大型浸沒式超濾膜水廠的設(shè)計(jì)及運(yùn)行

紀(jì)洪杰1,于海寬1,沈裘昌2,田希彬1,郭愛玲1

(1.東營(yíng)市自來(lái)水公司,山東東營(yíng)257091;2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司,上海200092)

1 水廠簡(jiǎn)介

東營(yíng)市南郊水廠2005年6月供水能力達(dá)到10萬(wàn)噸/天。水廠以南郊水庫(kù)引黃水為原水，黃河水經(jīng)過沉砂處理后進(jìn)入南郊水庫(kù)，水廠直接從水庫(kù)取水，采用二氧化氯、液氯混合預(yù)氧化/混凝沉淀/砂濾/液氯消毒的常規(guī)處理工藝，出廠水水質(zhì)能夠達(dá)到原《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—85）的35項(xiàng)指標(biāo)要求。

2009年12月南郊水廠實(shí)施了水質(zhì)提標(biāo)改造工程，在原常規(guī)工藝基礎(chǔ)上建設(shè)了粉末活性炭投加系統(tǒng)和浸沒式超濾系統(tǒng)，這是國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)和建設(shè)的首條10萬(wàn)噸/天級(jí)的浸沒式超濾凈水系統(tǒng)，在原水受到微污染的情況下，出廠水水質(zhì)達(dá)到了新頒《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749 —2006）的106項(xiàng)指標(biāo)要求。

2012年5月南郊水廠開工建設(shè)了規(guī)模為10萬(wàn)噸/天的擴(kuò)容工程，生產(chǎn)原水為距離南郊水廠28 km之遙的永鎮(zhèn)水庫(kù)，該水庫(kù)也是一座引黃水庫(kù)。擴(kuò)容工程采用高錳酸鹽預(yù)氧化系統(tǒng)/高密度生物粉末活性炭接觸氧化/超濾膜深度處理工藝，預(yù)計(jì)2013年10月底投產(chǎn)。屆時(shí)南郊水廠將實(shí)現(xiàn)多水源供水，總規(guī)模達(dá)到20萬(wàn)噸/天，極大地提高東城區(qū)供水水質(zhì)和保障率。

南郊水廠由專用的引黃水庫(kù)——南郊水庫(kù)取水。2009年—2012年南郊水庫(kù)水質(zhì)如下:

①濁度、溫度。水庫(kù)原水濁度相對(duì)較低，平均約為10 NTU；冬季低溫低濁，冬季濁度平均為3.54 NTU，水溫平均為4.9 ℃。

②氨氮。水庫(kù)氨氮最高為0.95 mg/L,最低為0.1 mg/L，均值在0.4 mg/L以下。水庫(kù)水的總氮均值約為1.99 mg/L。

③耗氧量（COD_Mn）。水庫(kù)水耗氧量最高為6.15 mg/L,最低為2.12 mg/L，均值在3.51 mg/L。

此外夏季藻類在水庫(kù)原水中表現(xiàn)尤為突出，高藻期藻類的均值為9 000萬(wàn)個(gè)/天/L。

黃河水中溴化物的含量長(zhǎng)期較高，對(duì)南郊水庫(kù)的抽樣檢查發(fā)現(xiàn),原水中溴化物（Br^-）的含量高達(dá)154 μg/L，原水中的溴化物如果采用臭氧氧化工藝時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)致癌物質(zhì)——溴酸鹽。

2 改（擴(kuò)）建工程工藝選擇

南郊水廠改造工程的工藝流程見圖1（a），其核心為在常規(guī)工藝后增加活性炭-超濾膜工藝，該工藝解決了老舊水廠水質(zhì)提標(biāo)的改造問題。目前超濾膜系統(tǒng)安全運(yùn)行了三年多，出水水質(zhì)穩(wěn)定，各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)符合新頒國(guó)標(biāo)要求。擴(kuò)容工程的工藝流程見圖1（b），該工藝采用高錳酸鹽復(fù)合藥劑預(yù)氧化/粉末活性炭/混凝沉淀/超濾膜組合工藝。與現(xiàn)有的凈水工藝相比，采用了氣動(dòng)混合、氣動(dòng)絮凝、短板沉淀，去掉了V型濾池，超濾膜池直接設(shè)置在沉淀池末端，組成了綜合的沉淀膜池。

圖1 南郊凈水廠工藝流程

3 值得注意的幾個(gè)問題

3.1 設(shè)計(jì)方面

3.1.1 適當(dāng)確定膜的設(shè)計(jì)通量

一般宜選擇膜經(jīng)濟(jì)通量的90%左右作為設(shè)計(jì)通量。對(duì)于已達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷的老水廠改造，建議膜池膜組一次性配置并適當(dāng)留有余量；對(duì)新建膜水廠宜在滿足當(dāng)前供水需求的同時(shí)，逐年增加膜組數(shù)量。

