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【摘 要】膜处理技术是近年发展起来的一门新型水处理技术,已经受到广泛的关注。本文介绍了当前普遍使用的一体化设备在使用中存在的问题以及膜处理在农村供水工程中的应用前景和实例。
【关键词】农村供水;膜处理;应用
Application of membrane Technology in Rural Water Supply Project
Hu Xiang-min
(Wenzhou City Water Resources Bureau Wenzhou Zhejiang 325000)
【Abstract】The membrane technology in recent years developed a new water treatment technology, has received extensive attention. This article describes the integration of commonly used equipment in use and film processing problems in rural water supply project in the future and examples of the application.
【Key words】Rural water supply; Film processing; Application
随着新农村建设的发展,为农村提供安全可靠的饮用水,成为农村基础设施建设的一项重要内容,越来越受到各级政府的高度重视。这种趋势在2008、2009年大量的农村供水工程列入中央新增预算内投资项目得到充分体现。面对农村供水技术力量薄弱,管理难度大等等的具体条件的限制,简易的过滤消毒一体化设备(俗称“大铁罐”),成为很多农村村级供水工程的选择。尽管目前为止“大铁罐”发挥了一定的作用,但是随着供水工程的使用时间增加,农民对饮用水水质要求的进一步提高以及农村水环境污染的加剧等因素影响,“大铁罐”的局限性越发明显。而村级供水工程受到资金、人员和技术的限制,无力建设规模较大的水厂。使用一种投资少,占地小,操作简易,管理要求低,同时又能安全可靠的净水技术,就成为了农村供水工程建设的一个重要研究内容。膜处理技术正是这一问题的有效解决方案。
1. 膜处理的几种主要类型原理
1.1 反渗透(Reverse Osmosis 简写为RO):反渗透的定义是:在浓液一边加上比自然渗透压更高的压力,扭转自然渗透方向,把浓液中的水压到半透膜的另一边。这个过程必须具备两个条件: 一是必须有一种高选择性和高透水性的选择性半透膜;二是操作压力必须高于水溶液的渗透压。反渗透膜的透过机理还在发展和继续完善中,目前一般认为溶解扩散 理论能较好地说明膜透过现象。另外还有氢键理论、优先吸附——毛细孔流理论等也能对其透过机理进行解释。此外,有的学者还提出扩散——细孔流理论、结合水 ——空穴有序理论以及自由体积理论等。也有人根据反渗透现象是一种膜透过现象,而把它当作是非可逆热力学现象来对待。
1.2 纳滤(Nanofiltration membran 简称NF):它介于反渗透和超滤之间,又称疏松反渗透。其主要特点是在咸水淡化、软化方面,将 传统的中压膜(3~4MPa)改为低压(1~2MPa)或超低压膜(1MPa以下),而保持除盐率不变或提高,是在反渗透基础上的提高和发展。它既可以去 除Ca2+、Mg2+等形成硬度的二价离子,对去除色度和消毒副产物母体等也仍有效果。虽然其去除杂质的能力不如反渗透强,但由于操作压力的降低而大大降 低了能量费用和制水成本。
