浸入式超滤膜技术在净水处理中的应用
                           文/金州环境集团股份有限公司技术中心  张国宇 何寿平

    据国家环保部提供的数据，长江38条主要干流上的72个监测断面，能达到Ⅲ类以上水质的断面已只有46个。国家水文局2005年2月份的监测资料显示，长江流域现在Ⅰ类、Ⅱ类水体的比例已只占31%，Ⅲ类水占34%，其余都是Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类水。因此，我国自来水厂现有的传统处理工艺提出了新的挑战，国内大部分自来水厂现有的处理工艺将面临技术改造的问题。目前，主要的强化处理技术有生物预处理、预氧化、改善混凝、臭氧氧化、活性炭吸附、膜处理等可资应用的技术。
    新《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）已经于2007年7月1日实施，新标准对水质指标做了极其严格的规定，例如，新标准对自来水的106项指标进行了极其严格的限制，在生物监测指标方面规定出水水质总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌均不得检出，细菌总数小于100 CFU/mL，贾第鞭毛虫小于1 个/10L，隐孢子虫小于1个/10L（贾第鞭毛虫和隐孢子虫简称为“两虫”），而浊度指标也由原来的小于3NTU，提高到小于1NTU。而我国绝大部分自来水厂仍然采用的传统处理工艺：混凝——沉淀——砂滤——消毒。该工艺对未受污染水源水中的胶体、悬浮物、微生物等污染物具有良好去除效果，对水中的有机污染物有一定去除作用，对两虫的去除效果甚微。同时，随着工业的高速发展，我国水源水质不断恶化，以长江为例，长江流域年污水排放总量多达250多亿立方米，占全国40%以上，其中80%以上的污水未经有效处理，就直接排入长江。目前长江干流60%的水体，都已受到不同程度的污染。其中工业和人口比较密集的长江中下游上千公里河段，沿岸水质基本都已在Ⅲ类和Ⅳ类之间。
    膜分离技术被誉为21世纪的绿色处理技术。膜技术发展迅速，越来越为人们所关注。其中，超滤膜位于膜过滤连续谱图中的纳滤和微滤之间，其截留分子量为5000-500000道尔顿，孔径为0.1μm-0.01μm。超滤过程是一个物理筛分过程：以膜两侧的压力差（跨膜压差）为驱动力，以超滤膜为过滤介质，当水流通过膜表面时，只允许水、小分子和可溶性物质通过，阻止水中的悬浮物、胶体、微生物、蛋白质等大分子物质通过，从而达到净化的目的。相比其它膜过滤技术，超滤膜过滤技术具有运行成本低、处理效果好、能够保留水中对人体有益的溶解性无机盐、可以去除水中对人体有害的细菌甚至病毒。超滤膜过滤技术已成为水处理领域中的关注热点。以超滤技术为核心的水处理工艺被专家称为“第三代水处理工艺”。
    尽管将超滤膜技术引入自来水处理中能够达到很好的效果，但是在具体应用中还存在诸多问题：
（1） 膜的价格、建设费用及运行成本仍然偏高；
（2） 膜的污染机理、运行机理有待深更层次的理解和认识；
（3） 超滤膜净水工艺与传统净水工艺之间如何进行匹配的研究有待进一步深入；
（4） 超滤膜净水技术系统研究有待进一步深入
    针对以上情况，为了有效解决我国自来水厂改造技术难关，太平洋水处理工程有限公司、南通自来水公司、苏州立升净水科技有限公司和金州环境集团股份有限公司技术中心结合江苏省南通市芦泾水厂技术改造，进行了以浸入式超滤膜技术为核心的短流程净水工艺研究，试验规模达到1500m3/d。研究自2008年3月开始，持续进行了一年多实验。实验过程中得到了各级领导、专家的关注。
   

