徐振峰，陳文松，黎錢波，程永康，樊丞越,*，劉宏遠

(1.浙江工業(yè)大學土木工程學院，浙江杭州 310023；2.天健水務集團<杭州>有限公司，浙江杭州 310020)

隨著國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的不斷推進，因地制宜選擇合適的處理工藝，解決潛在供水危機的要求迫在眉睫。2018年浙江省實施《浙江省農(nóng)村飲用水達標提標行動計劃(2018—2020年)》，旨在實現(xiàn)城鄉(xiāng)同質(zhì)、同標、同服務供水。然而受限于復雜的地形條件，浙江省西南山區(qū)與東部海島分布大量小規(guī)模的自然村落[1]，人口少，地形險峻，難以集中供水；另一方面，浙江省工業(yè)農(nóng)業(yè)活動曾造成的環(huán)境污染始終對水環(huán)境有極大影響[2-3]；此外，浙江省夏秋季臺風、梅雨期暴雨頻發(fā)，季節(jié)性豐、枯水變化常致農(nóng)村水源水質(zhì)大幅波動[4]。至2020年末，浙江省農(nóng)村地區(qū)建有集中式農(nóng)村供水工程10 422處，總供水規(guī)模為2 767.00萬m3/d，自來水普及率達到99.7%，供水設(shè)施服務人口和供水水質(zhì)均有極大提升。然而仍有463.23萬農(nóng)村人民僅由小規(guī)模的單村供水站供水，存在部分供水站水源條件差、智慧化管理水平不足、成本水價遠超實收水價而難以維持長效運行等一系列問題[5]。因此，如何實現(xiàn)浙江省農(nóng)村飲水安全穩(wěn)定仍是當今熱點問題之一。

本文分析了浙江省農(nóng)村地區(qū)供水特點，對陶瓷膜過濾機理、工藝發(fā)展進行綜述，以小規(guī)模單村供水為研究對象，總結(jié)研究了陶瓷膜在浙江省農(nóng)村地區(qū)的應用情況，進而提出進一步推廣應用陶瓷膜的相關(guān)建議，旨在為陶瓷膜技術(shù)在更大范圍的應用提供借鑒和參考。

1 浙江省農(nóng)村供水特點

浙江省具有復雜地形特征，且以溫和、濕潤、多雨為主要氣候特征。西南部多有海拔達千米的山地，中部地區(qū)為丘陵、盆地，東北部為平原地區(qū)[1]。降雨量時空分布不均、生產(chǎn)活動導致的水體污染風險廣泛存在，使得浙江省農(nóng)村供水條件表現(xiàn)出明顯時空差異。

1.1 水源特點

(1)水體污染風險依舊嚴峻

浙江省河網(wǎng)密布，水資源豐富，水源水質(zhì)整體較好[17]。但曾發(fā)生多起水環(huán)境污染事件[3]，伴隨著城市建設(shè)、農(nóng)業(yè)污染，可能導致污染物在河網(wǎng)、土壤中的遷移和富集。根據(jù)李欣紅等[18]的研究，浙江省農(nóng)田土壤中多環(huán)芳烴廣泛存在；陳文軒等[19]發(fā)現(xiàn)，浙江省農(nóng)田土壤中Zn、Hg、Pb等重金屬富集程度較高；此外，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市生活污水排放曾導致多個水系發(fā)生富營養(yǎng)化現(xiàn)象[17,20]，均對飲用安全造成很大風險。

(2)水源水質(zhì)水量季節(jié)性波動大，存在時空差異性

浙江省地處中國東南沿海地區(qū)，兼有春夏之交梅雨綿綿、夏季臺風頻發(fā)、冬季晴冷少雨的氣候特點，年降雨集中在6月—8月，自西南向東北遞減，表現(xiàn)為山區(qū)大于平原、沿海山地大于盆地[21]，因此，形成水資源空間賦存不均的狀況。同時，臺風、暴雨頻發(fā)，常伴有山洪、泥石流等次生災害[22]，均可能造成劇烈的水源水質(zhì)、水量波動。