1.3 超滤(Ultrafiltration 简称UF):超滤时水中杂质主要是由筛除机理而去除,但超滤 时膜的孔径大小和膜的表面化学特性等分别起着不同的截留作用。超滤膜对有些比膜孔径小的溶质分子也具有明显的分离效果,因为超滤膜对溶质的分离过程主要有 三:(1)在膜表面及微孔内吸附(一次吸附);(2)在孔中停留而被去除(阻塞);(3)在膜面的机械截留(筛分)。值得一提的是,超滤膜对溶质粒子的截留不仅与分子量有关,而且与分子的形状、可变性以及分子与膜的相互作用等因素有关。当分子量一定时,膜对球形分子的截留率远大于线形分子。
1.4 微滤(Microprous filtration 简称MF):微滤是以静压力为推动力,利用筛网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程。其原理与普通过滤相类似,但过滤微粒在0.03~15um之间。因而又称为精密过滤,是过滤技术的最新发展。主要作用是去除微粒、亚微粒(包括细菌、病毒、胶体等)和细粒物质。还能用来去除微生物和异味杂质等,属于保安过滤。
2. 一体化净水设备在农村供水工程中的局限及膜处理的选择
自2003年浙江省开始“千万农民饮用水工程”开始,一体化净化设施(俗称“大铁罐”)就因体积小,设备结构简单、制造成本和运行成本较低、操作简单等因素,成为村级供水工程过滤、消毒工艺的主要选择。在经过数年使用之后,大铁罐的局限性越来越明显。
2.1 根据部分农村反映,大铁罐在安装使用一段时间后,其对原水的处理能力有较明显下降。末梢水的水质化验在工程验收时候为合格,但运行上一段时间再化验就变成不合格。根据调查,出现这种情况的主要原因为水源的水质变化。农村供水工程的水源,通常为地表水,因受到暴雨、山洪等因素的影响,原水水质出现较大变化的时候,大铁罐就无力处理,导致水质下降。同时因滤料受到影响,所以原水水质恢复之后,尽管进行自动反冲洗,但净化能力同样不会得到完全恢复。追究其根本原因,在于出于造价和制水成本考虑,没有采用“絮凝”工艺,对原水水质的变化没有弹性处理能力。
2.2 大铁罐虽然有制造成本和运行成本较低的优势,但实际处理能力却不强,只适合原水水质较好的工程,不能处理盐分、细菌、病毒、有机物、重金属离子等有害物质。采用平原河网作为水源的农村通常不能使用大铁罐。随着农村经济发展,水环境污染的情况逐渐加重,为了得到合格的饮用水,一些村只能接较大型水厂的管道。当供水能力不足时,用水就成为问题,村与村之间也容易产生矛盾。
2.3 农村供水工程由于管理和技术力量的薄弱,缺乏保养维护大铁罐的能力。尽管大铁罐通常都是不需专人看护,但一旦发生故障,或者需要更换滤料,只能请制造公司来进行维护,通常要数天时间,非常麻烦。
针对以上问题,我们可以看出,农村供水工程需要制造和运行低廉,能够有效处理水质较差的原水,使用寿命长,以及维护保养方便(平时不需要专人看管,进行大规模维护的时候也不需要专业技术)的水处理工艺。由于反渗透、纳滤等技术需要加电加压,运行成本高,超滤(Ultrafiltration 简称UF)技术,就成为首选方案。
超滤技术是属于二十一世纪六大高新技术之一。1965年美国亚米康(Amicon)公司首先开发出中空纤维式超滤膜。我国对于超滤膜的开发始于20世纪70年代初,最初开发的醋酸纤维素膜(CA)管式组建。20世纪80至90年代中期先后研制出聚砜(PS)卷式超滤组建、聚砜中空纤维组件、聚氯乙烯(PVC)中空纤维组件等。由于膜的生产技术水平提高,超滤膜的生产成本随之降低。超滤净化技术可滤除水中的铁锈、泥沙、悬浮物、胶体、细菌、病毒、大分子有机物等有害物质,并能保留对人体有益的一些矿物质元素。超滤工艺中水的回收率高达95%以上。并且可方便的实现冲洗与反冲洗,不易堵塞,使用寿命相对较长。根据实际情况了解,近年来,超滤膜的制水成本已经远低于城市水价,但设备价格与大铁罐比起来较高。同样的供水能力,超滤设备的价格是大铁罐的1.5~2倍。
3. 工程实例
