郁振標(biāo),袁 宵, 陳 清, 盧月蓉
(1. 南通水務(wù)集團(tuán)有限公司, 南通 226000; 2. 蘇州立升凈水科技有限公司, 蘇州 215152)
南通狼山水廠作為20世紀(jì)80年代具有一定典型代表性的現(xiàn)代化水廠,是服務(wù)于南通市主城區(qū)的關(guān)鍵供水單位[1],隨著生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)以及江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)《江蘇省城市自來(lái)水廠關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)》(DB32/T 3701—2019) 對(duì)水質(zhì)要求的進(jìn)一步提高,水廠的深度改造工作自2008年組合工藝的驗(yàn)證開(kāi)始至2019年超濾膜產(chǎn)品性能的驗(yàn)證結(jié)束,旨在于通過(guò)試驗(yàn)研究驗(yàn)證適應(yīng)于30×104m3/d級(jí)的大型市政水廠的工藝的可行性及產(chǎn)品的可靠性.最終,南通狼山水廠升級(jí)改造采用了臭氧活性炭及超濾膜技術(shù)組合工藝,項(xiàng)目的投運(yùn)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)江水流域規(guī)模最大的全流程水廠示范效應(yīng)[2].
2008年6月,浸沒(méi)式超濾膜技術(shù)在南通地區(qū)以長(zhǎng)江水為源水的市政水廠中的應(yīng)用研究在南通蘆涇水廠展開(kāi),通過(guò)大型中試試驗(yàn)對(duì)比研究了浸沒(méi)式超濾膜處理混凝出水及沉淀池出水的試驗(yàn)效果.2012年6月,浸沒(méi)式超濾膜處理沉淀池出水和砂濾池出水的對(duì)比研究在南通狼山水廠展開(kāi)了為期一年的效果驗(yàn)證.2015年6月~2018年8月,完成了浸沒(méi)式超濾膜處理以長(zhǎng)江水為源水的“絮凝沉淀+生物接觸氧化”組合工藝出水的試驗(yàn)研究.2018年4月,采用4種不同品牌浸沒(méi)式超濾膜產(chǎn)品對(duì)比處理沉淀池出水的試驗(yàn)效果.南通狼山水廠改造工藝的確定,前期驗(yàn)證儲(chǔ)備了多種傳統(tǒng)工藝與膜工藝的組合工藝試驗(yàn).前期驗(yàn)證證實(shí)以江蘇段長(zhǎng)江水為水源的市政水廠,浸沒(méi)式超濾膜處理混凝出水、沉淀池出水、生物接觸氧化池出水均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定良好的效果,最終確定:如果原水水質(zhì)CODMn較低時(shí),采用浸沒(méi)式超濾膜處理沉淀池出水;季節(jié)性藻類且CODMn較高時(shí),增設(shè)臭氧活性炭工藝與超濾膜技術(shù)聯(lián)用,沉淀池至浸沒(méi)式超濾膜池設(shè)置超越管.
南通狼山水廠總規(guī)模60×104m3/d,將原一期工程移動(dòng)罩濾池推倒重建30×104m3/d浸沒(méi)式超濾膜池,增加60×104m3/d臭氧活性炭工藝,是目前長(zhǎng)江流域規(guī)模最大的全流程水廠.含超濾膜系統(tǒng)工藝段的運(yùn)行工藝流程見(jiàn)圖1.
圖1 南通狼山水廠工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of Langshan plant in Nantong
南通狼山水廠直接從長(zhǎng)江取水,江蘇段水質(zhì)基本達(dá)到國(guó)家Ⅱ類地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).原水濁度在雨季時(shí)超過(guò)100 NTU,夏季高溫時(shí)有機(jī)物含量略高、藻高.自2020年6月底開(kāi)始運(yùn)行,水廠進(jìn)水的原水主要水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1.
表1 原水主要水質(zhì)指標(biāo)Table 1 Main water quality of raw water
南通狼山水廠浸沒(méi)式超濾膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)水能力為30×104m3/d,總共16格膜池,每格膜池內(nèi)設(shè)12組浸沒(méi)式超濾膜設(shè)備,膜材質(zhì)為聚偏氟乙烯(PVDF),超濾膜運(yùn)行通量為23.48 L/(m2·h).浸沒(méi)式超濾膜系統(tǒng)由進(jìn)水系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、產(chǎn)水系統(tǒng)、反洗系統(tǒng)、化學(xué)清洗系統(tǒng)及完整性檢測(cè)系統(tǒng)等幾個(gè)系統(tǒng)組成.浸沒(méi)式超濾膜系統(tǒng)流程示意圖如圖2所示.
