CN101279805A - 膜法饮用水处理工艺方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种膜法饮用水处理设备以及处理方法。根据本发明的处理设备，一种膜法饮用水处理设备，包括：预处理单元、混凝池、膜分离池；预处理单元中设置粗格栅及Y型管道过滤器等，对原水进行预处理，以防原水中杂质堵塞进水泵及进水水表；混凝池为机械混凝池，对原水进行混凝；膜分离池，采用帘式膜组件结构，对原水进行过滤。原水经过预处理单元，投放混凝剂后进入混凝池，混凝处理后的水经过帘式膜组件的组件进行处理。本发明采用混凝与膜过滤组合的方式处理微污染地表水，可以完全阻止细菌的通过，所以可将处理水中的各种悬浮颗粒、细菌、藻类、COD及有机物均得到有效的去除，保证了出水悬浮物接近零的优良出水水质。

Description

膜法饮用水处理工艺方法与设备

技术领域

本发明涉及一种水处理工艺及其设备。

背景技术

水资源问题是21世纪我国社会可持续性发展最突出的问题之一。全球可利用的淡水总量不足世界总储水量的1％。目前，自然环境中的许多淡水水源包括地下水、江河水、湖泊及水库水等都不同程度受到工业废水、生活污水及其它各种人为的污染，使水的色、臭、味变化较大，有害或有毒物质易进入水体。不少有机物对人体有急性或慢性、直接或间接的毒害作用，其中包括致癌、致畸和致突变作用。据统计，我国七大江河和内陆河的110个重点河段符合《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)I、II类的仅占32％，III类的占29％，属于IV、V类的占39％。有82％的江、河、湖泊受到污染，92％的城市面临水污染的威胁。水源污染给人类健康带来了严重威胁。解决的办法一是保护水源，控制污染；二是强化水处理工艺。

***出台的《城市供水质标准》(CJ/T206-2005)已接近国际水质标准，于2005年6月1日开始实施。其要求检测的项目越来越多，规定的限值越来越严格。新的水质标准的要求，给现有水厂的运行和技术改造提出了新的课题。因此当前城市供水行业面临的首要问题是如何提高出水水质，以满足用户需求和水质标准提高的要求。

饮用水中的主要风险还是微生物指标，对微生物的人体健康风险应给予高度重视，其中隐孢子虫、贾第虫、军团菌、病毒等指标在WHO、EC以及许多国家水质标准中并不常见，但在美国等少数发达国家已成为重要的控制项目。美国把浊度列入微生物学指标，从浊度数值的规定也从现在的0.5NTU(95％合格率)降低到0.3NTU(2002年执行)，这主要是从控制微生物风险来考虑，而不仅仅是感官性状。

对消毒剂与消毒副产物愈来愈重视，世界卫生组织针对可能使用的不同消毒剂列出了包括消毒剂与消毒副产物共30项指标。美国在2001年3月颁布水质标准中，要求自2002年1月起，饮用水中的总三卤甲烷浓度由0.1mg/L降为0.08mg/L，并增加了卤乙酸的浓度不超过0.06mg/L的规定。

传统的水处理运行工艺已显得力不从心。主要缺陷表现在：不能有效去除各种有机物，COD_Mn去除率不高；且氯化消毒产生的多种有机卤化物，比其先质毒性更大，为了改进混凝，提高滤池效率，保证杀菌效果的就多点投氯，为氯与水中的有机物(如富里酸、腐植酸)反应生成THMs等消毒副产物创造了条件；对一些原虫的去除不能达标；占地面积大，设备复杂，运行维护比较麻烦等。

而膜分离及其集成技术(与其它工艺如生化处理、活性炭吸附、混凝等相结合)因其去除污染物效果好、范围广，并且具有占地面积小、出水水质稳定和自动化水平高等优点在饮用水处理领域得到了广泛的关注与研究。特别是近年来随着制膜方法的进步，膜质量的提高及制造成本的降低，以膜分离技术为主体的净水技术日益显示出其广阔的应用前景。