浙江省温州市某村级供水工程,该工程位于海岛,人均水资源较低,同时水污染比较严重,属于资源性缺水和水质性缺水并存的状态,岛上居民用水困难现象十分突出。该村居民约800人,原先饮用水源为井水。由于易受干旱和污染的影响,因此水质水量均无法得到保障。
该地县级人民政府决定将此村作为解决海岛群众饮用水安全问题的试点工程,投资建设了一个采用超滤处理技术的村级供水工程。该工程采用某公司捐赠的设备,系统包括超滤装置、清洗装置、加药系统装置、空气系统装置四个部分。超滤膜的孔径只有0.03微米,对水中细菌、病毒、微生物的去除率达到99.9999%,产水水质各项指标均达到国家 最新颁布的2006生活饮用水国家标准,水质甚至高于城市管网自来水,可直接饮用。
该工程的制水成本约为0.8元/吨,设计供水能力为200吨/日,工程投资约为55万元。工程占地十几平方米,其核心的超滤设备占地不足两平方。工程建成后的维护管理极为方便,至今运转正常,对提高当地人民生活质量起了重要作用。
4. 结语
早期饮水的主要危害是来自生物污染,即水中病原性微生物引起的各种传染病。如:霍乱、伤寒、脊髓灰质炎、甲型病毒性肝炎等。人们采用沉淀、过滤、加氯消毒的处理方法,基本解决了饮水的物理污染(泥沙、悬浮物)及生物污染(细菌、藻类、寄生虫等)。到20世纪70年代以后,水体污染由以生物污染(致病微生物)为主发展到化学污染为主。而化学污染又由早期的以重金属(铅、砷、镉、汞)污染为主发展到以有机化合物污染为主。且这类污染物的品种和数量每年都在迅速增长,而膜处理正是针对这些污染的水质深度净化的有效水处理方法。
面对当前农村供水在技术和管理上普遍薄弱的情况,普通的一体化水处理设备在保养和维护方面存在很大缺陷,而膜处理技术则避免了这个问题。当前阻碍膜处理技术在农村推广的最大问题是成本高昂。但根据笔者了解,我国已经在膜处理设备的技术和生产方面取得了很大成就。近20年来,膜的产水率已经增加了3-5倍,而操作压力下降了1/3,成本更是逐年下降。随着技术的发展,可以预见超滤净化设备的造价和制水成本将进一步低廉。膜处理技术在农村供水方面有着广阔的发展前景。
[文章编号]1006-7619(2010)06-18-560
【关键词】农村供水;膜处理;应用
Application of membrane Technology in Rural Water Supply Project
Hu Xiang-min
(Wenzhou City Water Resources Bureau Wenzhou Zhejiang 325000)
【Abstract】The membrane technology in recent years developed a new water treatment technology, has received extensive attention. This article describes the integration of commonly used equipment in use and film processing problems in rural water supply project in the future and examples of the application.
【Key words】Rural water supply; Film processing; Application
随着新农村建设的发展,为农村提供安全可靠的饮用水,成为农村基础设施建设的一项重要内容,越来越受到各级政府的高度重视。这种趋势在2008、2009年大量的农村供水工程列入中央新增预算内投资项目得到充分体现。面对农村供水技术力量薄弱,管理难度大等等的具体条件的限制,简易的过滤消毒一体化设备(俗称“大铁罐”),成为很多农村村级供水工程的选择。尽管目前为止“大铁罐”发挥了一定的作用,但是随着供水工程的使用时间增加,农民对饮用水水质要求的进一步提高以及农村水环境污染的加剧等因素影响,“大铁罐”的局限性越发明显。而村级供水工程受到资金、人员和技术的限制,无力建设规模较大的水厂。使用一种投资少,占地小,操作简易,管理要求低,同时又能安全可靠的净水技术,就成为了农村供水工程建设的一个重要研究内容。膜处理技术正是这一问题的有效解决方案。
