超滤在饮用水的应用

1超滤技术在饮用水处理上的应用（天水师范学院生命科学与化学学院甘肃天水741001）【摘要】：超滤（ultrafiltration）是以压力差为推动力的膜分离过程之一，主要可以截留相对分子质量在500以上的高分子。本文主要介绍了超滤工艺在饮用水处理方面的技术特点、应用现状、处理效果和存在的问题。就其技术特点和处理效果而言，它可以有效地解决饮用水目前面临的问题，并在饮用水处理方面具有广阔的应用前景。【关键词】：超滤，饮用水，处理效果，应用前景Theapplicationofultrafiltrationtechnologyondrinkingwatertreatment【ABSTRACT】：Ultrafiltrationisoneofmembraneseparationprocess,usedthepressuredifferenceasimpetus,themainretentionrelativemolecularmassofmorethan500.Thispaperdescribesthetechnicalcharacteristicsoftheultrafiltrationprocessindrinkingwatertreatment,applicationstatus,treatmenteffectandtheproblems.Intermsofitstechnicalcharacteristicsandtreatmenteffect,itcaneffectivelysolvedrinkingwaterproblemscurrentlyfacing,andhasbroadapplicationprospectsinthedrinkingwatertreatment.【KEYWORDS】:ultrafiltration,drinkingwater,treatmenteffect,applicationprospects前言进入21世纪，科技文明在不断地向前发展，同时自然环境也遭到了很大程度的破坏，首当其冲的就是水资源。大量工业废水，生活污水直接排放到自然水体当中，致使水体遭到严重的污染，如长江流域的年污水排放总量高达250多亿立方米[1]。国家环境监测网监测显示全国地表水总体水质属中度污染，有近1/4的地表水集中式饮用水源地水质不合格[2]。1饮用水净化工艺的发展为了保障居民饮用水的安全，在20世纪初，研发了混凝——沉淀——过滤——氯消毒的净水工艺，称为第一代饮用水净化工艺，即通常所说的常规处理。在20世纪70年代，水体中的微量有机污染物逐渐增多，于是在第一代水净化工艺的2基础上产生了第二代水处理技术，即增加了臭氧——活性炭深度处理技术，以除去有机污染物，提高水的安全性。但20世纪末在水中检出“两虫”（蓝氏贾第虫和隐孢子虫），以及其他菌体，而第二代水处理技术并不能有效解决这些问题，在此背景下，人们将膜处理技术引入水处理技术,并逐步成为水处理过程中的重要工艺。由于超滤能将水中微生物几乎全部除去，所以超滤逐步成为其核心技术。这种工艺的一般流程为：将原水先经过安全预氧化,再经过超滤，最后经过安全消毒，获得饮用水。[3]2超滤的应用现状随着膜材料工艺的发展，膜的性能不断提高，且超滤工艺可将含小分子可溶性物质和高分子物质等的溶液浓缩、分离及纯化，因此超滤在饮用水处理上有着广泛的应用。在水处理方面所使用的超滤膜一般为聚偏氟乙烯(PVDF)和聚氯乙烯(PVC)[4]。超滤膜可以截留相对分子质量在500以上的高分子，所以很容易将“两虫”、藻类、细菌等物质去除。袁志彬等[5]利用超滤机对城市自来水进行净化，结果显示超滤机对细菌总数的去除率可达到100%。