膜分离技术引入到水处理领域，形成了全新的水处理方法，而它与其他技术的结合更对水处理技术的发展产生深远的影响。在饮用水处理中几种常见的膜组合工艺有：膜生物反应器(MBR)、膜混凝反应器(MCR)、活性炭吸附-膜分离组合、臭氧氧化-膜分离组合工艺等。其中膜混凝反应器用膜分离取代了传统工艺中的沉淀、过滤和消毒单元，是膜分离技术与混凝反应的有机结合。混凝反应可使大分子量有机物被混凝剂吸附，形成大而密实的矾花，膜分离作为固液分离单元，可保证出水的浊度和细菌总数达标。它们的结合在简化了处理工艺的同时，更能保证优质而稳定的出水水质。而且具有占地面积小、出水水质稳定和自动化程度高等优点

近几年来膜技术有很大进步，微滤和常规净水工艺的成本已相对接近。膜分离及其与其它工艺(生化处理、活性炭吸附、混凝等)相结合可以去除水中的多种污染物，而且成为降低饮用水处理中出现的消毒副产物(Disinfection By-products，DBPs)的有效手段，因而被大规模用于饮用水的制备，在欧美等发达国家得到了广泛应用。

1987年，在美国科罗拉多州的Keystone诞生了世界上第一座微滤水厂，处理能力为105m³/d，采用孔径为0.2μm的聚丙烯中空纤维膜；1988年在法国的Amoncourt建成第二座膜分离水厂，此后膜分离水厂在全球得到了推广。

与传统的自来水处理工艺相比，膜处理技术具有以下的特点：

(1)高通量：采用中空纤维膜组件，与其他形式膜组件比较，具有更高的有效膜面积。

(2)高出水水质：对原水水质要求低，产水水质高；

(3)膜寿命：较轻的膜污染以及低压的运行条件可减少对膜的损害，增长膜寿命；

(4)减小土建及占地：设备方便改造，不需另外加土建，减少占地；

(5)节省药剂费，由于膜***对微生物构成有效屏障，因此无须连续加消毒剂，节省了药剂费和由此而产生的卤化物副产品，提高水的饮用安全性。

(6)安装维护：装置牢固，安全可靠，价格低廉和容易维护，且膜的安装和更换方便；

(7)自控操作：***高度自动化，操作简单，运行成本低。

但是，为了满足日益提高的水处理技术要求，仍然需要研究开发高效、经济、易于推广的微污染原水处理技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、容易控制、出水质量优良的水处理方法以及设备。

一种膜法饮用水处理设备，其特征在于，包括：

预处理单元、混凝池、膜分离池；

预处理单元中设置粗格栅及Y型管道过滤器等，对原水进行预处理，以防原水中杂质堵塞进水泵及进水水表；

混凝池为机械混凝池，对原水进行混凝；

膜分离池，采用帘式膜组件结构，对原水进行过滤。

本发明的膜法饮用水处理设备还设置有管式静态混合器作为混合设备。

另外，上述混凝池分为4格，分格隔墙上过水孔道上下交错布置，其中前3格设置垂直轴机械搅拌装置，转速逐渐减缓，最后一格为缓冲区。

另外，膜组件采用聚偏氟乙烯中空纤维膜材料，膜孔径为0.22μm；膜池第一阶段平均设计通量为13.4L/m²·h，瞬时设计通量为16.7L/m²·h，单个组件高1.5m，面积20m²。

另外，静态管道混合器之前设置有投加装置，采用FeCl₃作为混凝剂。

混凝之前设置预氯化装置，次氯酸钠投加点与混凝剂三氯化铁投加点位置相同，均放置在静态管道混合器之前，采用计量泵投加；膜分离池设置粉末活性炭投加装置。

另外，膜分离池中设置曝气装置，膜分离池设计气水比为15∶1；曝气管路上安装气体流量计，控制膜分离池实际曝气量。

本发明另外提供一种膜法饮用水处理方法，其特征在于：原水经过预处理单元，投放混凝剂后进入混凝池，混凝处理后的水经过帘式膜组件的组件进行处理。

另外，混凝池分为4格，混凝池总停留时间为20.7min，其中前3格混凝区停留时间共15.5min，最后一格缓冲区停留时间5.2min。

另外，膜池第一阶段平均设计通量为13.4L/m²·h，瞬时设计通量为16.7L/m²·h，单个组件高1.5m，面积20m²；膜池停留时间36min，采用间歇出水的工作方式，每10.0min作为一个工作循环，其中：8.0min出水，2.0min空曝；每日工作时间为23h，空置1.0h。其中空置的1.0h用于混合液静置沉淀、排泥和曝气清洗膜组件；排泥时间可以为1-7天排一次泥。

