膜过滤技术在市政给水领域的定位与前景?
发布时间:2016-09-12

  近年来膜技术在市政给水领域的应用越发得到关注。产品标准、设计规范的相继出台也引发了同行的遐想:膜技术在未来市政给水领域究竟应当如何定位呢?邀请到《城镇给水膜处理技术规程》(报批稿)主编之一——上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司王如华副总工程师,解读该规程的编制宗旨和主要内容,共同来探讨膜技术在市政给水领域的应用前景。

  王如华

  教授级高级工程师从事城市供水工程规划、设计、咨询和科研工作,获得国家和上海市优秀设计和咨询奖以及上海市科技进步奖十多项,主持和参与了部分国家及行业标准规范的修订或制订,以及专业设计手册的编著。2009年荣获“享受国务院特殊津贴专家”的称号,2014年获上海市领军人才称号。

  水源污染日益严重的现实与人们对饮用水水质要求的不断提高,对提升市政给水处理工艺的能力提出了新的挑战,也呼唤着新技术能尽早出现并付之应用。膜技术作为近年来在国内被广泛研究和应用的新技术,得到了大量的关注,膜产品、膜工艺的规范化也是相关技术人员不断努力的方向。随着《城镇给水膜处理技术规程》(报批稿)的报批,膜技术的应用进入了一个新时代,客观评价膜技术在市政给水领域中的定位,对有效引导膜技术应用的有序发展具有非常重要的意义。

  1、膜技术在市政给水领域的应用发展

  1.1膜技术的特征及适用范围

  从本质上讲,膜分离技术是物理形式上的物相分离,主要利用膜的选择分离特性滤除水体中的杂质。根据膜孔径从大到小的排列,膜过滤一般可分为微滤、超滤、纳滤和反渗透4种。

  微滤、超滤技术具有共同的优势,即处理过程中无副产物、易于自动化控制、pH适用范围广、能有效去除病毒、细菌、寄生虫以及减少消毒剂用量等,在市政给水领域已经受到了普遍的关注和应用,在与其他合适的工艺有机组合后,微滤、超滤膜在市政给水处理中也适用于微污染水源的净化处理,且出水水质优异。除此以外,经微滤尤其超滤膜处理后,饮用水的微生物安全大为提高。

  纳滤技术除了具有上述微滤、超滤膜的优点外,还对消毒副产物前体物有很好的去除效果,可减少消毒副产物的形成。纳滤相对微滤和超滤具有一定的去除原水中BDOC的能力,可进一步提高饮用水的化学安全性。然而纳滤膜产水率相对较低,工作压力较微滤和超滤较大,在市政给水领域的应用还会受到经济合理性的约束。

  反渗透膜则因为更精细的孔径,水中许多物质(包括离子)都无法通过反渗透膜,可制取近乎纯水。但反渗透膜普遍适用于海水和苦咸水脱盐及降低硬度、受重金属和核素污染水源的处理以及有特殊水质要求的工业水处理领域,对市政给水领域缺乏普遍应用的经济性。

  因此,结合市政给水领域的实际特点,综合考虑处理能力、工程造价和运行经济合理性等因素,普遍认为微滤膜、超滤膜是比较适用于市政给水领域的膜处理技术。

  1.2微/超滤膜技术在市政给水领域的应用发展

  膜过滤技术因其能够将细菌、病毒、“两虫”、藻类、水生生物等几乎全部去除,被认为是目前保障饮用水微生物安全的最有效技术。早在1987年,美国科罗拉多州的Keystonecolo建成了世界上第一座膜分离净水厂,规模为105m3/d,采用的是孔径为0.2μm的外压式中空纤维聚丙烯微滤膜。此后,为了解决饮水中难以用氯杀灭的杆菌芽孢问题,并为了有效去除原水中的隐孢子虫,新西兰和美国又相继建成了规模为3.6*104m3/d和5.5*104m3/d的微滤膜技术水厂。

  随着膜材料制备和膜产品制造工艺的不断提高,膜过滤性能也得到了多次革新,国内对超滤膜工艺也展开了大量研究。尽管超滤膜工艺对日常维护及管理的要求较高,但能切实提高供水的生物安全性和应急能力,保障居民的饮用水安全。近年来,我国自主设计建造的超滤膜水厂相继建成和投运,制水规模较大的包括杭州清泰水厂(30*104m3/d,压力式)、台湾高雄拷潭高级净水厂(30*104m3/d,压力式)、宁波江东水厂(20*104m3/d,浸没式)和东营南郊水厂(20*104m3/d,浸没式)等,上述水厂通过实践运行发现:出厂水水质均可满足国家标准要求,对生物安全性的保障效果尤其突出。

  在对超滤膜技术不断的探索和应用中,包括业主、设计单位、供应商都逐步意识到了对膜技术进行规范的必要性,针对不同膜产品质量的标准陆续出台。与常规水处理工艺相比,膜技术在市政给水领域的应用仍属一项新技术,其在工程中的应用缺乏可借鉴的经验和可参照的规范,膜产品的标准体系尚未形成,实际应用中积累的经验和总结也较少。为尽早规范膜处理技术在市政给水领域的有序应用,作为规范与参考性指导性文件,《城镇给水膜处理技术规程》的出台成为了行业发展的必然需求。