1. 膜处理的几种主要类型原理
1.1 反渗透(Reverse Osmosis 简写为RO):反渗透的定义是:在浓液一边加上比自然渗透压更高的压力,扭转自然渗透方向,把浓液中的水压到半透膜的另一边。这个过程必须具备两个条件: 一是必须有一种高选择性和高透水性的选择性半透膜;二是操作压力必须高于水溶液的渗透压。反渗透膜的透过机理还在发展和继续完善中,目前一般认为溶解扩散 理论能较好地说明膜透过现象。另外还有氢键理论、优先吸附——毛细孔流理论等也能对其透过机理进行解释。此外,有的学者还提出扩散——细孔流理论、结合水 ——空穴有序理论以及自由体积理论等。也有人根据反渗透现象是一种膜透过现象,而把它当作是非可逆热力学现象来对待。
1.2 纳滤(Nanofiltration membran 简称NF):它介于反渗透和超滤之间,又称疏松反渗透。其主要特点是在咸水淡化、软化方面,将 传统的中压膜(3~4MPa)改为低压(1~2MPa)或超低压膜(1MPa以下),而保持除盐率不变或提高,是在反渗透基础上的提高和发展。它既可以去 除Ca2+、Mg2+等形成硬度的二价离子,对去除色度和消毒副产物母体等也仍有效果。虽然其去除杂质的能力不如反渗透强,但由于操作压力的降低而大大降 低了能量费用和制水成本。
1.3 超滤(Ultrafiltration 简称UF):超滤时水中杂质主要是由筛除机理而去除,但超滤 时膜的孔径大小和膜的表面化学特性等分别起着不同的截留作用。超滤膜对有些比膜孔径小的溶质分子也具有明显的分离效果,因为超滤膜对溶质的分离过程主要有 三:(1)在膜表面及微孔内吸附(一次吸附);(2)在孔中停留而被去除(阻塞);(3)在膜面的机械截留(筛分)。值得一提的是,超滤膜对溶质粒子的截留不仅与分子量有关,而且与分子的形状、可变性以及分子与膜的相互作用等因素有关。当分子量一定时,膜对球形分子的截留率远大于线形分子。
1.4 微滤(Microprous filtration 简称MF):微滤是以静压力为推动力,利用筛网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程。其原理与普通过滤相类似,但过滤微粒在0.03~15um之间。因而又称为精密过滤,是过滤技术的最新发展。主要作用是去除微粒、亚微粒(包括细菌、病毒、胶体等)和细粒物质。还能用来去除微生物和异味杂质等,属于保安过滤。
2. 一体化净水设备在农村供水工程中的局限及膜处理的选择
自2003年浙江省开始“千万农民饮用水工程”开始,一体化净化设施(俗称“大铁罐”)就因体积小,设备结构简单、制造成本和运行成本较低、操作简单等因素,成为村级供水工程过滤、消毒工艺的主要选择。在经过数年使用之后,大铁罐的局限性越来越明显。
2.1 根据部分农村反映,大铁罐在安装使用一段时间后,其对原水的处理能力有较明显下降。末梢水的水质化验在工程验收时候为合格,但运行上一段时间再化验就变成不合格。根据调查,出现这种情况的主要原因为水源的水质变化。农村供水工程的水源,通常为地表水,因受到暴雨、山洪等因素的影响,原水水质出现较大变化的时候,大铁罐就无力处理,导致水质下降。同时因滤料受到影响,所以原水水质恢复之后,尽管进行自动反冲洗,但净化能力同样不会得到完全恢复。追究其根本原因,在于出于造价和制水成本考虑,没有采用“絮凝”工艺,对原水水质的变化没有弹性处理能力。
