市政超濾飲用水深度處理
——石景山水廠超濾膜系統工程實踐與經驗總結

劉 丞 王天吉 謝 臣 董 冰 劉 淵 周友剛

（1.金科環境股份有限公司，北京，100102；2.北京市自來水集團石景山自來水有限公司，北京，100043）

一、工程概況

北京市自來水集團承建的南水北調配套水廠——石景山水廠于2021年9月30日正式并網通水，日設計供水規模達20萬m3/d，初期日供水量3.6萬m3/d，石景山部分地區市民喝上了千里之外的“南水”，并為2022年北京冬奧會供水安全再增添一道“保險”。

石景山水廠總占地面積6.1萬平方米，投資10.74億元。水廠整體工藝采用預臭氧+混凝沉淀（機械攪拌澄清池）+主臭氧+炭砂濾池+超濾+加氯消毒的工藝流程，出水水質在符合國家《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）要求的基礎上，對細菌、病毒、兩蟲基本做到了完全隔絕和去除，在實現高品質供水的同時，提高了水廠應對突發污染風險的能力，率先實現了《城市供水行業2010年技術進步發展規劃及2020年遠景目標》中一級城市的標準。石景山水廠的通水將有效緩解石景山區及北京中心城西部地區供水壓力，進一步提升北京市城市供水的安全性，保障供水量并改善供水水質，同時可置換出大量的地下水自備井用水，對涵養嚴重匱乏的地下水具有重大意義，為首都社會經濟的可持續發展提供堅實基礎。

石景山水廠采用金科環境Inge內壓式超濾膜系統，具有流程短，建設周期短，自動化操作程度高，出水水質穩定等特點。本系統以炭砂濾池出水為水源，凈產水能力為20萬m3/d。超濾系統從設計、建設到運營，一直秉承“安全、優質、綠色、智慧”的理念，全程運用金科環境自主知識產權的核心技術——水廠雙胞胎，可以在設計、建設、運行全過程采用BIM設計/數字化手段進行管理，在實體水廠交付的同時，提供完全一致的數字水廠，同時作為未來項目運行階段的資產管理及運行管理工具。

二、工程設計和項目實施

1.設計背景

由于之前石景山地區沒有大型水廠，加之地勢較高，區域供水主要依靠抽取地下水和中心城區輸水進行保障。隨著石景山地區產業升級改造，居民生活用水和公共用水量迅猛增長。為滿足區域經濟快速發展的用水需求，自來水集團加快推進石景山水廠建設，如期實現通水。隨著飲用水水質要求越來越嚴格，市政給水處理中對于濁度、細菌、病毒、耐氯微生物-賈第鞭毛蟲、隱孢子蟲等的去除率有了更高的要求；而傳統的水處理技術無法滿足這些水質要求，或者需要的工藝更加復雜，要求較大的占地面積和較高的投資。超濾膜技術是解決市政飲用水深度處理問題的理想手段。首先，超濾膜在工藝末端中起到絕對的屏障作用，處理后的水質好，出水濁度穩定小于0.1NTU，SDI穩定小于3，出水顆粒計數檢測值（≥2μm顆粒數）≤50個/mL。其次，超濾膜可以非選擇性地濾除病原體，細菌去除率＞6log，病毒去除率＞4log。最重要的是超濾工藝是物理處理方法，相較于傳統臭氧氧化工藝，超濾工藝沒有消毒或氧化副產物，安全性更好。

2.設計參數

2.1設計水質（見表1）

表1 設計出水水質表

2.2工藝流程（見圖1）

圖1 金科環境石景山水廠工程超濾膜系統

2.3設計參數

①超濾預處理

超濾預處理分為2個系列，每個系列設自清洗過濾器4臺（3用1備），單臺過濾流量為1800m3/h，過濾器精度200um。自清洗過濾器進水泵6臺（4用2備），單臺流量為2600 m3/h，揚程為27m，功率為250Kw。

②超濾系統

超濾系統分為2個系列，每個系列設超濾裝置10套，單套產水量為417 m3/h，每套裝置配超濾膜140支。超濾膜公稱孔徑為0.02um，每支膜有效面積為80m2。在超濾裝置前端設置管道靜態混合器，通過機械隔膜泵投加絮凝劑（10%聚合氯化鋁溶液）。PAC計量泵3臺（2用1備），單臺流量為100L/h，揚程為3.0bar，功率為0.37Kw。微絮凝僅作為應急性投加使用，常規過濾不投加絮凝劑。