本发明采用混凝与膜过滤组合的方式处理微污染地表水。其中，膜***以中空纤维帘式膜组件为中心处理单元，配以自清洗单元、加药单元、自控单元、管路和阀门等，形成自动操作***。由于中空纤维膜的孔径可以完全阻止细菌的通过，所以可将处理水中的各种悬浮颗粒、细菌、藻类、COD及有机物均得到有效的去除，保证了出水悬浮物接近零的优良出水水质。

其中膜分离取代了传统工艺中的沉淀、过滤和消毒单元，是膜分离技术与混凝反应的有机结合，工艺流程简单，停留时间短，设备紧凑、运行管理方便。混凝反应可使大分子量有机物被混凝剂吸附，形成大而密实的矾花，膜分离作为固液分离单元，可保证出水的浊度和细菌总数达标。另外可以根据原水水质及运行状况选择在膜分离池中投加粉末活性炭以强化处理效果。它们的结合在简化了处理工艺的同时，更能保证优质而稳定的出水水质。

本发明由于采用浸没式膜过滤，混凝停留时间延长，可以减少膜前混凝反应时间，从而减小混凝反应池体积。同时，混凝停留时间延长，可以充分发挥混凝剂效用，而且膜过滤精度远高于传统沙滤，可以去除更多的水体有机物，因此可以显著减少混凝剂的投加量。与现有的柱式膜相比，水体搅动小，不易造成絮体破碎，一方面COD去除效果好，另一方面，产生的膜污染程度低。

由于采用膜分离方法可以完全去除水体中的各种微生物细菌，只需少量投加杀菌剂以控制膜表面的有机污染，因此无须大量投加杀菌剂，在降低投药成本的同时，减少了水体中消毒副产物的生成。

说明书附图

图1是本发明浸没式帘式膜装置结果示意图；

图2是本发明膜组合装置浊度变化图；

图3是本发明膜组合装置COD_Mn变化图；

图4是本发明膜组合装置UV₂₅₄变化图；

图5是2^#膜池运行过程中TMP变化图；

图6是2^#膜池运行过程中比通量变化图；

图7是两种排泥方式下1^#及2^#膜池运行过程中比通量变化图。

具体实施方式

本发明的膜法饮用水处理工艺设备大致如图1所示，包括：

提升泵、混凝池、膜分离池、清水池。需处理的原水经过提升泵的抽取，经如混凝池。在进入混凝池前，加入混凝剂。混凝处理后的水进入膜分离池进行曝气处理，处理后的水经过清水池后出水。

上面描述的本发明水处理设备的大致结构和处理方法，下面详细描述膜法饮用水处理设备的结构，其包括

(1)预处理单元：

设置粗格栅及Y型管道过滤器等作为预处理，以防原水中杂质堵塞进水泵及进水水表。

(2)混合设备：

进行机械搅拌，使混凝剂在水体中均匀分散。采用设备简单、混合效果好的管式静态混合器混合。

(3)混凝池：

混凝池选用混凝效果好、可适应水质水量变化的机械混凝池。混凝池分为4格，分格隔墙上过水孔道上下交错布置，其中前3格设置垂直轴机械搅拌装置，转速逐渐减缓，最后一格为缓冲区。混凝池总停留时间为20.7min，其中前3格混凝区停留时间共15.5min，最后一格缓冲区停留时间5.2min。混凝池各格之间设置超越管，机械搅拌装置设置速度调节阀以方便后续试验中根据水质、水温调节混凝停留时间及速度梯度。混凝池池底带有坡度并装有排泥阀，利于排泥。混凝池的出水以溢流方式进入膜分离池。

(4)膜分离池：

与采用柱式膜的现有技术相比，本发明采用帘式膜组件结构，并采用高抗污染的聚偏氟乙烯中空纤维膜材料。膜孔径为0.22μm。膜池第一阶段平均设计通量为13.4L/m²·h，瞬时设计通量为16.7L/m²·h，单个组件高1.5m，面积20m²。膜池设计停留时间36min。膜分离池池底带有坡度并装有排泥阀，利于排泥。运行中采用间歇出水的工作方式，每10.0min作为一个工作循环，其中：8.0min出水，2.0min空曝。暂定每日工作时间为23h，空置1.0h。其中空置的1.0h用于混合液静置沉淀、排泥和曝气清洗膜组件。排泥时间可以为1-7天排一次泥。