由于浙江省農(nóng)村地區(qū)水源主要為山塘、河流、泉水以及山溪等，相比中大型水庫在水量、水質(zhì)方面受季節(jié)更替影響更為敏感。當發(fā)生短歷時強降雨，河流及溪流徑流量增大，但難以存儲和取用，并易造成水體渾濁度上升、土壤中有機污染物和重金屬釋放。而山區(qū)及東部海島地區(qū)存在取水點至供水工程間高差大的情況，需根據(jù)處理工藝對原水提升或泄壓，造成額外的成本。此外，逢冬季枯水，低溫可能引發(fā)水源氨氮[23]超標，均會對水源水質(zhì)造成嚴重威脅。

1.2 供水工程特性

根據(jù)供水規(guī)模和管網(wǎng)布設(shè)方式，浙江省農(nóng)村供水工程可分為3類：城市市政管網(wǎng)延伸供水、聯(lián)村供水以及單村供水站。其中，前兩類供水多適用于人口密度高的農(nóng)村地區(qū)，而單村供水站則適用于人口密度低且難以建設(shè)大型供水工程的地區(qū)。

(1)城市市政管網(wǎng)延伸供水與聯(lián)村供水

這兩類供水工程多分布在浙江省中部、東北部低山以及杭嘉湖、寧紹平原等浙江省主要農(nóng)耕區(qū)域[24]，這類地區(qū)大型市政管網(wǎng)敷設(shè)及輸配水工程相對完善，供水規(guī)?？蛇_數(shù)千～數(shù)十萬m3/d，具備采用市政工程大中型供水工程的條件，其工程建設(shè)和運行成本與城市大中型水廠別無二致。鑒于水源微污染廣泛存在[25]，主要為常規(guī)工藝，并根據(jù)原水水質(zhì)特點結(jié)合深度處理。常規(guī)工藝主要依靠人工管理，而隨著智慧水務[26-27]等技術(shù)的推廣應用，人工管理結(jié)合自動化控制，以及遠程運維的運營模式已在浙江省農(nóng)村地區(qū)逐步推進。

(2)單村供水站

浙江省西南山區(qū)的中部丘陵以及東部海島地區(qū)分布著大量自然村，受限于地形條件影響，村落人口較少且居住分散，村鎮(zhèn)之間交通聯(lián)系較差，因此，供水工程多為單村供水站形式，覆蓋人口僅數(shù)十～數(shù)百人。目前，供水站制水工藝以一體化常規(guī)處理設(shè)備為主，其占地面積小、簡便實用，但存在工藝流程失宜甚至無處理直接供水的情況，根據(jù)陳媛等[28]的研究，2017年浙江省農(nóng)村地區(qū)采用常規(guī)工藝的水廠占僅總數(shù)的61.43%，經(jīng)消毒后仍有10.34%未達到《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)。此外常規(guī)工藝對進水水質(zhì)有較高要求，面對水質(zhì)大幅波動時處理效果并不理想。常規(guī)處理工藝需要人工管理，而在規(guī)模小、標準低、欠發(fā)達的山區(qū)丘陵區(qū)域往往缺少足夠的專職人員，難以滿足供水工程日常維護和安全供水的要求[5]。

以陶瓷膜技術(shù)為核心的一體化處理設(shè)備已在浙江省農(nóng)村地區(qū)逐步推廣應用，因膜組件體積較小、出水水質(zhì)穩(wěn)定，在結(jié)合適當?shù)念A處理工藝下，可有效降低膜組件負荷，進而實現(xiàn)成本控制和穩(wěn)定出水水質(zhì)。目前，采用陶瓷膜組件供水站的主要運維方式主要為全自動運行結(jié)合遠程控制的集中運維方式，可減少因缺乏人工或人為錯誤操作導致的供水事故，并相應降低成本，更適合人口少、供水規(guī)模小的農(nóng)村地區(qū)。相比常規(guī)工藝，陶瓷膜組件成本更高，但其出水水質(zhì)穩(wěn)定、人工成本較低；而相較于采用有機膜組件的一體化設(shè)備，其在相同規(guī)模上雖建設(shè)成本更高，但良好運行狀態(tài)下膜組件壽命可達有機膜的2～3倍(表1)，因而在遠期運行成本上并無劣勢。