  2、规程编制的原则与意义

  2.1规程编制原则

  (1)指导性

  膜技术在国际上没有统一的标准,作为饮用水处理中的新技术,必然需要通过大量的实践和总结来获取具有通用性、指导性的经验和依据。在总结了诸多国内外水厂膜技术应用的经验教训后,最终将公认为是合理的、安全的技术参数编制成此技术规程,为更广泛的工程应用提供有力依据和指导作用。

  (2)公平性

  本技术规程是在充分调研了国内、外膜产品及应用案例的基础上,对公认为合理的技术参数进行归纳总结。因此,这不仅仅是基于某些膜产品的规程,而是针对整个饮用水膜处理技术的设计和使用规程,充分确保了规程编制的公平性。

  (3)规范性

  在人类饮用水处理100多年的历史中,传统的混凝、过滤、沉淀工艺虽然能够满足大部分的水质要求,但随着水源污染加剧、饮用水微生物风险的提升,膜技术才逐渐被应用到公共供水领域。由此可见,膜产品的质量直接决定了其应对原水中生物风险的能力,规程的编制也旨在通过应用更科学、更规范的定义与依据,来引导膜产品的生产、检验和评价,提高膜产品的可靠性。

  2.2规程编制意义

  (1)客观评价膜技术的作用

  饮用水安全与人体健康息息相关,城市饮用水系统包括水源地系统和城市供水系统两大部分,其中,城市供水系统保证了公共供水安全和城市经济社会系统的正常运行。在判断膜技术的应用价值时,普遍存在两种观点:一种为非必要观点,认为中国人传统的“煮沸饮水习惯”能保证饮用水的生物安全性,膜技术的应用价值无法得到有效体现;另一种为必要观点,认为生活饮用水的生物风险并不仅仅体现在入口饮水中,日常的洗浴、生活清洁等用水环节同样可能带来生物安全问题,因此有必要应用膜技术来提高饮用水的公共安全性。

  本规程的编制目的在于客观评价膜技术的作用与价值,既不夸大膜技术的应用效果,也不片面地将我国居民饮水习惯作为判断某项技术应用与否的参考依据。从全面提升市政供水的安全性角度来看,膜技术对饮水安全的保障具有显著价值,特别是在不少发达地区已逐步开始酝酿建立城市直饮水系统的规划的背景下,膜技术作为市政饮用水生物安全性的保障确有其空间和价值。与此同时,也呼吁行业主管部门从公共卫生健康角度出发,客观分析我国饮用水与公共卫生健康之间的因果关联,以此为基础制定标准,从而科学引导水质控制指标的合理制定和水厂工艺的选择。

  (2)提升膜产品技术指标的可信度

  目前众多膜厂家生产的膜产品型号不同,其性能也各不一致,孔径及其分布是评价膜性能的重要指标之一。但是,由于膜孔径的分布呈现正态分布的特点,对于膜孔径的精确测量也缺乏有效的技术手段,不同的孔径分布规律就有可能使膜的性能产生较大的误差。

  为了提高膜产品的稳定性,提高技术指标的可信度,本规程以国际上普遍认可的方法,用平均孔和截留分子量分别作为界定微滤和超滤截留性能的判断依据,解决了微滤和超滤定义界限模糊问题,规范了两者的定义。因此,编制本技术规程也是旨在对膜产品的技术指标提出明确规定、提高膜产品稳定性、追求更高性价比、降低膜使用成本。

  (3)引导膜组件集约化、模块化

  技术规程的编制旨在引导膜组件的集约化和模块化。有效集约化和模块化的产品能使膜工艺车间的布局更为紧凑,对节约水厂用地、方便安装维护有重要意义。常见的模块化设计内容还应包括膜系统的开机、待机、膜在线清洗/离线清洗、恢复运行等,在实际应用中,模块化更便于工程运行管理和自动控制,能大大减少人力投入和运行成本。

  3、膜技术的定位于前景

  3.1膜技术是现有工艺的补充选项

  需要认识到的是,应将膜技术定位于提高生物安全性的有效手段,只是对现有市政给水领域水处理技术的一个补充选项。我国目前的水质问题较多的是溶解性有机污染物,其最实用的解决办法仍然是臭氧-活性炭技术,确切地说,膜技术是现有常规处理工艺一种更高级和安全的替代工艺或有效补充,也是一项可以弥补臭氧—活性炭工艺生物安全弱点的工艺,但并不会替代臭氧—活性炭工艺。

  通过现有的工程实践证明:膜分离技术易于模块化、可实现自动控制、能有效去除悬浮颗粒、胶体、浊度和细菌,替代现有常规处理工艺后可释放一定的土地和空间。对于需要进一步提升生物安全性或用于土地紧缺的水厂提标改造方面,具有较大的应用价值,也可作为相关水厂饮用水安全的进一步保障手段。