(5)投加装置：

根据大量实验研究结果，采用价廉、混凝效果较好的FeCl₃作为混凝剂，另外混凝之前设置预氯化装置，强化有机物的去除并减缓膜污染。次氯酸钠投加点与混凝剂三氯化铁投加点位置相同，均放置在静态管道混合器之前采用计量泵投加，两者的投加量均根据原水水质进行混凝实验确定。此外，膜分离池设置粉末活性炭投加装置，根据水质变动情况定量投加。

(6)曝气装置：

膜分离池设计气水比为15∶1。曝气管路上安装气体流量计，控制膜分离池实际曝气量。另外，可以分别采用连续曝气及间歇曝气两种曝气模式。如果采用连续曝气，曝气强度为气水比为10∶1～20∶1。

(7)清洗和收集装置：

对于大型工程设计，可以专门设置膜组件清洗水箱，以便于对个别膜组件进行化学清洗。对排泥过程中的泥水混合液进行收集，应考虑经沉置后的上清液可回至混凝池的可能性。应考虑到污泥的处置问题，配有移动式的污泥收集箱，将产生污泥送于自来水厂的污泥处置地。

(8)自动控制***：

本发明中出水采用变频出水泵，可以保证出水量恒定。另外，在出水管路上安装真空表以监测跨膜压力(TMP)，及时进行膜清洗。此外，进水泵与加药泵之间设置连动控制。出水管路***中安装在线浊度计和电磁阀，监测出水总管的出水浊度，设置报警阈值。有强制控制措施及报警装置。整个运行装置PLC控制，可以设置相应接口与电脑进行有线或无线通讯，动态显示装置运行情况。

根据上述浸没式帘式膜工艺设备的运行结果如下：

(1)实际运行参数：

混凝池混凝时间控制在10min，混凝剂三氯化铁投加量为4mg/L(初步稳定运行后期进行了投加量为2mg/L及6mg/L的对比试验)，预氯化有效氯浓度为1mg/L。膜分离池采用出8min/停2min的运行方式，平均通量为13.4L/m²·h，瞬时通量为16.7L/m²·h。膜分离池采用连续曝气方式运行，气水比为15∶1。膜分离池每日运行23hr，空置1hr，其中空置的1hr用于排泥，采用每日全排的排泥方式，运行过程中水的收率为98％以上。

(2)膜组合中试装置运行结果：

①对于浊度的去除效果：

在给水处理中，监测浊度的意义已超过其本来的含义，有研究表明浊度与COD、UV和毛细色谱峰总面积均呈正相关。降低浊度不仅可以满足感官性状要求，而且对限制水中细菌、病毒和其他有害物质的含量也具有重要意义。试验结果表明(如图2所示)，膜组合装置对浊度去除效果良好，当原水浊度为1.19-5.91NTU时，膜组合装置出水浊度保持在0.05-0.12NTU，并且出水浊度不超过0.1NTU的比率为95.7％。并且结合图2可以看出，膜组合装置出水浊度受原水水质的影响不大。

②对于COD_Mn的去除效果：

试验结果表明，如图4所示，膜组合装置对于COD_Mn具有良好的去除效果，当原水COD_Mn为3.01-4.81mg/L时，膜组合装置的COD_Mn去除率为21.6％-50.9％，出水COD_Mn维持在1.94-2.71mg/L之间，符合《城市供水水质标准》要求。

③对于UV₂₅₄的去除效果：

芳香族化合物或具有共轭双键的有机化合物在波长254nm处有吸收峰，因此UV₂₅₄对于测量水中天然有机物(如腐殖酸等)有重要意义，可作为总有机碳及总三氯甲烷生成能的代用参数；并且UV₂₅₄还与水中三致物质(致癌、致畸、致突变)和消毒副产物(DBPs)前驱物有良好的相关性。膜组合中试装置对于UV₂₅₄的去除效果如图5所示，可以看出，膜组合装置具有良好的UV254去除效果，原水UV₂₅₄为0.041-0.059时，膜组合中试装置对于UV₂₅₄的去除率介于4.1％-33.9％之间，膜出水UV254保持在0.035-0.045之间。

