超濾膜短流程水處理工藝在沙河城區水廠的應用

張 娟 張自力 牛豫海

(河北建投水務投資有限公司，河北 石家莊 050000)

隨著膜材料的不斷發展和膜價格的不斷下降，超濾膜技術在飲用水深度處理中的應用也越來越廣泛，而經濟水平的提高和社會飲用水安全意識的增強也為膜技術在水處理中的應用提供了動力和保障?；谛碌摹渡铒嬘盟l生標準》，膜處理技術已成為當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孔徑，因此可有效去除水中的懸浮物、大分子有機物、藻類、“兩蟲”、細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-超濾工藝以及常規處理-臭氧活性炭-超濾工藝等類型。超濾膜短流程工藝通過簡化傳統的預處理，只對原水進行適當處理后直接進入超濾膜工藝，能夠解決投資和占地問題，運行效果較好。

河北省邢臺市沙河城區地表水廠作為國內第一批采用超濾膜短流程工藝的新建自來水廠已成功運行三年。結合華北地區水資源及國土資源緊缺、南水北調原水價格高昂的現狀，短流程超濾膜技術因其產水率高、占地省、水質好、運行成本低等特點在新建水廠中的推廣應用顯得尤為迫切和意義深遠。

1 超濾膜短流程工藝應用概況

目前國內建設運行的超濾膜短流程水廠共三個，見表1。

表1 國內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

2.1 水處理工藝

南通盧涇水廠在原有的斜管沉淀池上進行了改造，所有膜組件都統一布置在一個池里，分為10組，每組分為2個膜單元，每個膜單元由52簾LJ1E-2000-v160型PVC超濾膜組件組成，設計產水能力為2.5萬m3/d，每個膜組件的有效過濾面積為35m2。其處理工藝見圖1。

圖1 南通盧涇水廠短流程凈水工藝示意

2.2 過濾及產水

改造后的浸沒式超濾膜池中，實現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，在膜池旁邊增設容積為50m3的產水渠，一年中的大部分時間都可以虹吸出水。產水渠中超濾后的水，通過管道經加氯消毒自流到清水池中。并在產水渠中安裝了2臺流量為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月投產運行以來，產水量達標，且運行經驗表明還有較大余量，超濾膜對顆粒和微生物等具有極好的去除效果，出水水質優良。

2.4 工藝改良

膜系統最初采用了兩端固定的簾式膜元件，見圖2，膜簾下方的死角容易產生積泥現象，后經改良，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 沙河城區水廠的超濾膜系統

3.1 水處理工藝的優化

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池內，且整體組裝的膜箱如出現膜斷絲或封膠泄露問題，必須將膜箱整體吊出進行維護或維修，操作較為復雜。隨著對南通盧涇水廠運行經驗的不斷總結，沙河城區水廠作為新建地表水廠，在設計工藝時對膜池系統和膜單元進行了整體優化。

沙河城區水廠每5支膜元件連接1個開關閥門，當氣檢發現某支膜元件斷絲時，可以將相應連接的開關閥門關閉，將該支斷絲膜元件取出修補后再安裝回去，操作簡單，避免了因為檢修而整體吊裝的麻煩，且不再會因為維修個別膜元件而關停整組膜池進而影響產水，膜箱見圖4。

圖4 浸沒式超濾膜裝配后的膜箱

膜池分為2個系列，2個系列分別設A～E和F～J各5個超濾膜池，膜池以墻體進行分割，每個膜池包含2個膜箱，每個膜箱由140個膜柱組成，膜池實現了在線清洗。膜池設置見圖5。

圖5 超濾膜池布置

3.2 凈水工藝

沙河城區水廠的整體凈水工藝見圖6。

圖6 沙河城區水廠短流程水處理工藝流程

水廠水源為南水北調來水，采用“絮凝+膜”的短流程工藝。原水由南水北調主干線重力進入穩壓配水井，在機械混合池中投加PAC絮凝劑進行快速混合，然后進入機械絮凝池進行反應，絮凝后的出水進入超濾膜池，在膜池內完成膜過濾、濃水回收、沉淀、污泥濃縮等功能，濾后水進入清水池經管網送至用戶。

3.3 膜組件的主要性能參數

沙河城區水廠膜組件的主要性能參數見表2。

表2 LJ2A-2000-PV2型膜組件參數

3.4 工藝系統描述

3.4.1 混合反應系統

由于水力負荷變化較大，絮凝反應池采用機械式混合池和機械式反應池2個系列運行。機械式混合池水力停留時間38s。機械式反應池水力停留時間22min。在機械混合池前投加PAC絮凝劑。

3.4.2 膜池進水、產水系統

絮凝池出水通過兩條配水渠道均勻流向10個膜池內。膜池采用穿墻孔進水，在穿墻孔處設置閘板閥控制膜格進水。

產水方式為重力產水，通過膜池與清水池之間的液位差，超濾膜濾后產水進入清水池中。根據實際超濾的運行需要，相應地調整清水池水位。正常運行時膜池與清水池液位差控制在3～4m。

3.4.3 排泥系統

超濾膜在運行過程中，濃水經過膜組件回收利用，污染物將會沉入膜池底部，污泥通過膜池下部排泥斗濃縮排放。當系統正常運行和物理反沖洗時，泥斗底部濃縮污泥通過開啟去往污泥池的氣動閥門，排入污泥池；當系統進行化學清洗時，通過開啟去往酸堿中和池的氣動閥門，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

