超濾膜短流程水處理工藝在沙河城區(qū)水廠的應(yīng)用

張 娟 張自力 牛豫海

(河北建投水務(wù)投資有限公司，河北 石家莊 050000)

隨著膜材料的不斷發(fā)展和膜價(jià)格的不斷下降，超濾膜技術(shù)在飲用水深度處理中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，而經(jīng)濟(jì)水平的提高和社會(huì)飲用水安全意識(shí)的增強(qiáng)也為膜技術(shù)在水處理中的應(yīng)用提供了動(dòng)力和保障?；谛碌摹渡铒嬘盟l(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，膜處理技術(shù)已成為當(dāng)下水處理工藝的首選。相比于微濾膜，超濾膜具有更小的納米級(jí)孔徑，因此可有效去除水中的懸浮物、大分子有機(jī)物、藻類、“兩蟲(chóng)”、細(xì)菌甚至是病毒等微生物，可有效保障飲用水的生物安全性，被認(rèn)為是第三代城市飲用水凈化工藝的核心。按照超濾膜凈水廠的工藝,可分為微絮凝-直接超濾工藝、混合-絮凝-超濾工藝、混合-絮凝-沉淀-超濾工藝以及常規(guī)處理-臭氧活性炭-超濾工藝等類型。超濾膜短流程工藝通過(guò)簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的預(yù)處理，只對(duì)原水進(jìn)行適當(dāng)處理后直接進(jìn)入超濾膜工藝，能夠解決投資和占地問(wèn)題，運(yùn)行效果較好。

河北省邢臺(tái)市沙河城區(qū)地表水廠作為國(guó)內(nèi)第一批采用超濾膜短流程工藝的新建自來(lái)水廠已成功運(yùn)行三年。結(jié)合華北地區(qū)水資源及國(guó)土資源緊缺、南水北調(diào)原水價(jià)格高昂的現(xiàn)狀，短流程超濾膜技術(shù)因其產(chǎn)水率高、占地省、水質(zhì)好、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)在新建水廠中的推廣應(yīng)用顯得尤為迫切和意義深遠(yuǎn)。

1 超濾膜短流程工藝應(yīng)用概況

目前國(guó)內(nèi)建設(shè)運(yùn)行的超濾膜短流程水廠共三個(gè)，見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)超濾膜短流程水處理工藝水廠概況

2 南通盧涇水廠的超濾膜系統(tǒng)

2.1 水處理工藝

南通盧涇水廠在原有的斜管沉淀池上進(jìn)行了改造，所有膜組件都統(tǒng)一布置在一個(gè)池里，分為10組，每組分為2個(gè)膜單元，每個(gè)膜單元由52簾LJ1E-2000-v160型PVC超濾膜組件組成，設(shè)計(jì)產(chǎn)水能力為2.5萬(wàn)m3/d，每個(gè)膜組件的有效過(guò)濾面積為35m2。其處理工藝見(jiàn)圖1。

圖1 南通盧涇水廠短流程凈水工藝示意

2.2 過(guò)濾及產(chǎn)水

改造后的浸沒(méi)式超濾膜池中，實(shí)現(xiàn)了富集濃縮絮體和回收物理清洗水的功能，清洗出的濾餅顆粒在重力作用下沉降、靜置濃縮，最終通過(guò)排泥管道排出。

為了利用膜池與清水池最高水位之間3.2m的水頭，在膜池旁邊增設(shè)容積為50m3的產(chǎn)水渠，一年中的大部分時(shí)間都可以虹吸出水。產(chǎn)水渠中超濾后的水，通過(guò)管道經(jīng)加氯消毒自流到清水池中。并在產(chǎn)水渠中安裝了2臺(tái)流量為1250m3/h的變頻潛水軸流泵，在水溫極低的條件下，可以保證產(chǎn)水量。

2.3 效果分析

改造后的南通盧涇水廠自2009年12月投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，產(chǎn)水量達(dá)標(biāo)，且運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明還有較大余量，超濾膜對(duì)顆粒和微生物等具有極好的去除效果，出水水質(zhì)優(yōu)良。

