Andrew Layson
（西门子Memcor产品部亚洲区总经理，澳大利亚新南威尔州 南温莎市）

         摘 要：目前，欧洲、澳大利亚和新西兰都建造了大型膜法水处理设施，但这些国家的膜过滤应用方式却不同。英国的膜基地主要是将膜与传统的水处理单元相结合，用于深层过滤水的再净化。澳大利亚和新西兰多数水处理设备中的膜都用于直接过滤，成为主要的水处理单元。本文总结了澳大利亚和新西兰膜设备运行的成功经验，并给出英国取得的复杂成分水源处理研究工作总结。
         关键词：膜过滤  水处理

0  引言
         英国和澳大利亚的膜过滤装置应用方式的不同：
         英国的膜过滤装置主要用于再净化工艺。它的进水是高品质的地表水，或者是传统设备处理过的水（不包括介质过滤）。膜过滤系统作为再净化工序对水进行处理。
         澳大利亚和新西兰把大部分的膜过滤装置作为水处理工艺中的主要处理环节，利用膜对进水进行直接过滤。流经这些地区的水遭受了各种浓度和类型的污染，如蓝绿藻类、各种高浓度胶体物质、铁、锰、颜色、致臭物等。
         实施膜过滤系统工程要面对双重任务，即膜处理最佳工艺方案的选择以及设备和设备运行方式的设计。下面将对上述问题以及欧洲、澳大利亚和新西兰膜过滤水处理工程的经验进行讨论。

1  污染物和工艺相关问题
1.1 浊度
         浊度是任何水处理系统都需要考虑的首要关键设计参数。膜过滤系统去除悬浮固体的机理与传统水处理系统有很大不同：
         滤膜可以阻隔各种固体物质在膜表面形成滤饼后除去。
         介质过滤器通过滤床将固体物质除去，这种去除方式主要依赖于引力作用而非捕捉效果。
         澄清池分离固体物质时则需要投入化学试剂，在固体物质形成大团絮状物后利用重力对其进行分离。
         进水水体具有峰值是很多水处理厂主要进水水体的特性。在这些膜过滤装置中，污染物在正常条件下浓度很低，但却会在短期内（通常为1～5d）以1个或1个以上的数量级的速度上升。这些问题是由于雨后河水泛滥引起的，它们对膜的反冲洗和清洗会产生短期影响。
         虽然膜的进水阻隔作用使得滤水的水质稳定，但是膜的结垢率却明显升高，从而导致了膜的恢复期、清洗和反冲洗的时间间隔缩短。因此客户和膜过滤系统供货商面临两个关键问题：一是作为基础设计条件的峰值运行的时间是多长？二是在峰值处理过程中能够接受的设备性能降低程度是多大？
         答案并不是显而易见的，但对峰值运行的频率，持续时间和范围的了解，对于确定膜的总数量与设备适应性的正确平衡关系是非常重要的。一些客户采用不同的进水处理模式，从而优化了膜的数量和运行成本。新西兰陶兰加市安装了一台产水量为33万m3/d的膜过滤设备，它可以实现4种运行模式，见表1。

                                                                   表1  Oropi WRP 运行模式介绍

         设备在峰值运行时，运行模式的转换由设备控制系统自动完成，操作人员无须手动更改设备设置。实现了资本和运行成本最小化。
1.2 絮凝剂
         在去除水体中的颗粒物时，膜设备中所添加的絮凝剂的使用方法和作用都与传统的设备不同。正常条件下，膜过滤系统中絮凝剂的加药量低于它在澄清单元的加药量。  
         低剂量的絮凝剂提高了积累在膜表面的滤饼的渗透性能，同时除去了能够引起结垢的有机物，从而提高了膜的性能，显示出良好的效果。在苏格兰Invercannie WTW 进行的测试中，后者对膜性能的影响非常明显。
         Invercannie是产水量70万m³/d的水处理设备，它在使用膜过滤系统去除水中隐孢子虫之前，对进水进行了臭氧和慢砂滤处理。尽管膜过滤系统的进水中的悬浮固体含量非常低，但膜表面还是会结垢。而这种现象是由无法被砂滤器去除的可溶有机物造成的，它的浓度可达7 mg/L，见表2。