超濾反洗水泵3臺（2用1備），單臺流量為2500 m3/h，揚程為29m，功率為250Kw。反洗過濾器2臺，單臺流量為2250 m3/h，過濾精度300um。在超濾反洗管道設置靜態混合器，通過氣動隔膜泵投加殺菌劑（10%次氯酸鈉溶液）、酸（30%檸檬酸溶液）、堿（30%NaOH溶液）。殺菌劑計量泵3臺（2用1備），單臺流量為3000L/h，揚程為3.5bar。檸檬酸計量泵3臺（2用1備），單臺流量為8500L/h，揚程為3.5bar。堿計量泵3臺（2用1備），單臺流量為3000L/h，揚程為3.5bar。

③中和外排系統

超濾加藥反洗廢水排入中和水池，廢水有一定的酸堿性和氧化性。通過計量泵加入檸檬酸溶液和NaOH溶液來調節廢水的pH，當pH滿足6～9時，停止加檸檬酸溶液或NaOH溶液（中和加藥裝置同超濾反洗檸檬酸溶液、NaOH溶液加藥裝置共用）。廢水的氧化性通過計量泵加入還原劑溶液來調節，控制氧化還原電位小于300mv即可外排。還原劑計量泵3臺（2用1備），單臺流量為1100L/h，揚程為3.5bar。中和水外排泵2臺（1用1備），單臺流量為370 m3/h，揚程為15m，功率為22Kw。

2.4 BIM設計

本項目在實施階段采用BIM設計，即建筑信息模型，以三維數字技術為基礎，將水廠本身及水廠建造過程三維模型化和數據信息化。

通過BIM技術的采用，可實現設計階段的協同設計、可視化設計、管線綜合設計，并進行工程量的統計以及成本控制。同時，在施工階段可進行施工場地分析、可視化施工交底、施工模擬及施工安全管理，將設計與施工的銜接過程可視化、智能化，減少人為失誤，保證施工質量與工期。水泵間BIM施工設計效果圖（見圖2），超濾膜車間設備布置BIM施工設計效果圖（見圖3），超濾膜車間管廊層管道布置施工設計效果圖（見圖4）

圖2 水泵間BIM施工設計效果圖

圖3 超濾膜車間設備布置BIM施工設計效果圖

圖4 超濾膜車間管廊層管道布置施工設計效果圖

以BIM設計模型為基礎，可衍生出實體水廠的數字雙胞胎，即數字水廠，實時顯示超濾系統運行數據，并對系統運行狀態進行評估，根據目前檢測數據預測系統可能出現的故障和建議預防措施，從而簡便運營維護。

2.5水廠雙胞胎技術

“水廠雙胞胎”是由金科環境開發的數字化項目管理平臺，可以在向客戶交付實體水廠的同時，提供數字水廠?！八畯S雙胞胎”融合了工程項目的設計數據、實施過程數據和運行數據，記錄了實體水廠從無到有的發展歷程，以及實時運行狀態，實現了實體水廠的數字化模擬，為實體水廠的資產管理、遠程監測、運行智慧化提供了數字化工具。

3.調試與運行

3.1管道沖洗及檢測

石景山水廠調試期間因為水量受限，最終采用“分批次”沖洗方式，充分合理的利用水源。沖洗順序為：第一步，沖洗超濾進水和產水管，沖洗水進入清水池和反洗水池，作為清洗水池用水；第二步，沖洗超濾反洗進水和排水管，沖洗水返回前端集水池；第三步，沖洗超濾化學清洗管，沖洗水返回前端集水池；最后利用壓縮空氣沖洗超濾膜架本體管道。沖洗水量消耗及效果對照見表2。

表2 沖洗水量消耗及效果對照表

沖洗管道過程實現了“零排水”即將管道及設備沖洗干凈的效果，得到了業主的認可。

3.2超濾膜沖洗及檢測

石景山水廠有20套超濾設備，共 2800支超濾膜元件，每支膜元件內含有一定量的醫用級甘油保護液，正式使用前需要將其沖洗干凈。因調試初期沒有足夠水源補給，為不耽誤投產日期，經過計算和分析，利用化學清洗水箱，采用“單組浸泡+循環沖洗”的模式，對超濾膜元件進行沖洗，并觀察沖洗效果。

