宁波江东水厂：全国首家20万吨/天浸没式膜滤池改造项目/给水厂106项提标改造深度处理案例—浸没式超滤膜水厂的设计及运行

宁波江东水厂：全国首家20万吨/天浸没式膜滤池改造项目

原创 2016-08-26 王秀芳 

 

编者按 

为改善饮用水水质，保证供水安全，宁波市江东水厂采用热法PVDF超滤膜技术对该水厂二期、三期工程的饮用水常规处理工艺进行了升级改造。该升级改造工程将原有虹吸滤池改造为浸没式超滤膜池，最大限度地降低工程造价，同时能保证出厂水水质满足《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006)要求。改造完成后，该厂供水量达到20×10⁴ m³/d，为大型水厂的膜法水处理建设提供了宝贵的经验和借鉴。

作者简介：王秀芳（1968—），江苏盐城人，大学本科，高级工程师，主要从事市政给水排水处理技术研究和工程管理工作。

随着水环境污染的加剧和水质标准的提高，水厂常规处理工艺的局限性越来越明显。超滤工艺能有效去除水体中的悬浮物、胶体、细菌、病毒和大分子有机物，出水水质稳定，同时具有占地面积小、自动化程度高等特点，在老水厂升级改造和新水厂建设中得到越来越广泛的应用。其中，浸没式超滤膜因具有产水量高、能耗低、便于与其他工艺相结合等优势而受到广泛重视，成为替代水厂传统处理工艺的最佳技术选择之一。

 

为提高宁波市江东水厂出厂水水质，保障市区供水安全，2013年12月宁波市发改委批复立项了“江东水厂改造工程”，并将该工程列为宁波市重点工程。该工程改造重点为过滤工艺，即在保留现状混凝沉淀工艺的基础上，将原有的虹吸滤池改造为浸没式膜滤池，改造完成后向外供水能力达到20×10⁴m³/d。目前，超滤膜在我国大型水厂中的应用不多，尤其是10×10⁴m³/d以上的大规模应用还比较少，20×10⁴m³/d规模的浸没式膜滤池改造在全国属第一家。该工程在超滤工艺升级改造应用过程中积累了宝贵的经验，为国内水厂的工艺升级改造，特别是大型水厂的膜法处理建设提供了宝贵的经验。

1    江东水厂概况

宁波市江东水厂是向宁波市中心城区供水的主力水厂之一，原水取自白溪水库和亭下水库下游的萧镇地表水，白溪水库水水质优良，基本达到国家Ⅰ类地表水标准，萧镇水源由于受到各种污染物的影响，水质稳定性相对较差，为Ⅱ—Ⅲ类水源。整个水厂原采用折板絮凝平流沉淀池＋虹吸滤池的制水工艺，建设规模为35×10⁴ m³/d，分三期建设，一期、二期各10×10⁴ m³/d，三期为15×10⁴m³/d。根据宁波市中心城区给水专项规划，江东水厂制水规模由目前的35×10⁴m³/d压缩至20×10⁴ m³/d。

 

由于受现状制水工艺的限制，针对水库水低浊、低碱度特点，在压缩制水量后，出厂水相关指标虽然能达到现行国标要求，但离浙江省优质水标准还有一定的距离。为进一步提升水厂出水水质，解决江东水厂现状存在的主要问题，并使出厂水水质达到浙江省优质自来水标准，将原虹吸滤池改造为浸没式超滤膜池。

2    超滤技术的应用

改造建设南北两座膜池，分为4排，每排6格，共24格膜池，每格膜池一个膜系统，24个系统平行运行，其中每排6格膜池共用一套抽真空系统，每座12格膜池共用一套反洗系统、气洗系统、维护性清洗系统，所有24格膜池共用恢复性化学清洗系统和气检系统。

 

膜系统的运行工艺主要包含：抽真空、过滤、气水反洗、排污、维护性化学清洗、恢复性化学清洗、完整性检测和在线水质监测等。本次升级改造中选用了膜华iSMF-E2000-01TV533-W型中空纤维膜，该超滤膜组件基本参数见表1。

 

表1     超滤膜组件基本参数

 

超滤膜组件型号	iSMF-E2000-01TV533-W
膜材料形式	中空纤维膜
膜材料	热法PVDF
过滤孔径（μm）	0.05
膜丝外径（mm）	1.6
膜丝内径（mm）	1.0
有效过滤面积（m2）	38.5
膜丝抗拉强度（N）	8.5
耐受温度（oC）	1~45
运行pH值	6~9
最大抽吸压力（kPa）	40（膜池接管点）

 

2.1     超滤处理工艺

来水通过进水阀控制进入超滤膜池，在抽吸泵形成的负压驱动下，水从中空纤维膜外侧进入到内侧，汇集于每个膜组件的集水管，之后汇集到每个膜架的产水支管，每个膜架上的产水支管连接到膜池的产水管，滤后水经各膜池的产水管，由抽吸泵输送到出水渠并进入清水池。浸没式超滤系统采用间歇产水方式，采用自来水处理中典型的产水周期，设计产水周期约为60 min，包括过滤产水约59 min，气水反洗约1 min（30 s空气擦洗+30 s气水反洗），过滤运行步骤见图1。