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

3.4.5 化學清洗系統

維護性化學清洗和恢復性化學清洗均為在線清洗，即在膜池內進行酸堿加藥洗。根據通量和周期確定維護性清洗時間。為保持穩定運行，通常采用低濃度的次氯酸鈉對超濾膜進行維護性化學清洗。維護性化學清洗的周期一般為7～14天，具體由現場運行情況而定。

當膜系統通量下降15%左右時，則需要對膜元件進行恢復性化學清洗?；謴托曰瘜W清洗是采用酸堿在膜池內浸泡，周期為4～6個月，一年進行2～3次恢復性化學清洗。先在膜池內配入氫氧化鈉和次氯酸鈉的混合溶液，通過循環泵抽吸藥液進行循環；堿洗完畢后，將膜格內廢棄的堿液排入中和池，再在膜格內配入檸檬酸溶液，對膜元件進行循環清洗。酸洗完畢后，廢棄酸液也排入中和池；膜系統則進入完整性檢測程序，之后進行正常產水過濾，見表3。

表3 維護性化學清洗以及恢復性化學清洗參數

3.5 運行效果

該工程自運行以來，總進水濁度為0.50～3.50 NTU、進水pH值為7.80～8.15，膜系統產水率達到99.7%，膜出水濁度不大于0.1NTU的保證率可達100%，基本不受進水水質的影響，對藻類的去除率高達100%，膜池產水水質見表4。

表4 膜池產水水質檢測結果

4 沙河城區水廠運行問題及分析

4.1 出現的問題

a.運行一年后，發現反沖洗后正常產水量呈逐漸減少趨勢，須增加維護性清洗時間、頻次，才能達到原有的產水量。

b.膜池反沖洗水泵啟動時，膜系統管道連接閥門及水泵連接系統出現水錘現象。

c.產水量小時，兩組膜池出現液位不等、配水不均現象。

4.2 原因分析

a.經分析產水量減少的原因主要包括以下幾個：?因為進水水質、水量的不穩定性，致使混合反應系統PAC絮凝劑投加量不易控制；?膜池進行物理反沖洗時，進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不易沉降，造成物理反沖洗效果大打折扣；?周而復始，長期累積，膜組件表面附著物大量增加，膜組件污染加重，以致影響到產水量。

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

c.設計中配水井位置和膜濾池出水總管過于偏離膜濾池進出水中線，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 修改運行程序

混合池、反應池、膜池水的靜沉實驗發現，至少需要10～15min進膜池水才可形成較大絮凝絨體，呈現泥水分離界面。為了提高物理反沖洗效果，對運行程序進行了修改，將原先正常產水時進水閘板閥的常開狀態，改為物理反沖洗前為關閉狀態，降低物理反沖洗時的液位后，再關閉產水閥，同步開啟反沖洗泵、鼓風機及相應氣動閥，進行100s氣水混合洗，再靜沉30min，待所有雜質沉降到膜池底部后，再打開進水閘板閥，產水閥恢復正常產水。

4.3.2 加強維護性清洗

設定10個膜池輪動式清洗程序，每10天輪動一次，每天進行一個膜池的維護性清洗。對膜池進行降液后，啟動氣水混合洗流程，并排空池內廢水。之后開啟化洗程序，投加配置的300ppm的次氯酸鈉溶液，10min后關閉加藥泵和配藥氣動蝶閥，30min后關閉化洗循環泵和化洗循環氣動蝶閥，浸泡2h，中間開啟鼓風機及氣洗氣動蝶閥進行60s氣沖。操作人員可視清洗效果，增加或減少浸泡時間和氣沖次數。

4.3.3 調整反沖洗程序

沙河城區水廠在運行中通過采取以下措施，徹底解決了反沖洗水泵開啟及閉合時產生的水錘現象。?調整反沖洗水泵啟閉頻率：反沖洗水泵啟動時，首先開啟反沖洗閥，采用0頻，設定運行頻率延時緩慢啟動；反沖洗水泵關閉時，設定運行頻率延時，采用0頻緩慢關閉反沖洗閥；?為保險起見，在水泵出口增加電動蝶閥配合消減水錘沖擊力；?調節管路上閥門進氣和排氣調節螺栓，控制閥板的閉合和開啟速度，進而控制水錘的沖擊力。

4.3.4 增加進水連通管道

在設計已定，構建筑物無法再做調整的情況下，為適應進水量變化，保持進水相對穩定，沙河水廠利用原設計中DN300排泥池活性污泥回流管道作為兩組濾池進水連通管，兩組膜池液位保持了平衡，配水不均的問題得到了解決。

經過近三年的運行檢驗，優化后的運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、水量持續穩定。

5 超濾膜短流程工藝應用結論

a.“浸沒式超濾膜”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.經過預處理的水直接進入超濾，省去了常規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，并通過排泥管道排除，即在膜池內完成了系統內的固液分離和泥水平衡。

c.短流程工藝采用低通量、低跨膜壓差運行方式，膜的滲透壓相應較低，有利于降低膜表面泥餅層的密實度，減輕膜的深層污染，并對工藝進行優化，節約能耗。直接超濾在低通量下運行，膜污染發展緩慢且未見不可逆污染，在水源水質較好的情況下，構建超濾膜短流程工藝更經濟、合理。

d.在超濾膜過濾的過程中，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和物理活性，使超濾膜的物理清洗周期比常規超濾工藝長。短流程工藝預處理(絮凝)后的水直接進入超濾膜，絮凝水的絮凝絨體未經沉淀，顆粒較大，在超濾過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.沙河城區水廠采用超濾膜短流程工藝穩定運行了三年，其優化后的運行方式緩解了膜污染，消除了水錘現象，且通過增設連通管道解決了配水不均的問題，該成果可為城市新建水廠及供水廠提標改造提供技術參考。