大型浸没式超滤膜水厂的设计及运行

纪洪杰1,于海宽1,沈裘昌2,田希彬1,郭爱玲1

(1.东营市自来水公司,山东东营257091;2.上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司,上海200092)

1 水厂简介

东营市南郊水厂2005年6月供水能力达到10万吨/天。水厂以南郊水库引黄水为原水，黄河水经过沉砂处理后进入南郊水库，水厂直接从水库取水，采用二氧化氯、液氯混合预氧化/混凝沉淀/砂滤/液氯消毒的常规处理工艺，出厂水水质能够达到原《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—85）的35项指标要求。

2009年12月南郊水厂实施了水质提标改造工程，在原常规工艺基础上建设了粉末活性炭投加系统和浸没式超滤系统，这是国内设计和建设的首条10万吨/天级的浸没式超滤净水系统，在原水受到微污染的情况下，出厂水水质达到了新颁《生活饮用水卫生标准》（GB 5749 —2006）的106项指标要求。

2012年5月南郊水厂开工建设了规模为10万吨/天的扩容工程，生产原水为距离南郊水厂28 km之遥的永镇水库，该水库也是一座引黄水库。扩容工程采用高锰酸盐预氧化系统/高密度生物粉末活性炭接触氧化/超滤膜深度处理工艺，预计2013年10月底投产。届时南郊水厂将实现多水源供水，总规模达到20万吨/天，极大地提高东城区供水水质和保障率。

南郊水厂由专用的引黄水库——南郊水库取水。2009年—2012年南郊水库水质如下:

①浊度、温度。水库原水浊度相对较低，平均约为10 NTU；冬季低温低浊，冬季浊度平均为3.54 NTU，水温平均为4.9 ℃。

②氨氮。水库氨氮最高为0.95 mg/L,最低为0.1 mg/L，均值在0.4 mg/L以下。水库水的总氮均值约为1.99 mg/L。

③耗氧量（COD_Mn）。水库水耗氧量最高为6.15 mg/L,最低为2.12 mg/L，均值在3.51 mg/L。

此外夏季藻类在水库原水中表现尤为突出，高藻期藻类的均值为9 000万个/天/L。

黄河水中溴化物的含量长期较高，对南郊水库的抽样检查发现,原水中溴化物（Br^-）的含量高达154 μg/L，原水中的溴化物如果采用臭氧氧化工艺时，会产生强致癌物质——溴酸盐。

2 改（扩）建工程工艺选择

南郊水厂改造工程的工艺流程见图1（a），其核心为在常规工艺后增加活性炭-超滤膜工艺，该工艺解决了老旧水厂水质提标的改造问题。目前超滤膜系统安全运行了三年多，出水水质稳定，各项检测指标符合新颁国标要求。扩容工程的工艺流程见图1（b），该工艺采用高锰酸盐复合药剂预氧化/粉末活性炭/混凝沉淀/超滤膜组合工艺。与现有的净水工艺相比，采用了气动混合、气动絮凝、短板沉淀，去掉了V型滤池，超滤膜池直接设置在沉淀池末端，组成了综合的沉淀膜池。

图1 南郊净水厂工艺流程

3 值得注意的几个问题

3.1 设计方面

3.1.1 适当确定膜的设计通量

一般宜选择膜经济通量的90%左右作为设计通量。对于已达到设计负荷的老水厂改造，建议膜池膜组一次性配置并适当留有余量；对新建膜水厂宜在满足当前供水需求的同时，逐年增加膜组数量。

南郊水厂提标改造工程设有12个膜池，每个膜池过滤面积为12 600 m2，设有6个膜组，每组设2 100 m2膜组件，采用离线化学清洗，减小了因化学清洗对膜池产水量的影响。

扩容工程中膜组采用了在线化学清洗，膜池数量的选择方面考虑了膜组离线清洗时产水量的保障问题。同比提标改造工程多了4个膜池作为备份,可保障膜池化学清洗的产水需求。

3.1.2 优化膜池进水

改造工程为了解决进水对膜丝的冲击作用，采用了在进水口前面位置安装1 200 mm×1 600 mm的不锈钢消能板的方法，大大减小了膜池进水口处侧向进水对膜丝的冲击影响。

扩容工程采用了自带防护的新型柱状膜组件，彻底解决了这方面的问题。

3.1.3 粉炭投加点及投加方式的选择

改造工程设有前、后投加点。前投加点一般为原水进水口投加，这样能使粉炭达到最大吸附效果。但如果取水口远离水厂，则必须新建粉炭投加泵房，增加投资，且不易维护管理。后投加点设在膜池进水管上，作为应急备用，生产试验中投量达2 mg/L时，对去除有机物并不明显。

投加量的确定：粉炭的投加量应根据原水的水质的特点，通过试验确定投加量。南郊水厂的原水有机物含量较低，夏季高藻期粉炭的投加量约为6~8 mg/L，冬季约为3 mg/L。