表1 浙江省農(nóng)村供水站成本Tab.1 Construction and Operation Costs of Rural Water Supply Stations in Zhejiang Province

2 陶瓷膜技術(shù)研究進展

2.1 陶瓷膜的過濾原理

目前，常見的陶瓷膜材料主要有Al2O3、ZrO2、TiO2等金屬氧化物，以及新興的堇青石、SiC和Si3N4等無機材料[6]。根據(jù)膜過濾精度，可分為微濾(microfiltration，MF，平均孔徑為0.1～10 μm)、超濾(ultrafiltration，UF，平均孔徑為2～100 nm)、納濾(nanofiltration，NF，平均孔徑為0.1～2 nm)和反滲透(reverse osmosis，RO，平均孔徑<1 nm)[7-8]。其中，給水處理中MF、UF陶瓷膜最為常用，可去除原水中顆粒物、膠體、微生物和大分子有機物等污染物。

陶瓷膜截留污染物的機理與有機膜類似，主要有4個方面(圖1)。(1)機械截留。原水中粒徑大于膜孔徑的總懸浮固體、渾濁度、細菌和藻類等污染物截留在膜表面。(2)吸附作用。依靠分子間作用力、靜電力以及化學鍵力等作用，將粒徑小于膜孔的污染物吸附在膜表面或膜孔內(nèi)，實現(xiàn)污染物的截留。(3)架橋作用。污染物在膜表面或膜孔內(nèi)橋聯(lián)成一整體，使粒徑超過膜孔徑而被截留。(4)Donnan效應。對于更小孔徑的UF、NF，其膜表面靜電力對污染物的截留則不可忽視，受Donnan效應影響，陶瓷膜會排斥相同電性的污染物，而部分低價同性或中性離子可通過膜，同時為保持膜兩側(cè)電荷平衡，部分反離子也隨之流出[9]。

圖1 陶瓷膜過濾機制Fig.1 Filtration Mechanism for Ceramic Membrane

膜分離過程中，污染物在膜表面和膜孔中黏附、沉積、堆疊，導致膜孔徑減小、膜通量下降，即膜污染現(xiàn)象[10]。膜污染將導致產(chǎn)水量下降，甚至引起產(chǎn)水水質(zhì)下降的風險，因此，需要對膜進行定期清洗。

2.2 陶瓷膜凈水工藝發(fā)展

陶瓷膜技術(shù)是當前發(fā)展迅速的一種膜分離技術(shù)，目前已在多個國家或地區(qū)展開應用[11-12]。陶瓷膜的研究始于20世紀40年代，其發(fā)展歷程可分為3個時期：用于分離鈾同位素的核工業(yè)時期[13]、以無機MF和UF為主的液體分離時期[14]、以膜催化反應為核心的全面發(fā)展時期。目前，陶瓷膜的制備技術(shù)趨于成熟，商品化陶瓷膜多為多孔金屬氧化物的MF、UF[15]。其中，MF陶瓷膜在20世紀80年代初首次應用于水處理領(lǐng)域，80年代末UF陶瓷膜也進入了水處理領(lǐng)域[16]。與有機膜相比，陶瓷膜材料化學穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性好、機械強度高、易清洗再生、使用壽命長、孔徑分布窄，目前，以陶瓷膜組件為核心的水處理工藝已在多個國家和地區(qū)開展規(guī)?；嬘盟a(chǎn)。其中，日本是全球最多應用陶瓷膜技術(shù)處理飲用水的國家，2014年投入使用的日本橫濱市川井水廠，其產(chǎn)水能力為17.11萬m3/d，是目前日本產(chǎn)水量最高的采用陶瓷膜工藝的水廠。而2019年新加坡改造完成的蔡厝港水廠，采用了臭氧/活性炭結(jié)合陶瓷膜工藝，處理規(guī)模為18.18萬m3/d，為目前世界規(guī)模最大的陶瓷膜水廠。