2.4 工藝改良

膜系統(tǒng)最初采用了兩端固定的簾式膜元件，見(jiàn)圖2，膜簾下方的死角容易產(chǎn)生積泥現(xiàn)象，后經(jīng)改良，采用了膜絲上方單向出水、膜絲下方為自由端的柱狀膜單元，有效防止了膜間積泥，見(jiàn)圖3。

圖2 南通盧涇水廠初期改造的簾式膜

圖3 南通盧涇水廠改良后的柱狀膜

3 沙河城區(qū)水廠的超濾膜系統(tǒng)

3.1 水處理工藝的優(yōu)化

南通盧涇水廠因受改造工程的局限，所有膜箱都安裝在一個(gè)池內(nèi)，且整體組裝的膜箱如出現(xiàn)膜斷絲或封膠泄露問(wèn)題，必須將膜箱整體吊出進(jìn)行維護(hù)或維修，操作較為復(fù)雜。隨著對(duì)南通盧涇水廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的不斷總結(jié)，沙河城區(qū)水廠作為新建地表水廠，在設(shè)計(jì)工藝時(shí)對(duì)膜池系統(tǒng)和膜單元進(jìn)行了整體優(yōu)化。

沙河城區(qū)水廠每5支膜元件連接1個(gè)開(kāi)關(guān)閥門，當(dāng)氣檢發(fā)現(xiàn)某支膜元件斷絲時(shí)，可以將相應(yīng)連接的開(kāi)關(guān)閥門關(guān)閉，將該支斷絲膜元件取出修補(bǔ)后再安裝回去，操作簡(jiǎn)單，避免了因?yàn)闄z修而整體吊裝的麻煩，且不再會(huì)因?yàn)榫S修個(gè)別膜元件而關(guān)停整組膜池進(jìn)而影響產(chǎn)水，膜箱見(jiàn)圖4。

圖4 浸沒(méi)式超濾膜裝配后的膜箱

膜池分為2個(gè)系列，2個(gè)系列分別設(shè)A～E和F～J各5個(gè)超濾膜池，膜池以墻體進(jìn)行分割，每個(gè)膜池包含2個(gè)膜箱，每個(gè)膜箱由140個(gè)膜柱組成，膜池實(shí)現(xiàn)了在線清洗。膜池設(shè)置見(jiàn)圖5。

圖5 超濾膜池布置

3.2 凈水工藝

沙河城區(qū)水廠的整體凈水工藝見(jiàn)圖6。

圖6 沙河城區(qū)水廠短流程水處理工藝流程

水廠水源為南水北調(diào)來(lái)水，采用“絮凝+膜”的短流程工藝。原水由南水北調(diào)主干線重力進(jìn)入穩(wěn)壓配水井，在機(jī)械混合池中投加PAC絮凝劑進(jìn)行快速混合，然后進(jìn)入機(jī)械絮凝池進(jìn)行反應(yīng)，絮凝后的出水進(jìn)入超濾膜池，在膜池內(nèi)完成膜過(guò)濾、濃水回收、沉淀、污泥濃縮等功能，濾后水進(jìn)入清水池經(jīng)管網(wǎng)送至用戶。

3.3 膜組件的主要性能參數(shù)

沙河城區(qū)水廠膜組件的主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 LJ2A-2000-PV2型膜組件參數(shù)

3.4 工藝系統(tǒng)描述

3.4.1 混合反應(yīng)系統(tǒng)

由于水力負(fù)荷變化較大，絮凝反應(yīng)池采用機(jī)械式混合池和機(jī)械式反應(yīng)池2個(gè)系列運(yùn)行。機(jī)械式混合池水力停留時(shí)間38s。機(jī)械式反應(yīng)池水力停留時(shí)間22min。在機(jī)械混合池前投加PAC絮凝劑。

3.4.2 膜池進(jìn)水、產(chǎn)水系統(tǒng)