甘油與水可以任意比例互溶，因其是多羥基化合物，所以溶于水后顯還原性。根據GB5750-2006《生活飲用水標準檢驗方法》中的“耗氧量-酸性高錳酸鉀滴定法”用于檢測水中還原性物質的濃度，所以該方法可以表征出水中甘油的含量（排除甘油外的還原性物質影響）。根據上述方法檢測膜組浸泡、沖洗后的COD數值來判定甘油保護液沖洗效果（已知原水中COD值＜3mg/L，見表3）。

表3 沖洗效果表

超濾膜沖洗完成后至首次投運期間，為避免膜內滋生細菌堵塞膜絲，需定期置換膜殼內存水。為減少運營人員的置換操作強度，自控工程師在上位操作程序中增加了 “一鍵換水”程序，整個操作過程全自動運行，置換后的排水返回廠區前端集水池，循環利用達到降本增效的目的，得到業主的一致好評。

3.3系統運行

超濾系統于2021年3月9日進行調試，兩個系列同時進水，進水pH值為8.0左右，溫度為20℃左右，瞬時產水通量為44L/(m2·h)，采用全流過濾的運行方式。經過7天的調試，超濾裝置出水濁度穩定，運行數據見表4和圖5。細菌、病毒等去除率滿足性能要求，運行數據見表4。

表4 濁度運行數據表

圖5 工藝段濁度變化趨勢圖

超濾系統連續運行數據表明，該系統運行穩定，最終出水水質滿足《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）、《城市供水行業2010年技術進步發展規劃及2020年遠景目標》中的一級城市的標準中的要求。

表5 微生物指標數據表

三、金科環境超濾膜系統特色及優勢

1、雙PID調節系統進水量實現恒流運行，使系統運行更穩定，更節能，更高效。

通過每套超濾膜堆的進水調節閥的百分比開度信號（4～20mA信號）、超濾供水泵的運行赫茲數變頻調節這兩點的模擬量輸出與每套超濾進水電磁流量計的設定值進行雙向匹配實時調整，來達到多套超濾膜堆的均勻配水以及整體系統的恒流供水。根據供水量要求和超濾套數的匹配，給定單套超濾給水流量的設定值，與單套進水電磁流量計測量的實時當前值進行比較，根據比較結果，在控制器中進行比例（P）和積分（I）運算，將控制數據（4～20mA信號）輸出至超濾供水泵變頻器，變頻器根據接收到的控制電流，調整輸出頻率，當實際值小于設定值，控制電流增大，變頻器頻率增加，給水流量隨之增大；當實際值大于設定值時，控制電流減小，變頻器頻率降低，流量隨之減小。變頻器輸出頻率調整的幅度可以通過調整比例（P）和積分（I）的數值得以改變。當控制電流超出最大值和最小值范圍時，控制器直接輸出最大值或最小值。當控制器切換到手動控制狀態時，可以人工輸入控制數據，使變頻器在固定頻率下運行，此時運行流量將保持恒定值。

2、結合工程經驗，充分考慮潛在風險，設置超濾進水微絮凝裝置應對突發狀況。

當初期調試、炭砂濾池更換填料或濾池出水水質惡化時，超濾系統進水可能存在有機物、膠體增高的風險，炭砂濾池出水可能含有的細小炭粒也會堵塞超濾膜。由于超濾膜有絕對屏障的過濾作用，在超濾膜的實際運行中，微小的顆粒更易堵塞膜過濾孔。在這種情況下，可以采用超濾進水微絮凝加藥的方式，通過絮凝劑的物理化學作用，使小顆粒增長成大顆粒，從而降低對膜絲影響。