马蓉等[6]对富营养化的湖水研究表明超滤对藻类的去除率达到97%，效果显著。夏圣骥等[7]对某水库进行水质全分析，超滤后，色度由36度降至6度，浊度由18.3NTU降至0.20NTU，超滤后的结果均符合国家标准。欧美地区在20世纪80年代开始运用超滤技术进行水处理，目前约有250座超滤水厂，累积处理量达到300×104m3/d[4]。新加坡、澳大利亚、荷兰、英国和以色列使用超滤工艺净化自来水的处理量分别占其自来水总供水量的12.0%,4.0%,3.1%,2.0%和1.2%。近年来我国也逐步开始运用超滤技术进行水处理，尤其是在农村地区。浙江省湖州市基山村超滤水厂[8,9]，占地面积仅30m2，远低于传统水厂，并采用PLC全自动控制，处理量为150m3/d，解决了1000人左右的安全饮水问题，且工程投资50万元，而传统水厂建成需140万元。由此可见超滤膜处理工艺具有占地面积小，产水量高，能量消耗少，易实现自动化管理等优点。3超滤技术在饮用水净化方面的应用由于超滤膜的截留分子量大，原水中的一些小分子物质去除效果差，因此目前常以超滤技术为核心，多种工艺联合应用来对原水进行处理。其中混凝-超滤联用工艺、粉末活性炭-超滤（PAC-UF）联用工艺等在国内外研究的比较普遍。33.1混凝-超滤联用工艺采用混凝-超滤工艺进行水处理，目前较为普遍。其原理是混凝作为超滤的预处理，通过所投加混凝剂的絮凝作用使小分子有机物结成絮体，从而使水中可凝聚小分子有机物和大分子有机物得到最大限度的去除，改善了单纯的超滤工艺，并缓解膜污染。詹俊英等[10]用硫酸铝作为混凝剂，分别投加25mg和100mg的硫酸铝至1L水中，有机物去除率分别达到18.4%和48.7%，其中亲水性有机物占去除有机物的50%和16%，并且膜截留的有机物全部为亲水性有机物。可知混凝能够较好的清除有机物质，且亲水性有机物对膜污染的影响较小。董秉直等[11]对长江三角洲地区的不同水样进行研究，也得出了上述结论，并且进一步得知，亲水性有机物质对通量影响较小，疏水性有机物质造成通量的急剧下降,而中性亲水性有机物导致通量的缓慢下降。通过混凝预处理后，去除了较多的疏水性有机物质，即混凝-超滤工艺更适合于疏水性组分较多的原水。董秉直等[12]对江苏某地地下水进行研究时发现，若使用常规处理作为预处理时，在不到7h内，膜压差从0.04MPa增加到0.1MPa，增加迅速；若混凝作为预处理时，膜压差则增长缓慢，在运行的28d内,压差仅从0.06MPa增至0.08MPa，并且只需投加少量的混凝剂，就可达到抑制膜压差增加的效果。夏圣骥等[13]对超滤膜净化松花江水建立了数学模型，可在一定条件下预测膜通量。3.2PAC-UF联用工艺颗粒活性炭（PAC）由于比表面积大，可以有效吸附水中低分子量的有机物，常与超滤对大分子有机物及细菌等病原微生物的筛分作用很好地结合在一起，使溶解性有机物转移至固相,再利用超滤膜截留去除微粒的特性,可将低分子量有机物从水中去除。所以用PAC进行预处理可以得到很好的效果，很多学者认为它是可以替代常规水处理工艺的有效工艺之一。王琳等[14]对自来水进行活性炭吸附和超滤膜过滤后，出水的浊度＜0.1NTU，活性炭对高锰酸盐指数的去除率为10%～60%，稳定在20%左右，并且对腐殖酸和富敏酸以及相应的消毒副产物都有较高和稳定的去除效果。董秉直等[15]对长江三角洲水样进行超滤膜通量研究发现，投加颗粒炭后，通量仅略有改善或甚至反而下降。颗粒炭吸附更多地去除亲水性有机物，而造成膜污染的疏水性有机物仍大量残留在颗粒炭处理水中，因此，尽管颗粒炭吸附去除较多的有机物，通量得到一定程度的改善,但仍会造成严重的膜污染。