絮凝池出水通過(guò)兩條配水渠道均勻流向10個(gè)膜池內(nèi)。膜池采用穿墻孔進(jìn)水，在穿墻孔處設(shè)置閘板閥控制膜格進(jìn)水。

產(chǎn)水方式為重力產(chǎn)水，通過(guò)膜池與清水池之間的液位差，超濾膜濾后產(chǎn)水進(jìn)入清水池中。根據(jù)實(shí)際超濾的運(yùn)行需要，相應(yīng)地調(diào)整清水池水位。正常運(yùn)行時(shí)膜池與清水池液位差控制在3～4m。

3.4.3 排泥系統(tǒng)

超濾膜在運(yùn)行過(guò)程中，濃水經(jīng)過(guò)膜組件回收利用，污染物將會(huì)沉入膜池底部，污泥通過(guò)膜池下部排泥斗濃縮排放。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行和物理反沖洗時(shí)，泥斗底部濃縮污泥通過(guò)開(kāi)啟去往污泥池的氣動(dòng)閥門，排入污泥池；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)清洗時(shí)，通過(guò)開(kāi)啟去往酸堿中和池的氣動(dòng)閥門，將酸洗和堿洗的廢液排入酸堿中和池，廢液中和后外排。

3.4.4 物理清洗系統(tǒng)

物理清洗采用均分運(yùn)行周期的分單元輪流清洗。反洗周期為90～120min，反洗時(shí)間100s，采用氣水聯(lián)合清洗方式。將超濾產(chǎn)水反向透過(guò)中空纖維膜，同時(shí)在膜堆底部通過(guò)氣沖擦洗中空纖維膜絲表面去除沉積物，反洗結(jié)束后將膜池中的液體排入廢液池或污水管。

3.4.5 化學(xué)清洗系統(tǒng)

維護(hù)性化學(xué)清洗和恢復(fù)性化學(xué)清洗均為在線清洗，即在膜池內(nèi)進(jìn)行酸堿加藥洗。根據(jù)通量和周期確定維護(hù)性清洗時(shí)間。為保持穩(wěn)定運(yùn)行，通常采用低濃度的次氯酸鈉對(duì)超濾膜進(jìn)行維護(hù)性化學(xué)清洗。維護(hù)性化學(xué)清洗的周期一般為7～14天，具體由現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況而定。

當(dāng)膜系統(tǒng)通量下降15%左右時(shí)，則需要對(duì)膜元件進(jìn)行恢復(fù)性化學(xué)清洗。恢復(fù)性化學(xué)清洗是采用酸堿在膜池內(nèi)浸泡，周期為4～6個(gè)月，一年進(jìn)行2～3次恢復(fù)性化學(xué)清洗。先在膜池內(nèi)配入氫氧化鈉和次氯酸鈉的混合溶液，通過(guò)循環(huán)泵抽吸藥液進(jìn)行循環(huán)；堿洗完畢后，將膜格內(nèi)廢棄的堿液排入中和池，再在膜格內(nèi)配入檸檬酸溶液，對(duì)膜元件進(jìn)行循環(huán)清洗。酸洗完畢后，廢棄酸液也排入中和池；膜系統(tǒng)則進(jìn)入完整性檢測(cè)程序，之后進(jìn)行正常產(chǎn)水過(guò)濾，見(jiàn)表3。

表3 維護(hù)性化學(xué)清洗以及恢復(fù)性化學(xué)清洗參數(shù)

3.5 運(yùn)行效果

該工程自運(yùn)行以來(lái)，總進(jìn)水濁度為0.50～3.50 NTU、進(jìn)水pH值為7.80～8.15，膜系統(tǒng)產(chǎn)水率達(dá)到99.7%，膜出水濁度不大于0.1NTU的保證率可達(dá)100%，基本不受進(jìn)水水質(zhì)的影響，對(duì)藻類的去除率高達(dá)100%，膜池產(chǎn)水水質(zhì)見(jiàn)表4。