我國陶瓷膜研究起步于20世紀90年代，規(guī)?；奶沾赡そM件主要應用于工業(yè)生產(chǎn)與廢水處理領(lǐng)域，然而陶瓷膜組件制備成本高，在飲用水處理領(lǐng)域其所占的市場份額遠小于有機膜組件[12]。但陶瓷膜設(shè)備在自動化控制、抗沖擊與出水水質(zhì)方面優(yōu)勢凸顯，隨著制膜技術(shù)的逐步提升，成本進一步下降，陶瓷膜或?qū)⒃陲嬘盟幚眍I(lǐng)域占據(jù)更大市場。

3 浙江省農(nóng)村地區(qū)陶瓷膜技術(shù)應用

3.1 實際案例分析

基于浙江省農(nóng)村飲用水提標改造的需求以及單村供水存在的現(xiàn)實困難，以較小規(guī)模供水站為例，介紹浙江省農(nóng)村飲用水處理中陶瓷膜的應用情況。

(1)實現(xiàn)復雜地形下穩(wěn)定供水

浙江省西南部Q市，地形復雜破碎，具有高山、中山、丘陵、盆地等多種地貌特點，山地面積占全市面積近一半，山嶺走向復雜多變，交通困難，存在大量分散自然村，單個村落人口少，平整土地面積較小，因而難以建設(shè)和使用大型供水工程。其中，A供水站四面環(huán)山，地勢起伏大，城市供水管網(wǎng)無法到達。供水水源為泉水，水源水微生物指標常年超標[菌落總數(shù)為195 CFU/mL，總大腸菌群為350 MPN/(100 mL)]。以往供水站未對原水進行處理，僅通過水泵直接供給居民，存在很大隱患。2019年對供水站進行改造，采用自動運行+遠程控制式陶瓷膜凈水設(shè)備，原水經(jīng)電絮凝和砂濾工藝后去除部分渾濁度、有機污染物和微生物等，于陶瓷膜前自動投加次氯酸鈉(圖2)，占地面積僅為30 m2，可有效應對山區(qū)平整地面面積小的難點。基于陶瓷膜抗氧化性強的優(yōu)勢，在膜過程截留污染物的同時，繼續(xù)氧化水中有機污染物，實現(xiàn)出水菌落總數(shù)與總大腸菌群未檢出，同時渾濁度由原水的0.4～1 NTU下降到<0.1 NTU，出水水質(zhì)符合《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)，制水成本為0.11元/t，有效保障了飲水安全。

圖2 A供水站處理工藝流程Fig.2 Treatment Process Flow of Water Supply Station A

A供水站處理工藝主要設(shè)計參數(shù)如下。(1)原水泵：2臺，1用1備，流量為0～16 m3/h，揚程為15.5～26 m，功率為2.2 kW；(2)電絮凝：2組，每組處理流量為10 m3/h，規(guī)格為Ф377 mm×1 800 mm，電流為0～50 A，電壓為0～24 V；(3)砂濾罐：2組，每組處理流量為10 m3/h，規(guī)格為Ф1 200 mm×3 500 mm，濾層為1.2 m，濾速為7.5～9 m/h；(4)膜組件：3支，每支通量為6 m3/h，膜孔徑為0.03 μm，膜面積為24.3 m2，每2 h反沖洗1次，每周化學清洗1次；(5)清水池：重力流；(6)次氯酸鈉：次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)場電解食鹽水，有效氯投加量為0.8 mg/L，控制余氯為0.4～0.6 mg/L。

(2)有效解決水源鐵、錳超標

位于H市的B水廠，地處浙江省山區(qū)-平原過渡地區(qū)，水源為水庫水，原水常有異味且鐵(1.23 mg/L)、錳(1.08 mg/L)超標，水源微污染問題時有發(fā)生，原處理工藝為常規(guī)一體化凈水裝置，由于工藝流程簡單、人工投藥量控制不當?shù)?，常致出水水質(zhì)不達標。因此，采用集裝箱一體化的自動化陶瓷膜凈水設(shè)備，原水經(jīng)電絮凝、自動投加次氯酸鈉和砂濾后進入陶瓷膜(圖3)，通過自動化控制和遠程運維，解決了投藥量不當?shù)膯栴}；陶瓷膜的預處理工藝可去除原水中部分渾濁度、臭味及鐵、錳污染物，陶瓷膜單元則進一步去除以上污染物，該工藝出水水質(zhì)中鐵、錳質(zhì)量濃度均<0.05 mg/L，目前設(shè)備制水成本為0.17元/t，有效解決了原水水質(zhì)差、出水水質(zhì)不達標的問題。