黄明珠等[16]对佛山市新城区水厂进行了长时间研究发现，运行近3年的│TMP│（透膜压差）呈逐渐升高趋势，但最终能稳定在-30kPa～-40kPa。清洗后，超滤膜的TMP能恢复到-30kPa（20℃），恢复率约为93%。说明滤膜虽存在一定程度的不可逆污染，但未表现出累积趋势。夏瑞雪等[17]对自来水厂水道中的水进行研究发现，大于2μｍ的平均颗粒数由原水72283个/mL，经混凝沉淀后降至13970个/mL，去除率为80.6%，膜出水中颗粒数进一步降至64个/mL，去除率达到99.8%。说明混凝—超滤组合工艺能有效去除水中的颗粒物质，可满足供水生物安全性的要求。44超滤工艺存在的问题及前景随着膜技术的不断发展，膜价格的不断降低及超滤工艺的逐步完善，用超滤技术替代常规工艺是合理的。超滤技术对饮用水原水的处理可以达到很好的效果，并且具有占地面积小，生产时间短，容易扩充等优点。因此超滤技术在饮用水处理领域中具有着广阔的应用前景。但是膜污染所导致水通量的降低，膜的使用寿命短，制水成本增加，清洗难度大等问题严重制约着超滤技术的大规模的应用。故应当研究可以控制膜污染的新工艺以及更有效的组合工艺，或者开发新型抗污膜材料，或者优化超滤工艺中的操作条件等来使超滤膜工艺在饮用水处理中具有更广泛的应用。【参考文献】[1]张国宇,何寿平.浸入式超滤膜技术在净水处理中的应用[J].技术与工程应用,2011,6:38-39.[2]刘春霞,付婉霞.超滤技术在饮用水处理中的效果和应用前景[J].给水排水,2008,34(增刊):121-124.[3]李圭白,田家宇,齐鲁.第三代城市饮用水净化工艺及超滤的零污染通量[J].给水排水,2010,36(8):13-15.[4]韩宏大,吕晓龙,陈杰.超滤膜技术在水厂中的应用[J].供水技术,2007,1(5):14-16.[5]袁志彬,王占生.超滤的净化效果及其出水不结硬垢分析[J].中国给水排水,2001,17(11):74-76.[6]马蓉,吕锡武,李发战.超滤组合工艺处水及消毒方法[J].水处理技术,2005,31(12):74-76.[7]夏圣骥,李圭白,彭剑锋.超滤膜净化水库水试验研究[J].膜科学与技术,2006,26(2):56-59.[8]夏圣骥,李圭白,彭剑锋.湖州基山村超滤膜水厂工程介绍[J].中国给水排水,2006,22(14):49-51.[9]董浩,董福平,杨新新.膜法水处理技术在农村饮用水工程中的应用[J].水处理技术,2006,32(5):80-82.[10]詹俊英,董秉直,冯晶.混凝改善超滤膜过滤性能的研究[J].给水排水,2008,34(3):21-25.[11]董秉直,王洪武,冯晶,等.混凝预处理对超滤膜通量的影响[J].环境科学,2008,29(10):2783-2787.[12]董秉直,孙飞,闫昭晖,等.在线混凝——超滤联用工艺用于小城镇给水的应用研究[J].给水排水,2007,33(12):27-31.[13]夏圣骥,徐斌,闫东晗,等.超滤膜净化松花江水数学建模[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2006,22(2):303-306.5[14]王琳,王宝贞,王欣泽,等.活性炭与超滤组合工艺深度处理饮用水[J].中国给水排水,2002,18(2):1-4.[15]董秉直,张庆元,冯晶.粉末活性炭预处理对超滤膜通量的影响[J].环境科学学报,2008,28(10):1981-1987.[16]黄明珠,曹国栋,叶挺进,等.“活性炭+浸没式超滤”工艺在佛山新城区优质水厂的应用研究[J].城镇供水,2011,2:88-91.[17]夏端雪,辛凯,马永恒,等.超滤膜对水中颗粒物的去除效果研究[J].给水排水,2011,37(增刊):19-22.