超滤膜在北京市第九水厂滤池反冲洗废水处理中的应用
姚左钢
（北京市市政工程设计研究总院）
2009年夏，北京出现新的供水高峰，最高日供水278.8万m3/d（09年7月3日）。由于规划建设的北京第十水厂和郭公庄水厂项目未能按原计划在2010年建成，中心城区当时的供水能力与需求基本饱和，没有任何安全系数可言，面对可能的供水高峰，必须增加供水能力，本项目即为增加供水能力的应急之举。
1工程背景
1.1 第九水厂现状
北京市第九水厂设计总净水规模为150万m3/d，分三期建成，每期各50万m3/d。其污泥处理设施主体工程与第九水厂二期工程同步建设。第九水厂三期于1999年7月正式通水，与三期工程配套的污泥处理设备安装于2000年5月完工，从而实现了与九厂日供水量150万m3/d相适应的污泥处理规模。
第九水厂采用常规净水工艺加颗粒活性炭吸附的水处理工艺。沉淀池形式一期为加速澄清池，二、三期为侧向流波形斜板沉淀池（其中二期06、07年改造为微砂循环沉淀池，规模为64万m3/d）；滤池一期采用虹吸滤池，二、三期采用均质滤料滤池。
目前北京市第九水厂净水能力为164万m3/d。其中水线工艺流程如图1所示。第九水厂冲洗水及排泥水处理工艺流程如图2所示。
第九水厂现有一期、三期回流水池各2座，其中一期回流水池总容积2688m3，共分2座4格，单格水量672 m3，三期回流水池总容积3600 m3。一期、三期回流水池均可接纳九厂滤池、炭池反冲洗废水以及排泥池上清液，并回流至配水井重新进行全流程处理。由于三期反应沉淀工艺耐冲击负荷能力有限，不能接收全部一、二、三期反冲洗废水及排泥池上清液，为方便运行管理，三期滤池反冲洗废水进入一期处理系统。目前，第九水厂一、二、三期滤池、炭池反冲洗废水以及排泥池上清液均进入一期回流水池，回流水量约7万m3/d，后经提升泵送至一期加速澄清池前进行处理。
1.2 冲洗水系统存在问题
第九水厂滤池反冲洗废水经回流水池回流至一期混合井，对一期处理构筑物冲击较大。降低了一期处理构筑物的供水安全性。
目前第九水厂处理能力为164万m3/d，其中一、三期为50万m3/d，二期为64万m3/d。由于一期接纳回流水、二期已是高负荷运行、三期混凝沉淀工艺不具备挖潜能力，故第九水厂已暂无挖潜能力，对应夏季可能的供水高峰乏力。
1.3 工程的提出
鉴于以上原因，如将第九水厂滤池反冲洗废水单独处理至清水，不但可以减少对一期处理构筑物的冲击负荷，一期原处理冲洗废水的能力用来处理原水后，还可以为第九水厂增加供水能力。
2 技术方案选择
2.1 规模确定
根据回流水量统计，2008年1月～2009年7月，平均日回流水量为63861m3/d，逐月平均日统计中，仅有2008年6月和2009年7月的回流水量大于7万m3/d。故确定滤池反冲洗水单独处理规模为7万m3/d。
2.2 工程地址选择
目前第九水厂一、二、三期滤池、炭池反冲洗废水水均可以通过厂区管道进入一期及三期回流水池处，故滤池反冲洗废水处理设施宜就近建设在一期或三期回流水池附近。
因一期回流水池目前正在运行当中，局部改造将影响整个水厂的运行，经综合比较，本着安全生产，降低对水厂运行影响的原则，确定将厂址就近建设在三期回流水池北侧。
2.3 工艺流程选择
2.3.1 进出水水质特性
第九水厂回流水池承接滤池反冲水和排泥上清液水，水量和水质均波动很大。由于待处理水均汇入回流水池后加以处理，回流水池受纳反冲洗水后对来水起到了均衡的作用，因此回流水池的出水水质数据更具针对性、代表性。经分析，回流水池水质关键指标情况如下。
