摘 要：通过对长江下游水源进行超滤中试试验，得出适合于该水源的外压式给水超滤运行参数，用于给水厂提标改造，以适应我国人民对饮用水水质、水量的新时期要求。
关键词：超滤；给水超滤；长江下游水源；外压式
1 概况
国家颁布的《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）对现今给水厂提出了新的要求，为克服传统工艺的种种局限，提出给水超滤膜水处理工艺，以适应新标准的要求。以下是对长江下游水源进行超滤中试试验，并取得水厂改造参数的研究过程。
2 材料与方法
2.1 试验装置介绍
本次试验采用的是外压式中空纤维超滤膜中试系统，整个系统集中放置在可移动式集装箱内。膜件为立式结构，采用有加强筋的PVDF 膜丝，且膜丝仅在上端固定，下端可以自由摆动。膜件能够采用反洗和空气擦洗，自由摆动的膜丝使得污染物脱除效果好，不会产生膜丝间的污堵。
2.2 试验工艺流程
如图1所示，将平流沉淀池出水接入超滤膜车间，超滤出水进入清水池。
2.3 试验用膜件的主要参数
中试膜件型号：8寸给水超滤膜组件
安装的膜件数： 1
有效膜面积 （m2）： 49
中试系统出力：
进水量（m3/h）： 2‐6
产水量（m3/h）： 2‐6
清洗循环流量 （m3/h）： 2.5
快冲流量（m3/h）： 等同于进水量设定值
反洗流量（lmh）： 85
进水温度范围 （℃）： 0‐40
最高进水温度（℃）： 43
常规进水压力范围 （bar）： 0.35 – 2.4
最高产水跨膜压差（bar）： 1.7
最高反洗跨膜压差 （bar）： 0.7
完整性测试压力设置 （bar）： 0.7 – 0.8
膜件排水压力 （bar）： 0.9 – 1.0
膜件耐受的PH 范围： 1.8‐10.5
最大余氯接触浓度 （ppm）： 1000
最大空气擦洗量 （Nm3/h）： 21
2.4 试验设备
进水浊度检测仪表：1720E；
出水浊度检测仪表：1720E；
进水水温检测仪表：温度传感器E+H tr10-aka1cas1g2000；
进水流量检测仪表：科隆电磁流量计；
出水流量检测仪表：科隆电磁流量计；
进水压力检测仪表：管道式压力变送器；
出水压力检测仪表：管道式压力变送器；
2.5 试验目的
（1）测试和记录试验超滤膜在各通量条件下的性能参数。
（2）评估出水水质，确保合乎出水要求。
（3）为膜性能的长久稳定性，开发膜维护性/恢复性清洗方案。
（4）用产水渗透性能测试结果来评估恢复性清洗的有效性。
（5）测定不同季节温度下的运行通量和性能。
3 结果与分析
3.1 水质分析
根据2014年《南通某水厂水质检验日报表》，随机提取4月、6月、11月中某天的水质，如表1所示。
（1）与国内其它传统工艺水厂一样，砂滤后水可检测到大肠菌；
（2）超滤膜系统出水无细菌；
（3）出水浊度不受进水浊度波动的影响，恒定在0.1以下。
3.2 恒通量运行时物理清洗对跨膜压差的恢复
运行方式：物理清洗周期30min，每次历时4min。
任取3段反洗周期（2014/3/27，平均水温13.77℃）进行考察，如图2所示。
（1）恒通量84L/（m2.h）运行；
（2）周期内，跨膜压差平均上升约96%；
（3）清洗后跨膜压差恢复，周期之间看不出来有明显上升趋势。
（4）说明该物理清洗周期和历时较适合。
3.3 恒通量运行时维护性清洗对跨膜压差上升的控制
运行方式：维护性清洗周期为一周两次，清洗浓度200mg/L（次氯酸钠），历时45min；
取水温变化不大的时段进行考察（2014年4月18日至2014年5月6日，水温18℃至19℃之间），如图3所示：
（1）恒通量84L/（m2.h）运行；
（2）其间TMP从38kpa上升至41kpa，19日内TMP上升8%；
（3）平均每日TMP上升0.16kpa。
3.4 全试验过程分析
整个试验从2013年08月20日至2014年05月27日，其间2013年11月27日至2014年1月8日按照93L/（m2.h）通量运行，2014年2月18日完成化学清洗，如图4所示：