圖3 B水廠處理工藝流程Fig.3 Treatment Process Flow of Water Treatment Plant B

B水廠處理工藝主要設(shè)計參數(shù)如下。(1)原水泵：1臺，流量為0～4.4 m3/h，揚程為16～37.2 m，功率為0.55 kW；(2)電絮凝：1組，處理流量為5 m3/h，規(guī)格為Ф273 mm×1 800 mm，電源電流為0～30 A，電壓為0～18 V；(3)砂濾罐：1組，處理流量為2.5 m3/h，規(guī)格為Ф615 mm×1 850 mm，濾層為1.35 m，濾速為8～9 m/h；(4)膜組件：1支，通量為2.5 m3/h，膜孔徑為0.1 μm，膜面積為4.6 m2，每1 h反沖洗1次，每12 h化學清洗1次；(5)次氯酸鈉：次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)場電解食鹽水，有效氯投加量為0.9 mg/L，控制余氯為0.3～0.5 mg/L。

(3)緩解山塘水質(zhì)季節(jié)性惡化問題

浙江省東部Z市分布大量海島，由于多數(shù)小島地勢崎嶇、水源水量與水質(zhì)受臺風和季節(jié)性影響極大，建設(shè)供水設(shè)施成本甚至可達百萬元。其中，C供水站地處懸水小島，供水人口僅為200人，區(qū)域降水集中在梅雨、臺風季節(jié)，起初小島因缺乏供水工程，供水能力不足與用水需求增長的矛盾突出，缺水問題嚴重。該地區(qū)主要水源為山塘，原水微生物[菌落總數(shù)為270 CFU/mL，總大腸菌群為1 600 MPN/(100 mL)]、渾濁度(20.9 NTU)、鐵(1.21 mg/L)、錳(0.74 mg/L)等多個指標超標，兼具水質(zhì)型、水量型缺水的特點。經(jīng)采用一體化陶瓷膜處理設(shè)施(圖4)，原水投加次氯酸鈉和聚合氯化鋁后經(jīng)氣浮池、錳砂過濾工藝，去除了原水中大部分渾濁度與鐵、錳，陶瓷膜組件則有效攔截剩余微生物等污染物。該設(shè)施出水中菌落總數(shù)和總大腸菌群指標未檢出、渾濁度<0.07 NTU，鐵為0.13 mg/L，錳<0.05 mg/L，有效應對常規(guī)工藝難以解決的進水水質(zhì)差的難題，實現(xiàn)出水水質(zhì)達標、水量穩(wěn)定，目前制水成本為0.21元/t，緩解了該地區(qū)一直以來的缺水問題。

圖4 C供水站處理工藝流程Fig.4 Treatment Process Flow of Water Supply Station C

C供水站處理工藝主要設(shè)計參數(shù)如下。(1)次氯酸鈉：根據(jù)原水流量自動投加；(2)聚合氯化鋁：投加量為15～20 mg/L；(3)氣浮池：流量為25 m3/h，外形尺寸為8 000 mm×2 000 mm×3 000 mm，溶氣泵揚程為60 m，流量為10 m3/h，回流比為40%，溶氣壓力為500 kPa；(4)錳砂過濾：過濾罐直徑為2.2 m，濾速為8～9 m/h，錳砂厚度為105 cm，石英砂厚度為45 cm；(5)膜組件：8支，孔徑為0.03 μm，膜面積為24.3 m2，每2 h反沖洗1次，每24 h化學清洗1次。