（1)浊度。回流水池中的颗粒物主要来自煤滤池、炭吸附池的的反冲洗水，对回流出水浊度的连续监测结果显示，其值在3～25NTU间变动，而原水浊度常年稳定在1～5NTU，颗粒物粒径大多在2um以下，属于难沉淀颗粒。
（2) 有机物。根据表中结果显示，随着原水水质的季节性变化，回流水池出水中的TOC浓度也相应变化。但有机物基本上没有在回流水中富集。
（3) 藻类。混凝沉淀工艺难以去除的藻类被滤池截留，导致回流水池藻类含量较高。
主要结论：反冲洗水浊度在3～25NTU间变动，含有较高浓度的铁、锰、铝离子和藻类。
回流水池出水经扩建和现有工艺处理后出水水质需达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）要求。
2.3.2流程选择
新建滤池反冲洗水处理工程，其处理工艺有长、短流程两种选择。
2.3.2.1长流程
长流程为新建混合絮凝、沉淀、过滤处理构筑物，处理来水，产生的污泥排入厂区现有污泥处理系统。
2.3.2.2 短流程
短流程为，新建强化混合絮凝构筑物，加超滤膜处理工艺，膜反冲洗水进入厂区现有污泥处理系统。
膜是一种具有特殊选择性分离功能的无机或高分子材料，它能把流体分隔成不相通的两个部分，使其中的一种或几种物质能透过，而将其它物质分离出来。
超滤能将细菌、病毒、“两虫”、藻类、水生生物几乎全部去除，是目前保障水的微生物安全性的最有效技术。
本方案考虑用超滤膜作为反冲洗水处理的关键单元，可以高效的去除两虫、和病毒，经膜过滤的水出水浊度可在0.1NTU以下。其缺点是投资较高。
考虑到膜工艺对小分子有机物、嗅味等物质基本没有处理效果，因此本方案在膜池前增设混合池，根据水质情况投加PAC、三氯化铁等药剂，强化絮凝，提高处理效果。
2.3.2.3 方案对比
长流程、短流程各自有其优缺点见表1.
经综合比较，长流程虽然运行管理经验丰富，但存在生物风险，占地面积大，不可能在九厂现有占地内建设，故选择技术领先、无生物风险且节约占地的短流程方案。
另外，膜池出水接入三期炭吸附池前，靠炭吸附可能的小分子有机物和嗅味，从而保障出水水质。经核算，原炭池的接触时间为9.85 min；增加7万m³/d水量之后，炭池接触时间平均为8.06 min。
2.4 超滤膜类型的选择
膜工艺按其膜组件的设置位置可分为浸没式（一体式或浸没式）和内压力式2种。浸没式和压力式膜的比较见表2。
综合考虑浸没式和压力式膜的优缺点，由于本工程待处理水为滤池、炭池反冲洗水，相对饮用水源水来说水质较差，对膜系统抗污性能的要求更高，同时本着节能减耗，节约用地，降低运行成本的原则，工程推荐采用浸没式超滤膜。
2.5 中试实验
2009年10月，根据前期进行的技术交流，邀请国内外五家公司，进行了中试实验。
实验采用回流水池出水，工艺流程为：机械混合-械絮凝-处理装置（其中混合絮凝部分由第九水厂统一提供），投加药剂主要是粉末活性炭、三氯化铁等。全部采用浸没式超滤膜(见表3)，规模1～8m³/h(各公司水量不同)。
多数厂家的设备运行情况良好；主要水质指标可以达到：浊度≤0.2NTU(100%);水回收率≥95%；细菌去除率≥99.99%；藻类去除率≥70%。膜通量较小的厂家，出水相对稳定；其中，部分厂家膜孔隙较大，存在粉炭堵塞膜孔隙现象。
2.6 系统设计原则
根据以上方案对比，确定处理工艺流程见图3，工程设计规模为7 万m3/d。
现况滤池反冲洗废水收集后，用回流泵提升至膜处理车间，经混合絮凝、精细过滤后进入浸没式膜池，膜池出水接至炭吸附进水渠，经炭吸附后进入清水池。
为去除反冲洗水中的浊度、嗅味等，根据原水水质在机械混合池投加FeCl3、粉末活性炭。设计膜通量＜40L/（m2·h）（根据中试结果确定）.