                                                                    表2  Invercannie的水质指标

         调查研究内容包括将臭氧/沙滤器替换为聚合三氯化铝（PACl）加料系统，水在聚合三氯化铝加料系统中的接触时间为15min，然后进入膜系统，图1显示出膜设备的跨膜压差（TMP）变化，进水色度范围由20～40HCU至100HCU以上，PACl投加系统与在线色度检测设备相连接，自动控制PACl的加药量。 
         由于记录一中过滤水的色度无法保持在10HCV以下，导致TMP迅速升高。为降低水体色度，向系统中投加絮凝剂，其浓度增大了35%。同时膜的日常维护清洗方式由次氯酸钠清洗转换为硫酸清洗，以处理水中高浓度的铝盐絮凝体。结果如图1中的第二组曲线所示。在第一个色度记录中，由于絮凝剂的量不足，水体中的有机物无法得到完全处理，膜设备出现结垢现象。尽管在第二个色度记录中，进水的色度范围大于第一种情况，但膜设备的结垢水平能够保持在最低状态。

图1  絮凝剂的投加量对膜的结垢的影响

         除有无絮凝剂存在的条件外，絮凝剂的种类对膜性能的影响也非常大。有些生产商把某些絮凝剂作为等同的产品进行销售，但这些絮凝剂的性能却大有不同。图2显示出了在加入不同絮凝剂后，PP（聚丙烯）膜对低温有色水的处理效果。表3列举出了水的相关指标。