(4)節(jié)約能源，降低運行成本

由于浙江省廣泛存在多山地區(qū)，其水源與供水站之間可能有較大高差，若能有效利用這部分能量，可極大降低水處理設(shè)備的運行成本。位于浙江省Z市的D供水站，水源為山溪水，取水點與供水站高差為60 m。進水壓力高，使用常規(guī)工藝則需降低進水壓力，而有機膜可承受壓力一般低于300 kPa。因此，處理工藝選擇陶瓷膜一體化凈水設(shè)備(圖5)，基于陶瓷膜的抗高壓特性，利用供水站與取水點間高差產(chǎn)生壓力提供膜組件驅(qū)動壓和部分供水壓力，省去原水泵及供水泵，制水成本為0.03元/t，實現(xiàn)了節(jié)約能源、降低建設(shè)和運行成本。

圖5 D供水站處理工藝流程Fig.5 Treatment Process Flow of Water Supply Station D

D供水站處理工藝主要設(shè)計參數(shù)如下。(1)砂濾罐：10 m3/h，濾速為8～13 m/h；(2)膜組件：1支，膜面積為24.3 m2，最高允許壓力為700 kPa，膜孔徑為0.03 μm，每2 h反沖洗1次，每48 h化學清洗1次；(3)次氯酸鈉：次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)場電解食鹽水，控制余氯為0.4～0.6 mg/L。

以陶瓷膜技術(shù)為核心的水處理工藝，在應對復雜地形條件、水源水質(zhì)問題和人工維護困難等方面具有常規(guī)工藝難以企及的優(yōu)勢，長期運行下制水成本合理。相較于有機膜，陶瓷膜具有更好的化學穩(wěn)定性和更高的機械強度，往往更易清洗再生(圖6)，也因此具有更長的使用壽命[29]，適合在浙江省農(nóng)村小規(guī)模的單村供水工程中采用。

圖6 陶瓷膜污染與清洗后Fig.6 Ceramic Membranes Fouling and Cleaning

3.2 浙江省農(nóng)村飲用水處理工藝流程建議

根據(jù)浙江省廣泛存在微污染原水的特點(表2)，部分農(nóng)村地區(qū)水源水質(zhì)可能存在微生物指標、鐵、錳、臭味和渾濁度等多種指標超標，以及水資源時空分布不均的問題，建議根據(jù)區(qū)域用水需求與實際水源情況，提出采用預處理結(jié)合陶瓷膜的工藝流程(圖7)。工藝流程①特點：以C供水站工藝流程為基礎(chǔ)，混凝-氣浮工藝與錳砂過濾以去除水中較高的渾濁度、鐵、錳等污染物；陶瓷膜前投加次氯酸鈉以去除水中微生物，防止膜表面生物膜的形成。工藝流程②特點：該工藝于陶瓷膜前設(shè)電絮凝結(jié)合活性炭濾池工藝，主要應對鐵、錳、微生物、氨氮及有機污染物等指標較高的情況；當出現(xiàn)突發(fā)水污染事件時，可適時應急性投加粉末活性炭。

表2 浙江省農(nóng)村地區(qū)微污染原水水質(zhì)指標Tab.2 Water Quality Indexes of Micro-Polluted Raw Water in Rural Areas of Zhejiang Province

圖7 供水站的2種處理工藝流程Fig.7 Two Kinds of Treatment Process Flows of Water Supply Station

4 結(jié)論

陶瓷膜組合工藝業(yè)已形成了較成熟的產(chǎn)品線，在浙江省多個農(nóng)村地區(qū)已逐步推廣使用，保障了浙江省農(nóng)村居民的飲用水安全。目前開展的示范工程案例表明，在浙江省農(nóng)村地區(qū)應用陶瓷膜技術(shù)，具有工程占地小、操作簡便、出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，但同時也需要對各地水源特性、工程造價與制水成本、膜污染的控制以及組合工藝的遴選等方面高度關(guān)注。以陶瓷膜為核心的飲用水處理工藝，不僅符合浙江省農(nóng)村飲用水提標改造的要求，對城市凈水工程建設(shè)也具有一定借鑒價值。