圖2 浸沒(méi)式超濾膜系統(tǒng)流程示意圖Fig.2 Flow diagram of submerged ultrafiltration membrane system
膜系統(tǒng)過(guò)濾周期為180 min,日常物理反洗采用氣水聯(lián)合反洗,運(yùn)行數(shù)個(gè)周期后全排空.維護(hù)性清洗周期為30 d,清洗方式是將膜絲浸泡在200 mg/L的次氯酸鈉溶液中30 min.利用膜池與產(chǎn)水池直接液位差真空虹吸方式產(chǎn)水[3].自2020年6月底開(kāi)始運(yùn)行,接近滿負(fù)荷運(yùn)行,至今已穩(wěn)定運(yùn)行近2年.
南通狼山水廠自超濾膜系統(tǒng)投運(yùn)后,在運(yùn)行初期約6個(gè)月時(shí)間內(nèi),臭氧活性炭系統(tǒng)仍在調(diào)試,基本上沉淀池出水超越炭濾池進(jìn)入膜池,待臭氧活性炭系統(tǒng)調(diào)試穩(wěn)定后,進(jìn)膜池水為炭濾池出水,間歇為沉淀池和炭濾池的混合水進(jìn)入膜池.本項(xiàng)目針對(duì)整個(gè)浸沒(méi)式超濾膜系統(tǒng)自2020年8月試運(yùn)行完成后數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析.
2.1.1對(duì)濁度的去除效果
水廠原水日常濁度在20~60 NTU之間,雨季原水濁度較高,水廠未改造前,傳統(tǒng)工藝使用移動(dòng)罩濾池部分出水濁度較難保障.
改造后,膜系統(tǒng)運(yùn)行期間,根據(jù)哈希在線濁度儀的檢測(cè)結(jié)果,膜系統(tǒng)出水濁度的變化如圖3所示.
圖3 浸沒(méi)式超濾膜對(duì)濁度的去除效果Fig.3 Turbidity removal performance by submerged ultrafiltration membrane
自2020年8月至2022年5月運(yùn)行期間,原水濁度為11~126 NTU,沉淀池出水為0.5~2.96 NTU,超濾膜池出水為0.02~0.06 NTU,始終穩(wěn)定0.1 NTU以下.浸沒(méi)式超濾膜系統(tǒng)采用的超濾膜平均孔徑為0.02 μm,孔徑小,能有效截留水中的膠體、大分子有機(jī)物等雜質(zhì),保證出水濁度具有較高的穩(wěn)定性.
2.1.2對(duì)CODMn的去除效果
通過(guò)CODMn來(lái)評(píng)價(jià)原水中和產(chǎn)水中有機(jī)物和還原性無(wú)機(jī)物污染的情況.通過(guò)水廠日檢數(shù)據(jù)分析進(jìn)廠水和出廠水的水質(zhì)變化情況,同時(shí)表明水廠可跨越式的工藝設(shè)計(jì)是合理、有效的.
《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006)中對(duì)指標(biāo)CODMn的要求為小于3 mg/L,圖4對(duì)水廠自2021年1月至2022年5月的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,由圖4可以看出,水廠原水水質(zhì)較好,大部分時(shí)間CODMn指標(biāo)基本都能達(dá)到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn),偶有超標(biāo),范圍為1.0~3.72 mg/L,平均濃度為2.26 mg/L,出廠水CODMn為0.17~1.37 mg/L,平均濃度為0.77 mg/L,平均去除率65.9%.季節(jié)性藻類且CODMn較高時(shí),臭氧活性炭與超濾膜技術(shù)聯(lián)用;水質(zhì)較好時(shí),超越臭氧活性炭工藝運(yùn)行即可,出廠水CODMn指標(biāo)穩(wěn)定.本工程實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,臭氧活性炭工藝平均運(yùn)行電耗約0.005 kW·h/m3,超越臭氧活性炭工藝運(yùn)行時(shí)(沉淀池出水直接進(jìn)入浸沒(méi)式超濾膜系統(tǒng))即可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用,同時(shí)可延長(zhǎng)活性炭的使用周期.