图1     浸没式超滤运行步骤示意图

2.2     物理清洗系统

随着过滤的进行，待滤水中的胶体有机物、细菌和悬浮固体等逐渐累积在膜面或膜孔，形成可逆或不可逆膜污染。膜污染的出现增加了跨膜压差（TMP）值，膜通量出现下降。为了在合适的TMP值范围内保持膜的通量，膜系统可自动进行周期性的气水反洗，此过程包括产水反向通过膜同时空气擦洗膜纤维的外表面，气水反洗时间一般约为1min。本工艺中气反洗压力为35~50kPa，气反洗流量为1350~1925m³/h，水反洗流量为650~700m³/h，气擦洗时间和气水反洗时间各约30s。

2.3     化学清洗系统

超滤膜长时间运行后，膜表面和膜丝内部积累的污染物无法通过正常的气水反洗去除，需要利用适当的药剂对超滤膜进行清洗。该系统中，根据清洗药剂和清洗方式的不同，将化学清洗分为维护性化学清洗和恢复性化学清洗两种。

 

维护性化学清洗又称化学加强反洗（CEB），是一种化学药剂强度较低的在线维护性清洗，加药时间一般为5 min，浸泡时间约为30 min，清洗周期一般为7~15天。恢复性化学清洗是一种强度更高的清洗方式，当跨膜压差（TMP）超过60kPa时需进行化学清洗，清洗周期一般为6 个月，包含碱洗和酸洗，先碱洗后酸洗。通过化学清洗泵，将化学清洗箱中配制的化学清洗溶液送入膜组件，采用循环回流至化学清洗箱及保持清洗溶液在膜组件内静置浸泡的操作方式。化学清洗的具体参数见表2。

 

表2     化学清洗参数

 

项目		化学清洗药液	周期	清洗时间
维护性化学清洗		200mg/L NaClO	7~15天	30 min
恢复性化学清洗	碱洗	0.04%NaOH+1000mg/L NaClO	6 个月	4~6h
	酸洗	0.5%（W/W）盐酸（HCl）溶液	6 个月	4~6h

 

2.4     在线完整性测

为确定膜元件和膜丝是否有损坏或破损，需要定期对膜组件进行气检，保证膜组件的完整性。浸没式超滤膜的完整性检测是基于膜的泡点原理，采用自动压力衰减的测试方法，在线验证膜的截留有效性。通过完整性检测可以找出受损的膜元件和中空纤维膜丝具体位置，以便对膜元件实施修补。将压缩空气注入到浸没式膜的产水侧，切断空气保压5~10min后，PLC系统自动记录出保压时间t 内的气压衰减速率，如果气压衰减速率低于设定值，则系统自动进行下一步；如果气压衰减速率高于设定值，则系统进行待机并报警。系统报警后需人工启动膜泄露测试，通过气泡法对破损位置进行定位，并及时修补修复，完成后重新安装到膜池，并对该膜组件再一次进行完整性检测，检测通过后恢复产水。

3    处理效果及成本分析

3.1     处理效果分析

该工程改造完成应用后，出水水质优于《生活饮用水卫生标准》 （GB 5749—2006），出水浊度稳定在0.10 NTU以内，出水中检测不到细菌（包括大肠菌），保证了饮用水的生物安全性，并达到设计产水规模。

 

表3 进、出水浊度（NTU）对比

原水进水浊度	沉淀出水浊度	原工艺出水浊度	超滤工艺出水浊度
3.3	1.25	0.15	0.07
1.9	0.88	0.10	0.06
1.6	0.87	0.09	0.07
2.1	1.33	0.08	0.06

 

3.2    成本分析

改造完成后水厂产水量为20×10⁴m³/d，工程概算投资为18666.79万元。运行过程中，膜池的直接运行成本约为0.20元/m³，包括电费、药剂费、固定资产折旧费等，折旧按照工程实际招标价格估算。

4     结语

超滤膜技术作为一种新兴的水处理技术，具有出水水质好、工艺流程短、占地面积少、建设周期短、自动化程度高等特点，它能有效去除原水中的悬浮物和胶体物质，将出水浊度降至0.1 NTU以下，能将细菌、病毒、两虫、藻类水生生物几乎全部去除，提高出水水质安全性和生物稳定性。在工程设计中，要根据工程实际情况进行各种工艺设备的比较；工艺运行中，根据原水情况选择合适的运行参数；化学清洗中需做好防护措施，保证人身安全；及时监测系统的运行状况和进水水质的变化情况，出现问题及时停机处理。

随着经济发展水平的提高，以及膜技术的成熟和产品价格的降低，膜法饮用水处理技术的大规模应用成为可能。宁波市江东水厂升级改造工程一大亮点就是将二期虹吸滤池改造为浸没式膜滤池，20×10⁴ m³/d规模的浸没式膜滤池改造在全国属第一家，可供借鉴的经验不多，改造难度很大。在本次工程建设及日常运行管理等方面积累的经验，可以为国内水厂的工艺升级改造，特别是大型水厂的膜法水处理建设提供宝贵的经验和借鉴。

 

该文即将正式发表在《中国给水排水》2016年9月第18期，题目：超滤膜技术在宁波市江东水厂升级改造中的应用 作者：王秀芳 单位：宁波市市政公用工程安全质量监督站。

 

 

 

大型浸没式超滤膜水厂的设计及运行

2014-12-10 

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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