南郊水廠提標(biāo)改造工程設(shè)有12個(gè)膜池，每個(gè)膜池過濾面積為12 600 m2，設(shè)有6個(gè)膜組，每組設(shè)2 100 m2膜組件，采用離線化學(xué)清洗，減小了因化學(xué)清洗對(duì)膜池產(chǎn)水量的影響。

擴(kuò)容工程中膜組采用了在線化學(xué)清洗，膜池?cái)?shù)量的選擇方面考慮了膜組離線清洗時(shí)產(chǎn)水量的保障問題。同比提標(biāo)改造工程多了4個(gè)膜池作為備份,可保障膜池化學(xué)清洗的產(chǎn)水需求。

3.1.2 優(yōu)化膜池進(jìn)水

改造工程為了解決進(jìn)水對(duì)膜絲的沖擊作用，采用了在進(jìn)水口前面位置安裝1 200 mm×1 600 mm的不銹鋼消能板的方法，大大減小了膜池進(jìn)水口處側(cè)向進(jìn)水對(duì)膜絲的沖擊影響。

擴(kuò)容工程采用了自帶防護(hù)的新型柱狀膜組件，徹底解決了這方面的問題。

3.1.3 粉炭投加點(diǎn)及投加方式的選擇

改造工程設(shè)有前、后投加點(diǎn)。前投加點(diǎn)一般為原水進(jìn)水口投加，這樣能使粉炭達(dá)到最大吸附效果。但如果取水口遠(yuǎn)離水廠，則必須新建粉炭投加泵房，增加投資，且不易維護(hù)管理。后投加點(diǎn)設(shè)在膜池進(jìn)水管上，作為應(yīng)急備用，生產(chǎn)試驗(yàn)中投量達(dá)2 mg/L時(shí)，對(duì)去除有機(jī)物并不明顯。

投加量的確定：粉炭的投加量應(yīng)根據(jù)原水的水質(zhì)的特點(diǎn)，通過試驗(yàn)確定投加量。南郊水廠的原水有機(jī)物含量較低，夏季高藻期粉炭的投加量約為6~8 mg/L，冬季約為3 mg/L。

粉炭投加方式有濕式和干式兩種,投加泵有螺桿泵和凸輪泵。改造工程中采用螺桿投加泵濕式投加方式,在使用過程中發(fā)現(xiàn)效果不是很好,在投加過程中粉炭容易飄散,危害操作人員健康并污染環(huán)境。此外,螺桿泵在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后,其定子部分極易磨損,造成故障,其在使用的持久性能方面不如凸輪泵，所以擬將螺桿泵改為凸輪泵。擴(kuò)容工程在粉炭投加的選擇方面做了改進(jìn),使用水射器投加，以降低粉炭顆粒對(duì)周邊環(huán)境的影響。

3.1.4 膜池總進(jìn)水閥門的控制

超濾膜車間為全自動(dòng)控制，設(shè)定各種參數(shù)后自行運(yùn)行，但是膜池總進(jìn)水閥門往往被忽略。設(shè)計(jì)者一般認(rèn)為設(shè)置該閥門主要為檢修使用，當(dāng)膜池的進(jìn)水量大于其膜組產(chǎn)水量時(shí)，多余的水就會(huì)溢流，以便保障膜池安全。但實(shí)際運(yùn)行過程中，膜前的閥門還應(yīng)擔(dān)負(fù)著調(diào)節(jié)進(jìn)水量的作用，作為大型超濾系統(tǒng)，如果產(chǎn)生溢流，則造成的水資源浪費(fèi)是巨大的，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)能夠使膜池前的閥門開啟度與膜池的水位相關(guān)。在膜池發(fā)生溢流的情況下，調(diào)減進(jìn)水閥門的開啟度；進(jìn)水量不足時(shí)增加閥門的開啟度。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行方面

3.2.1 適時(shí)調(diào)整反沖洗周期

膜的沖洗系統(tǒng)分兩部分，一是通過曝氣利用氣泡的剪切作用對(duì)膜絲進(jìn)行擦洗，另一部分是采用清水進(jìn)行反沖洗。沖洗強(qiáng)度：氣沖強(qiáng)度以膜池面積計(jì)為60 m3/(m2·h)；水反沖強(qiáng)度以膜面積計(jì)為60 L/(m2·h)，每格膜池反洗時(shí)間為120 s，先曝氣90 s后氣水反沖30 s。根據(jù)季節(jié)和水溫調(diào)整反沖洗周期，本工程初期反沖洗周期在冬、春季為5 h，夏、秋季采用8 h，盡管系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行43個(gè)月，沖洗周期沒有變化。擴(kuò)容工程膜組自帶了曝氣系統(tǒng)，設(shè)計(jì)上保留了池底的曝氣系統(tǒng)，主要為加強(qiáng)廢水排放的效果。