   
    通过一年多实验，课题组分别对沉后水和絮凝水进行了超滤膜过滤，提出了具有自主知识产权的“以浸入式超滤膜技术为核心的短流程净水工艺”，即原水经过絮凝之后直接进入超滤膜池，在膜池内完成膜过滤、浓水回收、沉淀、污泥浓缩等功能，产水率达到99.2%以上，大大降低了水厂自用水率。为了实现上述功能，课题组提出了同一膜池内分膜单元运行的，即同一膜池中的多个膜组件（采用浸入式超滤膜）被分为若干个膜单元，膜单元各自独立运行，通过程序控制，实现某膜单元清洗（包括水洗和曝气），其余膜单元正常运行。同时，清洗出的浓水由其他正在运行的膜单元加以回收，从而达到整个膜池的不间断运行，提高了系统的产水率。该运行方式属“多个超滤膜单元在同一跨膜压差下的变通量运行”。它实现了同一膜池中不同膜单元产水的自动平衡，减缓了膜单元的污染，保证系统的稳定运行。为了保证污泥浓缩效果，应保证膜组件底部与池底之间的距离。此运行方式可以不用单独建设浓水回收装置，节省投资。
    为了节约运行成本，充分利用水厂剩余水头，课题组提出了超滤膜应在低跨膜压差、低通量下运行，这种运行方式能够保证膜表面的滤饼层比较松散，从而能够减缓超滤膜的深层污染，减少恢复性化学清洗次数，方便水厂运行管理。
    课题组根据中试研究成果，申请了两项国家发明专利：以超滤为核心集多种净水技术于一体的短流程水处理工艺（专利申请号：200810242550.9）、浸入式超滤膜同一膜池分膜单元运行的工艺（专利申请号：200810171824.X）。
    根据实验结果，课题组提出了江苏省南通市芦泾水厂技术改造方案。
    南通市芦泾水厂隶属于江苏省南通市自来水公司，始建于1973年，改造前供水能力为5×104 m3/d，分为两条生产线，生产能力均为2.5×104m3/d。原水取自于长江，工艺流程为原水——双层回转隔板絮凝池——斜管沉淀池——虹吸滤池——消毒——清水池，厂区面积较小，几乎没有闲置场地。
    芦泾水厂原净水工艺是按出厂水浊度不大于5NTU的标准设计的，2000年以来，水厂全年一直处于满负荷、超负荷的工作状态，为了适应新的《国家生活饮用水卫生标准》，南通市自来水公司提出了技术改造要求。为此，课题组根据中试结果，结合路径水厂特点，提出了两套改造方案：（1）斜管沉淀池改成膜池，砂滤池改为应急处理水池；（2）砂滤池改为膜池。经过反复对比，最终确定芦泾水厂改造方案采用方案（1），即管沉淀池改成膜池，砂滤池改为应急处理水池。
    2009年1月6日，南通市科学技术局组织国内知名专家中国工程院院士李圭白教授、中国城镇供排水协会顾问宋仁元先生和沈大年先生、上海市政设计研究总院原副总工沈裘昌、北京市政设计研究总院副总工郄燕球、天津自来水总公司总工何文杰、河海大学陈卫教授对太平洋水处理工程有限公司、南通自来水公司、苏州立升净水科技有限公司、金州环境集团股份有限公司技术中心完成的“以浸入式超滤膜技术为核心的短流程净水工艺研究”项目进行了成果鉴定，专家组考察了试验现场并听取了课题组的汇报，专家组一致认为：课题组提出了以浸入式超滤膜技术为核心、集絮凝、超滤、污泥浓缩于一体的短流程工艺；该工艺突出了低跨膜压差、低通量的理念，充分利用水厂原有工作水头，采用分膜单元运行方式，减轻了膜污染，系统运行稳定，出水浑浊度低于0.02NTU，生物安全性大幅度提高；该工艺节约用地，节省投资，为老水厂改造和新建水厂提供了一条新的技术路线，符合资源节约型产业化发展方向，有广阔的市场应用前景；芦泾水厂工艺改造方案切实可行，实施后具有示范意义；项目成果具有创新性，达到国际先进水平。
   

    该成果引起了专业人士和专业媒体的广泛关注。
    课题组在专家们提出的意见和建议基础上对芦泾水厂改造方案进一步细化，太平洋水处理工程有限公司根据改造方案对芦泾水厂其中一条生产线进行了改造，改造过程中克服了水厂不允许长时间停水等苦难。芦泾水厂改造工程于2009年12月31日正式通水。八个多月的运行结果表明，芦泾水厂改造工程运行良好，超滤膜一直采用虹吸方式运行，大大节约了运行成本，方便了水厂管理，改造工程不仅没有增加水厂用地，还空闲处滤池作为应急处理水池。
   

    芦泾水厂改造工程为我国第一座采用浸入式超滤膜技术对老水厂进行改造的项目，它的成功运行为我国自来水厂提标改造提供一条全新的思路，引起了国内外同行的广泛关注，投入运行至今，已经有五十余家自来水厂到芦泾水厂参观考察。实践表明，浸入式超滤膜在我国净水处理中具有广阔的应用前景。
到目前为止，我国已有多个水厂采用浸入式超滤膜过滤技术，笔者相信，浸入式超滤膜技术一定会在我国自来水厂中得到越来越多的应用。但是，作为一种新技术，浸入式超滤膜技术在应用过程中我们应当不断总结经验，对一些问题要深入研究，为其进一步大范围应用奠定基础。