全系统为独立的2个系列，单系列检修时其余系列可满足全部水量的70%以上。另外，系统附属设备（如抽吸泵等）亦应有足够备用，以保证在维修及事故时正常运行。
预留水厂原水接入膜处理车间条件。
3 工程设计
经系统招标后，反冲洗废水处理工艺总流程见图4.
膜进水系统：滤池冲洗废水取自三期回流水池，经回流水泵提升通过厂平面连接管道进入机械混合池。同时，该管道留有接入水厂原水条件。
膜出水系统：经管道接入现况三期炭吸附池进水渠。
溢流系统：膜池进水系统中设溢流，接至厂内溢流渠。
排水系统：膜冲洗水排入厂区排泥系统；膜化学清洗中和后废水，排入厂区污水管。
3.1 膜处理车间
膜处理车间主要由混合池、絮凝池、膜沉淀池、化学清洗池、原液池、配套设备及管路系统（包括水泵、阀门）和控制系统构成（见图5～图7）。
膜处理车间共分为2个系列，每系列设混合池1座、絮凝池2座、膜池1座（分6格）、酸洗池1座、碱洗池1座、中和池1座，车间另设酸洗原液池1座、碱洗原液池1座。
混合池2座，单池设计能力3.5万m3/d，每座设DN800进水管1条，进水管设可调节闸板阀，每格设一台搅拌机，混合时间61.9s。
每2座絮凝池与1座混合池对应。投加药剂后的原水，经过充分的混合和完善的絮凝，才能脱稳和凝聚成矾花，使这些投加的药剂充分发挥作用。每座膜池设两格絮凝池，絮凝时间13.07min，每座絮凝池设一套带絮凝套筒的絮凝搅拌机。
每座膜沉淀池分为可独立运行的两组。每组膜池分为三格（共12格），安装膜组的部位由混凝土墙分割，隔墙以下部分贯通。每格膜池设6个膜组，膜组底下设穿孔曝气管。
采用PVC膜，每个膜组膜面积1680㎡，膜有效过滤孔径：0.01μm，设计膜通量24LMH，反洗周期及历时：冬季：过滤1h，反洗1min，夏季过滤1.5h,反洗1min，反洗强度 70 L/（m2·h）。
每组膜池池底设有1套往复式池底刮泥机，将底泥刮制位于端部的集泥槽，由排泥泵抽出，接至厂区排泥系统。
每格膜池出水采用水泵抽吸，水泵采用了转子式的容积泵，可正反向运转，正常运行与反冲洗可采用同一台水泵。反洗时抽吸泵反转将滤后水反向透过中空纤维膜、同时在膜底部曝气，通过气冲擦洗中空纤维膜丝表面去除沉积物。
每格膜池设有集水总管，与每组膜的集中出水管通过快速接头连结。集水总管连结抽吸泵和出水总管。在膜池与抽吸泵之间的集水总管上设 DN400气动蝶阀，抽吸泵与出水总管之间设 DN400手动检修蝶阀。
膜池运行时由转子泵低速正转抽吸，水泵的转速由膜池的水位控制。膜的反冲由该泵高速反转，将中央出水管的产水打回膜组进行膜的反洗。
超滤膜反洗系统除了由水冲洗外，还需要进行间隙性曝气擦洗。每格膜池设一组穿孔曝气管，进气管上设 DN200气动蝶阀，在膜池进行反冲洗时，辅助以鼓风曝气。反洗后不排水，转子泵正传，开始出水抽吸。
设2台罗茨风机（1用1备）满足气洗条件。
设压缩空气系统满足气动阀门控制及气检（断丝检测）。
化学清洗包括在线维护性清洗和离线化学清洗。
维护性清洗在线进行，通过反洗时加入浓度较高的次氯酸钠，以100mg/L浓度次氯酸钠浸泡。
离线化学清洗需要人工移动和连接。清洗的过程由人工完成，包括浸泡、鼓风曝气和清洗液的来回抽吸。清洗废液经中和无害化处理后排放。
化学清洗系统主要由2台清洗水泵（Q=60~80m3/h H=10m n=400rpm N=5.5kw）、4格清洗水池（26m3/格）、2格原药储存池（1格30%氢氧化钠23.5 m3、1格31%盐酸9.5m3）、2个中间储液罐（Φ1560×900）等组成，并设蝶阀、液位计、pH计、流量计等配套设备。