表4 膜池產(chǎn)水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

4 沙河城區(qū)水廠運(yùn)行問(wèn)題及分析

4.1 出現(xiàn)的問(wèn)題

a.運(yùn)行一年后，發(fā)現(xiàn)反沖洗后正常產(chǎn)水量呈逐漸減少趨勢(shì)，須增加維護(hù)性清洗時(shí)間、頻次，才能達(dá)到原有的產(chǎn)水量。

b.膜池反沖洗水泵啟動(dòng)時(shí)，膜系統(tǒng)管道連接閥門及水泵連接系統(tǒng)出現(xiàn)水錘現(xiàn)象。

c.產(chǎn)水量小時(shí)，兩組膜池出現(xiàn)液位不等、配水不均現(xiàn)象。

4.2 原因分析

a.經(jīng)分析產(chǎn)水量減少的原因主要包括以下幾個(gè)：?因?yàn)檫M(jìn)水水質(zhì)、水量的不穩(wěn)定性，致使混合反應(yīng)系統(tǒng)PAC絮凝劑投加量不易控制；?膜池進(jìn)行物理反沖洗時(shí)，進(jìn)膜水中較大絮凝絨體在膜組件表面還未完全吸附形成污泥餅，部分較大絮凝絨體被打碎而懸浮在膜池內(nèi)不易沉降，造成物理反沖洗效果大打折扣；?周而復(fù)始，長(zhǎng)期累積，膜組件表面附著物大量增加，膜組件污染加重，以致影響到產(chǎn)水量。

b.出現(xiàn)水錘現(xiàn)象首先要明確的是當(dāng)閥門兩端管道處于滿水時(shí)，操作閥門或水泵是不會(huì)出現(xiàn)水錘的，只有當(dāng)閥門兩端管道有一端不是滿水，失去平衡后操作閥門，才會(huì)出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，而且操作速度越快水錘沖擊力越大。

c.設(shè)計(jì)中配水井位置和膜濾池出水總管過(guò)于偏離膜濾池進(jìn)出水中線，使得配水井、膜濾池兩條出水管道距離不等，造成了兩組膜濾池配水不均。

4.3 采取的措施

4.3.1 修改運(yùn)行程序

混合池、反應(yīng)池、膜池水的靜沉實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，至少需要10～15min進(jìn)膜池水才可形成較大絮凝絨體，呈現(xiàn)泥水分離界面。為了提高物理反沖洗效果，對(duì)運(yùn)行程序進(jìn)行了修改，將原先正常產(chǎn)水時(shí)進(jìn)水閘板閥的常開(kāi)狀態(tài)，改為物理反沖洗前為關(guān)閉狀態(tài)，降低物理反沖洗時(shí)的液位后，再關(guān)閉產(chǎn)水閥，同步開(kāi)啟反沖洗泵、鼓風(fēng)機(jī)及相應(yīng)氣動(dòng)閥，進(jìn)行100s氣水混合洗，再靜沉30min，待所有雜質(zhì)沉降到膜池底部后，再打開(kāi)進(jìn)水閘板閥，產(chǎn)水閥恢復(fù)正常產(chǎn)水。

4.3.2 加強(qiáng)維護(hù)性清洗

設(shè)定10個(gè)膜池輪動(dòng)式清洗程序，每10天輪動(dòng)一次，每天進(jìn)行一個(gè)膜池的維護(hù)性清洗。對(duì)膜池進(jìn)行降液后，啟動(dòng)氣水混合洗流程，并排空池內(nèi)廢水。之后開(kāi)啟化洗程序，投加配置的300ppm的次氯酸鈉溶液，10min后關(guān)閉加藥泵和配藥氣動(dòng)蝶閥，30min后關(guān)閉化洗循環(huán)泵和化洗循環(huán)氣動(dòng)蝶閥，浸泡2h，中間開(kāi)啟鼓風(fēng)機(jī)及氣洗氣動(dòng)蝶閥進(jìn)行60s氣沖。操作人員可視清洗效果，增加或減少浸泡時(shí)間和氣沖次數(shù)。