图2  絮凝剂种类对膜性能的影响

                                                                          表3　Dunedin原水指标

         同时，絮凝剂对膜性能的影响也会受到pH值的干扰。如图3所示，在对英格兰北部丘陵地区的地表水进行处理时，膜阻力在投入铁盐絮凝剂后不断上升。表4列出了水质指标。

图3  pH值对跨膜压差（TMP）变化率的影响

                                                                         表4   Arnfield原水水质指标

        在将进水池中的固体累积物清除干净后，膜的TMP上升率低于水体的pH值为4.5时的TMP上升率。
         两种条件下膜的性能不同，这可能是由于在低pH条件下，水中的絮凝体在膜表面更加紧密地附着在一起形成了特殊的滤饼，从而导致了膜阻力的大幅上升。pH值也会对其它的絮凝剂产生类似的影响。研究发现，在自来水中加入腐植酸后，再向其加入聚合三氯化铝絮凝剂，最后显示出的效果也类似。分别在pH6.75及pH5.5的条件下进行凝聚处理，在前者处理条件下的膜的结垢率要低于后者。研究还发现pH值的改变对于有机物 （主要是腐植酸） 的去除没有影响，pH值的改变导致了不同的特殊滤饼阻力的产生而非导致膜表面不同厚度的有机结垢的产生。
1.3 藻类
         膜过滤系统可以有效的去除藻类。然而，藻类对于膜过滤设备的影响是非常大的。藻类会在膜表面形成非渗透性的滤饼，从而导致了膜设备的运行压力和反冲洗频率升高。这种现象在英国Ennerdale地区的产水量为59万m³/d 的膜过滤设备中表现的特别明显。
         Ennerdale设备的进水是品质很好的地表水，但是在夏季，藻类会在这些地表水中爆发。而化学清洗可以完全消除这种结垢。
         虽然英国和欧洲的水处理厂已经把藻类问题作为基本的设计因素考虑进去，但效果仍然不理想，而在澳大利亚，藻类对进水的污染范围比欧洲还要高出几个数量级。
         澳大利亚先进的饮用水处理厂采用膜过滤系统作为多单元处理的一部分，并利用膜过滤系统解决这些由大量藻类造成的问题。Bendigo 的Aqua2000工程就是一个很好的例子。这个水处理厂（126万m³/d）在水体进入接触池和膜过滤系统之前，在保持pH值一定的条件下向进水中加入了少量的絮凝剂。
         过滤产水在进入配水系统之前，要经过臭氧和生物活性炭（BAC）处理，用于破坏水中的有机化合物。其它装置则是在进水污染期内，向水中加入粉状活性炭（PAC），以此来降低运行成本。此外，膜系统允许进水中加入PAC，因此简化了水处理工艺。
1.4 铁和锰
         膜过滤系统可以除去进水中的不溶污染物（溶解在水中的污染物无法除去）。因此，铁和锰只有在形成不溶于水的化合物之后，才可以被膜过滤系统成功除去。
         在这两种金属中，铁比较容易除去。去除铁的预处理过程包括通风，pH调整以及可能需要的氧化过程，如次氯酸钠氧化。但如果进水中的铁是源自长期累积的污垢时，就必须对膜系统进行定期的维护清洗。
         锰却不像铁那样简单，即使是在pH值很高的条件下，锰与氧的反应仍很缓慢，甚至在加入次氯酸钠之后也毫无作用。在这种情况下，可以向反应系统中加入强氧化剂，如臭氧，二氧化氯或者高锰酸钾。如果水处理厂已经安装了臭氧设备并正在用于其它的处理过程，这时可以使用臭氧来氧化水中的锰。如果锰的浓度较低，可以采用浓度为 0.4mg/L的二氧化氯对锰进行氧化。即使高锰酸钾分解时会产生含锰固体物质（占水合锰氧化物的67%），但它仍然是氧化水中高浓度锰的最佳选择。在英国，二氧化碳的规定使用浓度极限时候0.5mg/L，因此无法达到氧化此类水体中的需要使用浓度，从而无法成功地去除水中的锰，同时氧化过程的反应速率也值得怀疑。使用KMnO4可将水中的Mn含量降低至20ug/L以下，水体在到达絮凝剂加料点之前，要在pH值为8的条件下停留10min。水体在通过絮凝剂加料点之后，在pH值为6.5～7的条件下再停留10min。采用的絮凝剂为PACl，加药量以Al计为1mg/L。处理水的色度始终在5HCU以下。高锰酸钾分解产生的固体物质必须通过膜过滤除去，否则会将水体染成粉色。 
         膜过滤处理过程的关键因素就是要避免氧化或沉淀现象在膜的表面或内部发生。例如，高锰酸钾的反应时间可能为5min，但如果高锰酸钾形成了有机络合物，则需要20min的反应时间。当锰的初始浓度低于200μg/L时，这种现象更加显著。在有机物浓度很高的情况下，不能使用高锰酸钾作为锰的氧化剂。氧化剂和絮凝剂还可能会互相干扰，絮凝剂对pH值有抑制作用从而降低了锰的氧化速度。但这对于游离的锰来说不是问题，通常只需5min，它就可以反应完全。当游离锰为络合状态时，应尽量提前锰的氧化过程，然后再向水中加入絮凝剂。 
        这些影响可以从英国西南部的Banwell的水处理设备（30万m³/d）的设计中体现出来。这套设备除膜过滤系统外，还带有高锰酸钾加料器，絮凝剂加料器，pH控制器和用于处理进水色度，高浓度锰和藻类的2段停留处理单元。
         实际的设计过程和方法要根据当地进水水源的种类和属性，通过中试试验来确定，这样保证了设计的正确性，同时，降低了工程的成本和风险。

2  结论
         膜对微生物和颗粒物有完全的阻隔性，因此它的产水水质一致，并与许多参数无关。
         在设计膜过滤系统时，一定要对进水中污染物的种类进行认真考虑。除进水浊度突然出现峰值的情况外，膜过滤系统可以产出水质稳定的过滤水，但进水峰值问题为水处理设备的选择标准提出了新的设计议题。合理的膜设备设计要满足在正常的运行期内，化学品消耗量较低，恢复性能较高，同时还要允许在低于峰值运行期5％的时间内，设备的吞吐量以及与运行成本相关的参数有一定幅度的改变。
         在膜过滤系统加入低剂量絮凝剂对膜的运行有很大的益处，但要正确选择絮凝剂的种类。同时，投加絮凝剂时水体的pH值对膜的结垢率和处理效率有很大的影响。膜设备与其它处理单元联合，可以有效去除藻类。
         当铁和锰以不溶于水的形式存在时，膜设备可将它们除去。必须设计出预处理系统，从而确保水在进入膜设备之前，水中的金属能够完全沉淀下来。