（1）通量从84L/（m2.h）调整到93L/（m2.h）时运行，TMP上升到44kpa以上，并不断升高，最高达到75.26kpa；
（2）通量从93L/（m2.h）下调到84L/（m2.h）时运行，TMP缓慢下降，但仍在62kpa～72kpa之间；
（3）化学清洗结束后，TMP降低至25.87kpa；
（4）在恒通量运行情况下，暂时停机后开机，TMP将降低，如2013年10月13日的重启和2014年3月25日的重启，但TMP很快恢复上升趋势。
（5）2013年12月26日到2014年3月12日为全年水温最低（10℃左右）的时段，TMP处于高水平（最高75.26kpa），超滤系统仍可正常运行（93L/（m2.h）通量）。
3.5 超滤渗透性能分析
为考察该超滤膜的产水性能，消除水温因素的影响，引入超滤渗透性能参数，对该超滤膜进一步分析。
根据Hagen-Poiseuille定律，对于超滤系统，通量、跨膜压差与水的粘度之间的关系可以用下式表示：
式中： TMP——跨膜压差，KPa；
qc——超滤膜通量，L·m-2·h-1
ε——超滤膜开孔率
r ——超滤膜孔眼直径
τ ——扩散曲率，实际膜孔毛细管长度与膜厚度之比
L——超滤膜有效厚度
μ——水的粘度
对于工程应用来讲，应该考虑膜污染对超滤的影响，引入膜污染系数k；
k——考虑运行过程中的超滤膜污染系数。
即：
式中： TMP——跨膜压差，10KPa；
qc——超滤膜通量，L·m-2·h-1
μ——水的粘度
X——渗透性能，20℃时，超滤膜在1m水头工作压力下的通量值，反应了超滤膜的特性和超滤膜的污染情况。
对于同一超滤膜， X——变化将反应超滤膜污染程度的变化。
如图5所示，对全试验过程进行渗透性能分析：
（1）超滤膜渗透性能与超滤的启停、清洗有直接相关；
（2）2014年2月18日完成化学清洗后，渗透性能恢复到2013年的最高水平40（lmh/10kpa）；
（3）随着超滤系统运行时间的加长，该超滤膜的渗透性能缓慢的下降，化学清洗前，从40（lmh/10kpa）下降到15（lmh/10kpa）（120天），每日平均下降0.21（lmh/10kpa）；
（4）化学清洗后，从渗透性能40（lmh/10kpa）下降到19（lmh/10kpa）（96天），每日平均下降0.22（lmh/10kpa）；
（5）从以上数据可见，化学清洗后渗透性能下降速度加快了5%。
4 小结
（1）该超滤系统在某水厂以84L/（m2.h）通量，正常运行；
（2）该超滤系统物理清洗周期内，跨膜压差平均上升约96%，物理清洗后跨膜压差恢复，周期之间无明显上升趋势；
（3）维护性清洗控制跨膜压差上升速度，恒通量运行条件下平均每日TMP上升约0.16kpa；
（4）水温10℃，TMP 75.26kpa，通量93L/（m2.h）时，超滤系统可正常运行；
（5）该系统化学清洗后渗透性能下降速度加快了5%；
5 结论
（1）通过9个月的试验，考察了不同季节温度下的运行通量和性能。
（2）测试和记录了试验超滤膜在84L/（m2.h）和93L/（m2.h）通量条件下的性能参数。
（3）超滤膜系统出水无细菌，出水浊度恒定在0.1NTU以下且不受进水浊度波动的影响；
（4）物理清洗周期、历时和强度较适合实际情况，运行稳定。
（5）维护性清洗周期为一周两次，清洗浓度200mg/L（次氯酸钠），历时45min，该清洗方案保证了试验在通量84L/（m2.h）下稳定运行。
（6）化学清洗完成后渗透性能恢复到2013年最佳工况，以此判断化学清洗方案行之有效。
（7）该试验已达到预期目的，建议利用以上参数对现有水处理工艺进行技术改造，以满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）各项要求。
作者简介：赵锦辉（1979-），男，江苏南通人，硕士研究生，工程师，研究方向：水环境治理。