4.3.3 調(diào)整反沖洗程序

沙河城區(qū)水廠在運(yùn)行中通過(guò)采取以下措施，徹底解決了反沖洗水泵開(kāi)啟及閉合時(shí)產(chǎn)生的水錘現(xiàn)象。?調(diào)整反沖洗水泵啟閉頻率：反沖洗水泵啟動(dòng)時(shí)，首先開(kāi)啟反沖洗閥，采用0頻，設(shè)定運(yùn)行頻率延時(shí)緩慢啟動(dòng)；反沖洗水泵關(guān)閉時(shí)，設(shè)定運(yùn)行頻率延時(shí)，采用0頻緩慢關(guān)閉反沖洗閥；?為保險(xiǎn)起見(jiàn)，在水泵出口增加電動(dòng)蝶閥配合消減水錘沖擊力；?調(diào)節(jié)管路上閥門進(jìn)氣和排氣調(diào)節(jié)螺栓，控制閥板的閉合和開(kāi)啟速度，進(jìn)而控制水錘的沖擊力。

4.3.4 增加進(jìn)水連通管道

在設(shè)計(jì)已定，構(gòu)建筑物無(wú)法再做調(diào)整的情況下，為適應(yīng)進(jìn)水量變化，保持進(jìn)水相對(duì)穩(wěn)定，沙河水廠利用原設(shè)計(jì)中DN300排泥池活性污泥回流管道作為兩組濾池進(jìn)水連通管，兩組膜池液位保持了平衡，配水不均的問(wèn)題得到了解決。

經(jīng)過(guò)近三年的運(yùn)行檢驗(yàn)，優(yōu)化后的運(yùn)行和清洗方式取得了較好的處理效果，膜污染程度減輕，膜出水水質(zhì)、水量持續(xù)穩(wěn)定。

5 超濾膜短流程工藝應(yīng)用結(jié)論

a.“浸沒(méi)式超濾膜”作為水廠的最后一道保障性凈水工藝，能有效截留水體中剩余的懸浮物、膠體、藻類、細(xì)菌、病毒等污染物，使出水濁度降低到0.1NTU，保證了出水的飲用水安全性。

b.經(jīng)過(guò)預(yù)處理的水直接進(jìn)入超濾，省去了常規(guī)凈水處理工藝中的沉淀步驟，水在膜池中得到凈化，而泥依靠重力沉于池底，并通過(guò)排泥管道排除，即在膜池內(nèi)完成了系統(tǒng)內(nèi)的固液分離和泥水平衡。

c.短流程工藝采用低通量、低跨膜壓差運(yùn)行方式，膜的滲透壓相應(yīng)較低，有利于降低膜表面泥餅層的密實(shí)度，減輕膜的深層污染，并對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)約能耗。直接超濾在低通量下運(yùn)行，膜污染發(fā)展緩慢且未見(jiàn)不可逆污染，在水源水質(zhì)較好的情況下，構(gòu)建超濾膜短流程工藝更經(jīng)濟(jì)、合理。

d.在超濾膜過(guò)濾的過(guò)程中，除了膜本身的抗污性能外，再加上絮凝絨體在膜表面具有一定的化學(xué)和物理活性，使超濾膜的物理清洗周期比常規(guī)超濾工藝長(zhǎng)。短流程工藝預(yù)處理(絮凝)后的水直接進(jìn)入超濾膜，絮凝水的絮凝絨體未經(jīng)沉淀，顆粒較大，在超濾過(guò)程中膜表面形成的泥餅層比較松散，透水性和易脫落性要比小顆粒形成的泥餅層好，提高了超濾膜的抗污染能力。

e.沙河城區(qū)水廠采用超濾膜短流程工藝穩(wěn)定運(yùn)行了三年，其優(yōu)化后的運(yùn)行方式緩解了膜污染，消除了水錘現(xiàn)象，且通過(guò)增設(shè)連通管道解決了配水不均的問(wèn)題，該成果可為城市新建水廠及供水廠提標(biāo)改造提供技術(shù)參考。