圖4 浸沒(méi)式超濾膜對(duì)CODMn的去除效果Fig.4 CODMn removal performance by submerged ultrafiltration membrane
2.1.3對(duì)顆粒數(shù)的去除效果
膜系統(tǒng)自2020年8月至2022年5月運(yùn)行期間,超濾膜進(jìn)出水中顆粒數(shù)的變化如圖5所示.在不同進(jìn)水條件下超濾膜出水顆粒數(shù)(≥2 μm)平均顆粒數(shù)為10 個(gè)/mL以下.在線顆粒計(jì)數(shù)儀顯示膜出水顆粒數(shù)不為零,考慮是由于產(chǎn)水渠、管道等元件未能保證完全清潔造成超濾出水帶有少量顆粒數(shù).
超濾膜系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,會(huì)不可避免地出現(xiàn)膜污染現(xiàn)象.分別取南側(cè)13#和北側(cè)4#各一個(gè)膜池的運(yùn)行數(shù)據(jù),從圖6中可以看出,運(yùn)行一段時(shí)間后,跨膜壓差呈現(xiàn)了一定程度上快速增長(zhǎng)的趨勢(shì),跨膜壓差從-10 kPa以內(nèi)增長(zhǎng)至-22 kPa.
圖6 4#、13#膜池跨膜壓差變化Fig.6 4 #&13 # membrane pool TMP difference change
根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),在2021年7月至10月原水水質(zhì)有機(jī)物升高,同時(shí)膜池進(jìn)水由臭氧活性炭出水變?yōu)槌恋沓鼗旌纤?進(jìn)水水質(zhì)變差.同時(shí),膜污染會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸加重,膜表面的濾餅層被壓縮,形成致密的凝膠層,難以被日常物理清洗去除.超濾膜系統(tǒng)運(yùn)行至2021年10月時(shí),連續(xù)運(yùn)行時(shí)間已超過(guò)原系統(tǒng)設(shè)計(jì)恢復(fù)性清洗周期12個(gè)月,考慮到本項(xiàng)目虹吸液位差為3 m左右,為了去除膜污染,在系統(tǒng)無(wú)抽吸泵的條件下,保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運(yùn)行,故在水溫較合適的條件下進(jìn)行了一次恢復(fù)性清洗,通過(guò)采用1 000 mg/L的次氯酸鈉浸泡清洗和0.4%的鹽酸浸泡清洗,以降低跨膜壓差,徹底清洗超濾膜的深層污染.13#膜池內(nèi)清洗前后膜絲的照片見(jiàn)圖7.恢復(fù)性清洗前,膜絲表面附著明顯的污染物,特別是靠近膜絲根部,清洗后,膜絲表面附著污染物明顯被去除,適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)藥劑清洗能夠有效去除造成膜污染的大部分的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物[4].恢復(fù)性清洗后,跨膜壓差恢復(fù)至-10 kPa以內(nèi),并能持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行.這說(shuō)明通過(guò)酸堿藥劑進(jìn)行恢復(fù)性清洗后,基本均能恢復(fù)至新膜水平,超濾膜的恢復(fù)效果較好.
圖7 清洗前(左)和清洗后(右)膜絲照片F(xiàn)ig.7 Photo of membrane before (left) and after (right) cleaning
2.3.1循環(huán)管路材質(zhì)選擇
膜系統(tǒng)中各種管道材質(zhì)的選擇取決于內(nèi)部流動(dòng)液體的腐蝕性、操作壓力、溫度和配件價(jià)格等,早期超濾膜水廠主要采用塑料管材,但近年來(lái)不銹鋼管材應(yīng)用更為普遍[5].針對(duì)化學(xué)清洗管,考慮其使用酸堿藥劑,具有較強(qiáng)的腐蝕性,近年來(lái)大型設(shè)計(jì)院常規(guī)設(shè)計(jì)采用304不銹鋼管材,實(shí)際工程項(xiàng)目中,循環(huán)管路中較常接觸藥劑次氯酸鈉具有氧化性,故易出現(xiàn)焊接處腐蝕現(xiàn)象,大大增加了藥劑泄露安全性風(fēng)險(xiǎn).本項(xiàng)目為避免304不銹鋼耐腐蝕性有限,恢復(fù)性清洗循環(huán)管路采用的是耐腐蝕性強(qiáng)度更高的316L不銹鋼管材.但由于不銹鋼管材焊接工藝防腐工作受限,安裝單位焊接水平參差不齊,在管道焊接處仍易被腐蝕,建議考慮使用性價(jià)比較高、安全等級(jí)較高、品質(zhì)較好的UPVC管材替代,已有部分大型市政水廠采用UPVC管材作為清洗循環(huán)管路[6].