3.2.2 合理確定化學(xué)清洗周期

近4年來(lái)，我們先后對(duì)12個(gè)膜池膜組進(jìn)行了3次在線化學(xué)清洗，其中對(duì)2個(gè)膜池膜組進(jìn)行了1次離線化學(xué)清洗比對(duì)試驗(yàn)。在膜組運(yùn)行初期，跨膜壓差均值在20~30 kPa之間，一個(gè)運(yùn)行周期（5~6 h）后，跨膜壓差均值在30~45 kPa之間，同比上升40%左右，經(jīng)過氣水清洗后，跨膜壓差均值又恢復(fù)到20~30 kPa之間，說明這部分膜污染主要表征為可逆膜污染，通過物理的清洗方式基本上能夠去除可逆膜污染。經(jīng)過一個(gè)化學(xué)洗周期（約12~15個(gè)月）運(yùn)行后，跨膜壓差均值在45~55 kPa之間，同比增長(zhǎng)1倍左右，這時(shí)氣水清洗后，跨膜壓均值在40~45 kPa之間，同比降低不到10%，表明隨著膜組運(yùn)行時(shí)間的積累，膜的不可逆污染逐步增加，物理清洗對(duì)膜污染的去除效果逐漸減弱�；瘜W(xué)清洗后，跨膜壓差均值在30~35 kPa之間，同比降低10%左右，說明化學(xué)清洗對(duì)膜的不可逆污染有一定的去除效果。但是膜組再運(yùn)行30 d左右后，跨膜壓差又逐漸恢復(fù)到30~35 kPa之間，可見長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后，膜的不可逆污染已基本趨于穩(wěn)定。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過化學(xué)清洗的膜組抽吸泵電流值同比下降15%左右，說明化學(xué)清洗對(duì)節(jié)約能耗作用明顯。

3.2.3 膜前消毒劑的投加與膜后消毒劑的改進(jìn)

超濾膜工藝中，有觀點(diǎn)認(rèn)為在沉淀池出水進(jìn)入超濾膜池前投加一定的消毒劑，對(duì)減緩膜污染、延長(zhǎng)膜壽命有非常明顯的作用，但通過生產(chǎn)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，膜池前投加消毒劑對(duì)整個(gè)膜系統(tǒng)的影響不很明顯。主要原因：①為應(yīng)對(duì)藻類的影響，在工藝前端投加了液氯和二氧化氯進(jìn)行滅菌除藻，所以沉淀池出水中顆粒物、藻類等對(duì)超濾膜產(chǎn)生影響的物質(zhì)含量已處于較低水平；②前端投加消毒劑均為過量投加，沉淀池出水中已經(jīng)含一定量的消毒劑，所以膜池前投加消毒劑所產(chǎn)生的作用不明顯。

南郊超濾水廠于2012年9月采用二氧化氯替代液氯對(duì)管網(wǎng)水進(jìn)行消毒。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),使用二氧化氯消毒生成的THMs要比使用液氯消毒生成的THMs低10倍。使用二氧化氯對(duì)出廠水及管網(wǎng)水進(jìn)行消毒，比使用傳統(tǒng)的液氯消毒更能保障飲用水的安全，其中對(duì)COD_Mn的控制，二氧化氯稍優(yōu)于液氯，但對(duì)氨氮的控制，二氧化氯優(yōu)勢(shì)明顯，使用二氧化氯后水中的氨氮要比使用液氯低50％以上。

專家點(diǎn)評(píng)：隨著環(huán)境污染的加劇，引用水源地水質(zhì)的不斷惡化，安全供水提到議事日程。本論文通過對(duì)東營(yíng)水廠的詳細(xì)介紹，總結(jié)了浸沒式超濾膜工藝處理低溫低濁度，高藻，微污染的水質(zhì)時(shí)，在設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試和運(yùn)行所積累的經(jīng)驗(yàn)，為這類水廠的建設(shè)提供了有效的借鑒。具有較高的理論和實(shí)踐價(jià)值。

本文榮獲《中國(guó)給水排水》2013年度“得利滿”優(yōu)秀論文一等獎(jiǎng)