2.2 大铁罐虽然有制造成本和运行成本较低的优势,但实际处理能力却不强,只适合原水水质较好的工程,不能处理盐分、细菌、病毒、有机物、重金属离子等有害物质。采用平原河网作为水源的农村通常不能使用大铁罐。随着农村经济发展,水环境污染的情况逐渐加重,为了得到合格的饮用水,一些村只能接较大型水厂的管道。当供水能力不足时,用水就成为问题,村与村之间也容易产生矛盾。
2.3 农村供水工程由于管理和技术力量的薄弱,缺乏保养维护大铁罐的能力。尽管大铁罐通常都是不需专人看护,但一旦发生故障,或者需要更换滤料,只能请制造公司来进行维护,通常要数天时间,非常麻烦。
针对以上问题,我们可以看出,农村供水工程需要制造和运行低廉,能够有效处理水质较差的原水,使用寿命长,以及维护保养方便(平时不需要专人看管,进行大规模维护的时候也不需要专业技术)的水处理工艺。由于反渗透、纳滤等技术需要加电加压,运行成本高,超滤(Ultrafiltration 简称UF)技术,就成为首选方案。
超滤技术是属于二十一世纪六大高新技术之一。1965年美国亚米康(Amicon)公司首先开发出中空纤维式超滤膜。我国对于超滤膜的开发始于20世纪70年代初,最初开发的醋酸纤维素膜(CA)管式组建。20世纪80至90年代中期先后研制出聚砜(PS)卷式超滤组建、聚砜中空纤维组件、聚氯乙烯(PVC)中空纤维组件等。由于膜的生产技术水平提高,超滤膜的生产成本随之降低。超滤净化技术可滤除水中的铁锈、泥沙、悬浮物、胶体、细菌、病毒、大分子有机物等有害物质,并能保留对人体有益的一些矿物质元素。超滤工艺中水的回收率高达95%以上。并且可方便的实现冲洗与反冲洗,不易堵塞,使用寿命相对较长。根据实际情况了解,近年来,超滤膜的制水成本已经远低于城市水价,但设备价格与大铁罐比起来较高。同样的供水能力,超滤设备的价格是大铁罐的1.5~2倍。
3. 工程实例
浙江省温州市某村级供水工程,该工程位于海岛,人均水资源较低,同时水污染比较严重,属于资源性缺水和水质性缺水并存的状态,岛上居民用水困难现象十分突出。该村居民约800人,原先饮用水源为井水。由于易受干旱和污染的影响,因此水质水量均无法得到保障。
该地县级人民政府决定将此村作为解决海岛群众饮用水安全问题的试点工程,投资建设了一个采用超滤处理技术的村级供水工程。该工程采用某公司捐赠的设备,系统包括超滤装置、清洗装置、加药系统装置、空气系统装置四个部分。超滤膜的孔径只有0.03微米,对水中细菌、病毒、微生物的去除率达到99.9999%,产水水质各项指标均达到国家 最新颁布的2006生活饮用水国家标准,水质甚至高于城市管网自来水,可直接饮用。
该工程的制水成本约为0.8元/吨,设计供水能力为200吨/日,工程投资约为55万元。工程占地十几平方米,其核心的超滤设备占地不足两平方。工程建成后的维护管理极为方便,至今运转正常,对提高当地人民生活质量起了重要作用。
4. 结语
早期饮水的主要危害是来自生物污染,即水中病原性微生物引起的各种传染病。如:霍乱、伤寒、脊髓灰质炎、甲型病毒性肝炎等。人们采用沉淀、过滤、加氯消毒的处理方法,基本解决了饮水的物理污染(泥沙、悬浮物)及生物污染(细菌、藻类、寄生虫等)。到20世纪70年代以后,水体污染由以生物污染(致病微生物)为主发展到化学污染为主。而化学污染又由早期的以重金属(铅、砷、镉、汞)污染为主发展到以有机化合物污染为主。且这类污染物的品种和数量每年都在迅速增长,而膜处理正是针对这些污染的水质深度净化的有效水处理方法。
面对当前农村供水在技术和管理上普遍薄弱的情况,普通的一体化水处理设备在保养和维护方面存在很大缺陷,而膜处理技术则避免了这个问题。当前阻碍膜处理技术在农村推广的最大问题是成本高昂。但根据笔者了解,我国已经在膜处理设备的技术和生产方面取得了很大成就。近20年来,膜的产水率已经增加了3-5倍,而操作压力下降了1/3,成本更是逐年下降。随着技术的发展,可以预见超滤净化设备的造价和制水成本将进一步低廉。膜处理技术在农村供水方面有着广阔的发展前景。
[文章编号]1006-7619(2010)06-18-560