根据时间和跨膜压差来决定何时进行化学清洗。
3.2 膜加药间
膜加药间分为两处：粉末活性炭投加间在三期回流泵房东侧；三氯化铁和次氯酸钠加药间设在膜车间的附属设施的一层。
三氯化铁原液加药泵投加，最大设计投加量30mg/L。
次氯酸钠原液加药泵投加，最大设计投加量20mg/L。膜清洗用次氯酸钠亦由此提供。
粉炭采用半自动投加，最大设计投加量50mg/L。袋装粉末活性炭经小包装破包机破包后通过真空吸料加入料仓，经螺旋给料机输送给湿化槽，之后由水射器投加至机械混合池内。
4 应用总结
第九水厂应急供水工程是国内首次大规模采用超滤膜技术处理滤池反冲洗废水的工程，由于无先例可寻，缺乏相关经验，在实施过程中遇到了一些困难和问题，对此采取了一系列处理方式。并在工程完工后继续跟踪总结。
4.1 总结
4.1.1短流程工艺节约占地
本项目采用短流程工艺，在保障水质的前提下，节约占地。在现况第九水厂用地范围内，新增7万m3/d规模供水能力。另外，共占地2360m2，远低于相关指标，体现了节约用地原则。
4.1.2利用现有水厂资源保障出水水质
本项目中，膜车间出水，接入现况三期炭吸附池，充分考虑到单独膜工艺对可溶有机物的去除率低的局限性，体现出水行业中多重屏障理念。
膜车间除可接纳滤池反冲洗废水外，还可接纳水厂原水。当回流水水质较差时，启用原一期回流水池，将回流水接入一期处理构筑物采用长流程处理；膜系统接入原水处理，从而在保障供水能力的同时，保证水质安全。
4.2 系统优化
4.2.1增加前处理构筑物
在工程方案论证阶段，苦于用地紧张，在混合、絮凝后直接接膜池。工程实施后，膜池来水浊度虽然不非常高（＜20NTU），出水也达标，但直接后果是需要频繁化学清洗。虽然化学清洗后膜通量及跨膜压差均有很好的恢复，但增加了维护、管理的工作量（受场地限制，化学清洗最多可同时清洗两组膜架）。如有条件，增加1座沉淀池，将使膜池的进水浊度降低到3NTU以下，其化学清洗的次数将有可能减少。
4.2.2膜池独立分格并以配水堰配水
本项目为3格膜池组成一组膜池可单独运行，该布置方式虽然减少了管道连接，但运行不便，不利于膜的维护、维修。
单组膜池内膜架较多，造成配水均匀性难以保障，单池化学清洗时，一组膜池（三格）停水，增加了其它池的负担。
如采用独立分格，并每格设置独立配水堰配水，配水均匀可以保障，运行灵活性亦将提高。
4.3. 运行优化
4.3.1排泥问题
运行初期，一组膜池每小时排泥1次，每次5min，几乎对膜反洗水不进行排放。运行一段时间后，发现反洗后跨膜压差恢复幅度较小。
针对该问题，试着膜池进行排空，进水之后按原运行参数运行，发现反洗后跨膜压差得到很好恢复。放空前后膜池的跨膜压差发生明显变化，说明冲洗水不排放，导致水中污染物富集对膜丝运行产生了较大影响。
目前，排空为每周两次，上述问题得到解决。
4.3.2化学清洗
根据膜厂家建议，采用盐酸作为化学清洗酸洗药剂。由于盐酸具有很强的挥发性，其挥发物对清洗环境人员健康及设备均不利，设置了单独的通风装置亦作用不大。
解决方式：采用柠檬酸代替盐酸作为酸洗药剂。
5 运行效果
膜处理车间自2010年7月14日起投入运行至今，各项水质指标均满足国家标准及设计要求，其中浊度满足≤0.2NTU的标准（见表4）。
从表4可见，过滤精度高，滤后水浊度≤0.2NTU（100%），对水中颗粒物、藻类、细菌、病毒均有优良的截留效果。实际运行中，混凝剂投加量低， FeCl3投加量为10mg/L；耗电量低，为0.041kw·h/m3。
膜车间处理滤池反冲洗水，大大降低对一期处理工艺的冲击。此外，工程自动化程度较高，膜池液位调节平稳，运行稳定。