2.3.2恢復(fù)性清洗過(guò)程增設(shè)循環(huán)步驟
由于本項(xiàng)目恢復(fù)性清洗循環(huán)管路采用的是耐腐蝕性強(qiáng)度更高的316L不銹鋼管材,為避免管道焊接處存在易被腐蝕的風(fēng)險(xiǎn),在恢復(fù)性清洗系統(tǒng)程序中,浸泡漂洗后增加清水清洗循環(huán)管的步驟,避免清洗時(shí)殘留的藥液對(duì)316L不銹鋼管材的腐蝕.同時(shí),由于下一次恢復(fù)性清洗間隔時(shí)間較長(zhǎng),如有殘留的藥液會(huì)形成逐步氧化腐蝕的結(jié)果,進(jìn)而影響了循環(huán)管路的密封性和安全性.
2.3.3隔斷產(chǎn)水閥氣源
恢復(fù)性清洗需充分考慮合理性和安全性.膜系統(tǒng)恢復(fù)性清洗采用一個(gè)一個(gè)膜池輪流清洗方式完成,待某一個(gè)膜池正在進(jìn)行恢復(fù)性清洗操作時(shí),其他正常產(chǎn)水膜池處于過(guò)濾產(chǎn)水程序,恢復(fù)性清洗程序是由系統(tǒng)PLC控制自動(dòng)完成.一般為了充分保證恢復(fù)性清洗效果,可考慮在恢復(fù)性清洗過(guò)程中根據(jù)實(shí)際浸泡清洗效果合理調(diào)整間歇曝氣的次數(shù)和時(shí)間,為避免在人為干預(yù)過(guò)程中出現(xiàn)界面點(diǎn)擊失誤,使得進(jìn)行恢復(fù)性清洗過(guò)程的膜池被改變浸泡狀態(tài),進(jìn)而引發(fā)生產(chǎn)安全事故,故在操作過(guò)程中選擇切斷產(chǎn)水閥氣源,完全避免產(chǎn)水閥被打開(kāi)的可能,避免浸泡藥液進(jìn)入產(chǎn)水渠.
自2020年6月開(kāi)始運(yùn)行,水廠接近滿負(fù)荷運(yùn)行,運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定良好.南通狼山水廠項(xiàng)目的投運(yùn)對(duì)長(zhǎng)江水流域的全流程水廠具有示范意義.通過(guò)本項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可得出如下結(jié)論:
1) 采用可跨越式的工藝設(shè)計(jì)是合理、有效的.原水水質(zhì)CODMn較低時(shí),采用浸沒(méi)式超濾膜處理沉淀池出水;季節(jié)性藻類且CODMn較高時(shí),增設(shè)臭氧活性炭與超濾膜技術(shù)聯(lián)用,沉淀池至浸沒(méi)式超濾膜池設(shè)置超越管,可有效的降低運(yùn)行成本和減少設(shè)備損耗.
2) 出水水質(zhì)穩(wěn)定,超濾膜系統(tǒng)出水濁度保持0.1 NTU以下,CODMn<2 mg/L,顆粒數(shù)(≥2 μm)為10 個(gè)/mL以下,有效保障了出廠水的水質(zhì)穩(wěn)定性.
3) 恢復(fù)性清洗需充分考慮對(duì)管道材質(zhì)合理性和操作的安全性.清洗循環(huán)管路可采用耐腐蝕性強(qiáng)度更高的316L不銹鋼管材,增設(shè)清水清洗循環(huán)管程序.也可考慮使用性價(jià)比較高、安全等級(jí)較高、品質(zhì)較好的UPVC管材替代.