粉炭投加方式有湿式和干式两种,投加泵有螺杆泵和凸轮泵。改造工程中采用螺杆投加泵湿式投加方式,在使用过程中发现效果不是很好,在投加过程中粉炭容易飘散,危害操作人员健康并污染环境。此外,螺杆泵在长时间运行后,其定子部分极易磨损,造成故障,其在使用的持久性能方面不如凸轮泵，所以拟将螺杆泵改为凸轮泵。扩容工程在粉炭投加的选择方面做了改进,使用水射器投加，以降低粉炭颗粒对周边环境的影响。

3.1.4 膜池总进水阀门的控制

超滤膜车间为全自动控制，设定各种参数后自行运行，但是膜池总进水阀门往往被忽略。设计者一般认为设置该阀门主要为检修使用，当膜池的进水量大于其膜组产水量时，多余的水就会溢流，以便保障膜池安全。但实际运行过程中，膜前的阀门还应担负着调节进水量的作用，作为大型超滤系统，如果产生溢流，则造成的水资源浪费是巨大的，所以在设计时应能够使膜池前的阀门开启度与膜池的水位相关。在膜池发生溢流的情况下，调减进水阀门的开启度；进水量不足时增加阀门的开启度。

3.2 系统运行方面

3.2.1 适时调整反冲洗周期

膜的冲洗系统分两部分，一是通过曝气利用气泡的剪切作用对膜丝进行擦洗，另一部分是采用清水进行反冲洗。冲洗强度：气冲强度以膜池面积计为60 m3/(m2·h)；水反冲强度以膜面积计为60 L/(m2·h)，每格膜池反洗时间为120 s，先曝气90 s后气水反冲30 s。根据季节和水温调整反冲洗周期，本工程初期反冲洗周期在冬、春季为5 h，夏、秋季采用8 h，尽管系统已经运行43个月，冲洗周期没有变化。扩容工程膜组自带了曝气系统，设计上保留了池底的曝气系统，主要为加强废水排放的效果。

3.2.2 合理确定化学清洗周期

近4年来，我们先后对12个膜池膜组进行了3次在线化学清洗，其中对2个膜池膜组进行了1次离线化学清洗比对试验。在膜组运行初期，跨膜压差均值在20~30 kPa之间，一个运行周期（5~6 h）后，跨膜压差均值在30~45 kPa之间，同比上升40%左右，经过气水清洗后，跨膜压差均值又恢复到20~30 kPa之间，说明这部分膜污染主要表征为可逆膜污染，通过物理的清洗方式基本上能够去除可逆膜污染。经过一个化学洗周期（约12~15个月）运行后，跨膜压差均值在45~55 kPa之间，同比增长1倍左右，这时气水清洗后，跨膜压均值在40~45 kPa之间，同比降低不到10%，表明随着膜组运行时间的积累，膜的不可逆污染逐步增加，物理清洗对膜污染的去除效果逐渐减弱。化学清洗后，跨膜压差均值在30~35 kPa之间，同比降低10%左右，说明化学清洗对膜的不可逆污染有一定的去除效果。但是膜组再运行30 d左右后，跨膜压差又逐渐恢复到30~35 kPa之间，可见长时间的运行后，膜的不可逆污染已基本趋于稳定。同时还发现，经过化学清洗的膜组抽吸泵电流值同比下降15%左右，说明化学清洗对节约能耗作用明显。

3.2.3 膜前消毒剂的投加与膜后消毒剂的改进

超滤膜工艺中，有观点认为在沉淀池出水进入超滤膜池前投加一定的消毒剂，对减缓膜污染、延长膜寿命有非常明显的作用，但通过生产试验发现，膜池前投加消毒剂对整个膜系统的影响不很明显。主要原因：①为应对藻类的影响，在工艺前端投加了液氯和二氧化氯进行灭菌除藻，所以沉淀池出水中颗粒物、藻类等对超滤膜产生影响的物质含量已处于较低水平；②前端投加消毒剂均为过量投加，沉淀池出水中已经含一定量的消毒剂，所以膜池前投加消毒剂所产生的作用不明显。

南郊超滤水厂于2012年9月采用二氧化氯替代液氯对管网水进行消毒。经过长时间监测发现,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。使用二氧化氯对出厂水及管网水进行消毒，比使用传统的液氯消毒更能保障饮用水的安全，其中对COD_Mn的控制，二氧化氯稍优于液氯，但对氨氮的控制，二氧化氯优势明显，使用二氧化氯后水中的氨氮要比使用液氯低50％以上。

专家点评：随着环境污染的加剧，引用水源地水质的不断恶化，安全供水提到议事日程。本论文通过对东营水厂的详细介绍，总结了浸没式超滤膜工艺处理低温低浊度，高藻，微污染的水质时，在设计、施工、调试和运行所积累的经验，为这类水厂的建设提供了有效的借鉴。具有较高的理论和实践价值。

本文荣获《中国给水排水》2013年度“得利满”优秀论文一等奖

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