年运行出水水质可以稳定达标。

3.4 常规处理+深度处理+超滤工艺

当原水污染程度较高，可在常规处理工艺的基础上增加臭氧活性炭-超滤联用技术。即先采用臭氧活性炭吸附去除溶解性有机物，采用超滤膜拦截分离颗粒物和贾第鞭毛虫、隐孢子虫、病毒等微生物。该工艺目前应用于以青浦第三水厂为代表的采用微污染原水作为水源的超滤膜水厂中。

4 超滤膜工艺的应用实例

超滤膜技术从20世纪80年代开始用于饮用水处理，近年来呈加速发展态势，在北美、欧洲、日本、新加坡及台湾等地区已经有比较成熟、广泛的应用。在国内起步较晚，但随着近年来国产膜技术的进步，超滤膜技术在国内净水厂中应用的越来越广泛。先后建成投产了东营南郊水厂、无锡中桥水厂等数十座超滤水厂，积累了大量设计、安装、运行及管理等方面的经验。为超滤工艺在国内制水行业的广泛推广奠定了基础。

表1 国内外部分有代表性的膜法饮用水厂一览表

工程名称 处理规模 原水及其水质 处理工艺组合

加拿大Collingwood饮用水厂 2.8万m3/d 湖水，Ⅰ类，浊度1.4NTU 粗格栅+前氯+浸没式超滤+液氯消毒

新加坡Chestnut 饮用水厂 27.3万m3/d

水库水，Ⅰ类，浊度为

5.4NTU

强化絮凝+浸没式超滤

台湾高雄拷潭净水厂 30万m3/d 高屏溪水，水质中氨氮铁锰

含量及硬度偏高，且水质受

双膜法超滤（UF）+反渗透(RO）

慈溪杭州湾新区

自来水厂

3万m3/d 微污染海涂水库咸水 常规处理+超滤膜+反渗透膜 佛山新城区优质水厂 5000m3/d 常规处理后的管网水 活性炭滤罐+浸没式超滤

天津杨柳青水厂 5000m3/d 滦河 高锰酸钾+混凝+粉末活性炭+超滤

洋山深水港供水工程 2.0万m3/d 常规处理自来水 自来水+高架曝气生物活性炭吸附池+内压式柱状超

滤膜

东营南郊水厂 10万m3/d 黄河水库水(溴离子浓度高) 高锰酸钾+混凝沉淀+粉末活性炭+砂滤+浸没式超滤

膜

南通芦泾水厂 2.5万m3/d 长江水 絮凝+浸入式超滤膜技术

无锡中桥水厂 土建30万m3/d

一期15万m3/d

微污染太湖水 絮凝沉淀+砂滤池+臭氧生物活性炭+超滤膜

北京第九水厂 7万m3/d 滤池反冲洗水 混凝+浸没式超滤膜

青浦第三水厂 10万m3/d 太浦河，微污染地表河水 高密度澄清池+臭氧生物活性炭+超滤膜 杭州清泰水厂 30万m3/d 贴沙河，微污染地表河水 絮凝沉淀+砂滤池+臭氧生物活性炭+超滤膜 深圳沙头角水厂 4万m3/d 东江，Ⅱ类水 混凝沉淀+活性炭滤池+超滤膜