  3.2强化社会对膜技术的接纳度

  早在20世纪80年代,第一座微滤膜净水厂和超滤膜净水厂分别在美国和法国诞生,而我国第一座具有一定规模城镇超滤膜水厂直至2010年才在山东东营正式投入运行。造成这一现象的原因一方面在于社会经济的发展水平差异,另一方面还在于社会的需求与认可度。

  在我国,有关方面应做好市政给水知识的科普工作,帮助百姓认识到不同水厂工艺的作用和对提高饮用水安全的价值,特别是采用膜工艺和提高生物安全性方面的直接因果关联。在条件允许的地区,通过膜技术的应用,逐步推行直饮水系统的试点,发挥膜技术的优势。除此以外,膜工艺的设计也应当率先做好详细的技术评估,因地制宜,聚焦当地饮用水的核心问题寻找解决方案,才能充分发挥膜分离技术在水厂中的作用。

  3.3提高膜产品的核心竞争力

  随着膜市场的迅速扩大和膜技术在处理中的应用推广,各国纷纷投入大量人力、物力进行相关研究,以期望在日益发展的膜市场中占据有利位置。我国在这方面起步比较晚,虽然也取得了一些成绩,不少国内厂家的膜产品也已达到了较高的质量水平,但是核心的成膜工艺不少还是来自国外、膜原材料不少也采用进口,导致膜的使用成本较高,制约了膜技术的推广。由此可见,我国在提高膜产品的核心竞争力方面还任重道远。

  讨论

  王旭亮:国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所工程师

  膜技术作为一种新兴技术,凭借其优势广泛地应用于水处理工程上,尤其是超/微滤膜技术在市政给水领域带来巨大的经济、社会效益。然而,随着膜材料制备和膜产品制造工艺的不断提高,加之膜产业准入门槛比较低,越来越多的企业加入到膜产业中来,导致目前市场上膜产品质量良莠不齐。膜产品质量的优劣直接影响工程应用上产水质量的好坏,纵观2010、2011和2015年3次的国家膜产品质量监督抽查结果,反渗透膜元件质量的波动较大,2010年的合格率为57%,2015年上升至83.3%,主要不合格项目是脱盐率和密封泄漏点,超滤膜组件产品质量也整体上升,由2010年的50%上升至2015年的79.3%,但合格率仍较低,主要不合格项目是完整性和截留率。在膜产品质量国抽任务中,我们主要发现3方面的问题:1、部分企业对国抽不了解、不信任、不重视;2、一些企业无标生产或有标不执行;3、标准滞后于行业发展,膜技术标准体系有待建立完善。因此,对未来我国膜产品质量发展有3点建议:1、完善膜技术标准体系,标准是进行膜产品质量监督检验的依据,现有标准还不能满足膜产品检验检测的需要,为保证分离膜用于饮用水等方面的健康安全应制定相应的强制标准,随着《城镇给水膜处理技术规程》的报批,对有效引导膜技术应用的有序发展具有非常重要的意义;2、加强分离膜产品质量监管,常态化进行国家膜产品质量监督抽查,实行市场准入,规范市场秩序;3、提高分离膜产品质量意识,促进企业膜产品质量的提高。

  周文琪:上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司工程师

  超滤工艺作为21世纪的水处理技术,凭借其在提升水质、节约用地、降低运行成本方面的优势,在给水处理领域得到了日益广泛的应用和推广,具体表现在:1)在水源水质良好的地区,超滤可替代砂滤,缩短水处理工艺流程;2)在用地紧张的老水厂升级改造中,可利用现有沉淀池的部分空间,增加超滤处理工艺,在节约用地的同时实现工艺升级;3)超滤工艺可配置在臭氧生物活性炭之后,防止活性炭滤池微生物穿透,保障出水微生物安全;4)在北方水资源缺乏地区,可回用处理砂滤反冲洗水,提高原水利用率;5)因地制宜,采用虹吸产水与抽吸泵产水相结合的工艺设计,节约经济成本。然而,由于我国水源水质复杂,超滤膜工艺不可能解决饮用水安全的所有问题,需要根据当地水源水质特点,因地制宜,使得超滤膜工艺与其它水处理工艺有机结合,有针对性的解决水质问题,保障饮用水安全。

  陈杰:海南立昇净水科技实业有限公司总经理助理,工学博士,高级工程师

  超滤膜技术作为第三代城市饮用水工艺,能有效去除细菌、病毒、藻类,保障饮用水的微生物安全,同时大幅降低消毒副产物风险,节省絮凝剂的投加量,是绿色安全的饮用水处理技术。超滤膜技术在市政自来水厂中应用时,可以针对不同的原水水质情况、占地情况、出水水质要求等综合考虑,与传统工艺进行灵活的组合应用,有效节省投资成本和占地。超滤膜技术不论对新建深度处理工艺水厂还是老水厂改造深度处理工艺均是水厂提质增效的较佳选择。

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