3、內壓式超濾在大型市政飲用水深度處理項目應用中表現出色，系統運行穩定。

本系統超濾膜選用國際知名品牌瀅格，為多孔超濾膜，由七根具有相同內徑的膜束組成為一根膜絲，與單孔膜絲相比，多孔超濾膜具有明顯的強度優勢，確保在膜元件壽命期內，產水量能滿足設計的要求。多孔膜絲采用專利生產技術，材質選用性能最佳的改性聚醚砜（PES），一步成型。多孔膜絲是“一體式”結構，無分層。 “一體式”膜絲不會產生分層剝離的現象，這也是該超濾膜的最大優勢之一；另外，PES材質具有更高的親水性能。親水性能越好，膜絲表面越不容易吸附有機物，因此耐污染性能越好。超濾膜的膜孔徑為0.02μm,可徹底去除懸浮物、膠體、病毒和細菌等，其中對病毒的去除率達到4log，對細菌的去除率可達到6log，膜出水SDI≤3。

超濾膜組件采用獨特的水力優化設計，在內部膜絲和外殼間采用打孔的集水環式集水結構。集水環的設計與中心管式結構不同，在過濾及反洗時，可以使膜斷面及長度方向的水流分布更加均勻，反洗和過濾時的水流速度更加平穩、水力分布更加均勻，也就是說，膜組件內的每根膜絲具有近乎一致的產水性能，反洗流速分布更加均勻，膜組件具有更好的過濾及反洗效果，不但運行壓差低，而且常規的水反洗就能清洗干凈，減少CEB維護性化學清洗及CIP恢復性化學清洗的頻率，大大延長膜的使用壽命。超濾組件結構設計易于更換、安裝和增容，膜支架和膜元件拆裝靈活，使膜系統的安裝和維護更簡便。超濾膜組件結構獨特，運行操作靈活?？刹捎盟蓝嘶蝈e流過濾模式，過濾及膜清洗可采用“頂部至底部”及“底部至頂部”的進水模式。

超濾系統回收率≥97%，同時保證超濾膜系統在最不利的工況條件下（冬季水溫1℃）具有不低于20萬m3/d的產水能力，同時膜系統的進出水管路及連接管路、供水泵、預處理自清洗過濾器、閥門等能滿足總能力24萬m3/d的供水規模，保障飲水供應。

4、膜車間采用分層設計，布置風格令人耳目一新。

本系統采用立式膜組件系統集成度高，每根膜組件獨立垂直安裝，檢修維護方便，系統容易排氣，可以自動進行完整性檢測。

膜堆層和管廊層上下分層設計。膜車間內僅展示膜堆部分，膜元件整齊排列，外觀簡潔大方。管廊操作層位于膜堆層之下，閥門、管道、連接件、儀表等集中分布在此層，便于系統的日常維護與檢修。另外，上下分層設計的水力分配更科學合理，系統各個部位的膜元件內外壓工況統一均等。此設計便于標準化和模塊化，在品質、性能和性價比方面均擁有優勢。（見圖6、圖7）

圖6 金科環境石景山水廠200,000m3/d超濾膜車間

圖7 金科環境石景山水廠管廊層

5、新材料的應用，性價比更高。

金科環境研發團隊經過大量的實驗，開發出具有自主知識產權HDPE（高密度聚乙烯）集成管道系統加工制造技術，率先將HDPE集成管道應用在膜處理系統，進一步提升了膜系統的性價比。HDPE耐強酸、強堿性能高于不銹鋼。此外HDPE管道表面光滑、摩擦系數小，故水力損失小，可降低膜濾系統的運行能耗。

6、全廠使用數字軟件，實現“智慧”水務。

金科環境自主研發的“水廠雙胞胎”管理平臺是一種Online to Oラ ine（線上線下）的三級智能系統，從三個不同層次為用戶提供服務：在移動端實時在線地監控水廠運行狀況；定期采用智能軟件對儲存在云端的數據進行分析，提供運行建議，優化運行參數；隨時采用視頻通訊，由金科環境技術專家指導系統的運行維護。

四、經驗總結

石景山水廠采用先進的水處理工藝，構建了多級工藝屏障確保供水安全。由金科環境設計并承建的超濾膜車間，設備布置簡潔美觀，閥門儀表操作簡便，保養維修方便，程序控制自動化程度高，系統產水水質好，運行穩定。

注釋：SDI：污染指數SDI（Silt Density Index）值，也稱之為FI（Fouling Index）值，是水質指標的重要參數之一。它代表了水中顆粒、膠體和其他能阻塞各種水凈化設備的物體含量。

log：通常用微生物數量的對數來表示其去除率。例如：6log表示微生物數量去除率為0.999999；4log表示去除率為0.9999。