④运行过程中跨膜压差(TMP)及比通量变化

膜组合中试装置运行过程中，12月5日之前1^#-4^#膜池均采用相同的排泥周期及排泥量即每日全排一次。12月5日后，2^#-4^#膜池仍然保持原来的排泥方式，而1^#膜池采用每两日全排一次的排泥方式，定期监测TMP并计算比通量的变化，以对比这两种排泥方式对于膜污染的影响。鉴于2^#、3^#及4^#号膜池运行过程中一直保持相同的排泥方式，并且实测TMP也没有显著的差异，因此下面以2#膜池为例讨论膜组合工艺运行过程中TMP及比通量的变化(如图7和图8所示)。可以看出，运行初期TMP增长较快，在之后的运行中增长速度逐渐减缓，相应的，比通量在运行初期也呈现出一个快速衰减阶段，之后其衰减速率逐渐减缓，至本阶段试验末，比通量由运行初期的25.23L/(h·m²·mH₂O)降至17.73L/(h·m²·mH₂O)，维持在初始比通量的70.3％。试验过程中，膜组件没有进行任何水力或化学清洗，而TMP及比通量呈现出较为稳定的变化趋势，表明膜组合中试装置采用的运行方式能够较为有效地控制膜污染进程。另外，图9为1^#膜池排泥周期变为2天后其比通量变化情况与2^#膜池的比较，可以看出1^#与2^#膜池比通量的衰减速率并没有显著的差异，表明1天或2天的排泥周期对于膜污染没有显著的影响，经过进一步的试验验证后可选用较长的排泥周期。

使用本发明的处理设备，出水水质稳定，能够符合《城市供水水质标准》要求。从比通量衰减情况看采用的运行方式及运行参数能够较为有效地控制膜污染进程。***的收率达98％以上。

Claims (10)

1. 一种膜法饮用水处理设备，其特征在于，包括：

预处理单元、混凝池、膜分离池；

预处理单元中设置粗格栅及Y型管道过滤器等，对原水进行预处理，以防原水中杂质堵塞进水泵及进水水表；

混凝池为机械混凝池，对原水进行混凝；

膜分离池，采用帘式膜组件结构，对原水进行过滤。

2. 根据权利要求1所述的膜法饮用水处理设备，其特征在于：

还设置有管式静态混合器作为混合设备。

3. 根据权利要求1所述的膜法饮用水处理设备，其特征在于：

混凝池分为4格，分格隔墙上过水孔道上下交错布置，其中前3格设置垂直轴机械搅拌装置，转速逐渐减缓，最后一格为缓冲区。

4. 根据权利要求1所述的膜法饮用水处理设备，其特征在于：

膜组件采用聚偏氟乙烯中空纤维膜材料，膜孔径为0.22μm；

膜池第一阶段平均设计通量为13.4L/m²·h，瞬时设计通量为16.7L/m²·h，单个组件高1.5m，面积20m²。

5. 根据权利要求2所述的膜法饮用水处理设备，其特征在于：

静态管道混合器之前设置有投加装置，采用FeCl₃作为混凝剂。

6. 根据权利要求5所述的膜法饮用水处理设备，其特征在于：

混凝之前设置预氯化装置，次氯酸钠投加点与混凝剂三氯化铁投加点位置相同，均放置在静态管道混合器之前，采用计量泵投加；膜分离池设置粉末活性炭投加装置。

7. 根据权利要求1所述的膜法饮用水处理设备，其特征在于：

膜分离池中设置曝气装置，膜分离池设计气水比为15∶1；曝气管路上安装气体流量计，控制膜分离池实际曝气量，曝气强度为气水比为10∶1～20∶1。

8. 一种膜法饮用水处理方法，其特征在于：

原水经过预处理单元，投放混凝剂后进入混凝池，混凝处理后的水经过帘式膜组件的组件进行处理。

9. 根据根据权利要求8所述的膜法饮用水处理方法，其特征在于：

混凝池分为4格，混凝池总停留时间为20.7min，其中前3格混凝区停留时间共15.5min，最后一格缓冲区停留时间5.2min。

10. 根据根据权利要求8所述的膜法饮用水处理方法，其特征在于：

膜池第一阶段平均设计通量为13.4L/m²·h，瞬时设计通量为16.7L/m²·h，单个组件高1.5m，面积20m²；

膜池停留时间36min，采用间歇出水的工作方式，每10.0min作为一个工作循环，其中：8.0min出水，2.0min空曝；

每日工作时间为23h，空置1.0h。其中空置的1.0h用于混合液静置沉淀、排泥和曝气清洗膜组件；

排泥时间可以为1-7天排一次泥。

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