超滤膜短流程水处理工艺在沙河城区水厂的应用

张 娟 张自力 牛豫海

(河北建投水务投资有限公司，河北 石家庄 050000)

随着膜材料的不断发展和膜价格的不断下降，超滤膜技术在饮用水深度处理中的应用也越来越广泛，而经济水平的提高和社会饮用水安全意识的增强也为膜技术在水处理中的应用提供了动力和保障。基于新的《生活饮用水卫生标准》，膜处理技术已成为当下水处理工艺的首选。相比于微滤膜，超滤膜具有更小的纳米级孔径，因此可有效去除水中的悬浮物、大分子有机物、藻类、“两虫”、细菌甚至是病毒等微生物，可有效保障饮用水的生物安全性，被认为是第三代城市饮用水净化工艺的核心。按照超滤膜净水厂的工艺,可分为微絮凝-直接超滤工艺、混合-絮凝-超滤工艺、混合-絮凝-沉淀-超滤工艺以及常规处理-臭氧活性炭-超滤工艺等类型。超滤膜短流程工艺通过简化传统的预处理，只对原水进行适当处理后直接进入超滤膜工艺，能够解决投资和占地问题，运行效果较好。

河北省邢台市沙河城区地表水厂作为国内第一批采用超滤膜短流程工艺的新建自来水厂已成功运行三年。结合华北地区水资源及国土资源紧缺、南水北调原水价格高昂的现状，短流程超滤膜技术因其产水率高、占地省、水质好、运行成本低等特点在新建水厂中的推广应用显得尤为迫切和意义深远。

1 超滤膜短流程工艺应用概况

目前国内建设运行的超滤膜短流程水厂共三个，见表1。

表1 国内超滤膜短流程水处理工艺水厂概况

2 南通卢泾水厂的超滤膜系统

2.1 水处理工艺

南通卢泾水厂在原有的斜管沉淀池上进行了改造，所有膜组件都统一布置在一个池里，分为10组，每组分为2个膜单元，每个膜单元由52帘LJ1E-2000-v160型PVC超滤膜组件组成，设计产水能力为2.5万m3/d，每个膜组件的有效过滤面积为35m2。其处理工艺见图1。

图1 南通卢泾水厂短流程净水工艺示意

2.2 过滤及产水

改造后的浸没式超滤膜池中，实现了富集浓缩絮体和回收物理清洗水的功能，清洗出的滤饼颗粒在重力作用下沉降、静置浓缩，最终通过排泥管道排出。

为了利用膜池与清水池最高水位之间3.2m的水头，在膜池旁边增设容积为50m3的产水渠，一年中的大部分时间都可以虹吸出水。产水渠中超滤后的水，通过管道经加氯消毒自流到清水池中。并在产水渠中安装了2台流量为1250m3/h的变频潜水轴流泵，在水温极低的条件下，可以保证产水量。

2.3 效果分析

改造后的南通卢泾水厂自2009年12月投产运行以来，产水量达标，且运行经验表明还有较大余量，超滤膜对颗粒和微生物等具有极好的去除效果，出水水质优良。

2.4 工艺改良

膜系统最初采用了两端固定的帘式膜元件，见图2，膜帘下方的死角容易产生积泥现象，后经改良，采用了膜丝上方单向出水、膜丝下方为自由端的柱状膜单元，有效防止了膜间积泥，见图3。

图2 南通卢泾水厂初期改造的帘式膜

图3 南通卢泾水厂改良后的柱状膜

3 沙河城区水厂的超滤膜系统

3.1 水处理工艺的优化

南通卢泾水厂因受改造工程的局限，所有膜箱都安装在一个池内，且整体组装的膜箱如出现膜断丝或封胶泄露问题，必须将膜箱整体吊出进行维护或维修，操作较为复杂。随着对南通卢泾水厂运行经验的不断总结，沙河城区水厂作为新建地表水厂，在设计工艺时对膜池系统和膜单元进行了整体优化。

沙河城区水厂每5支膜元件连接1个开关阀门，当气检发现某支膜元件断丝时，可以将相应连接的开关阀门关闭，将该支断丝膜元件取出修补后再安装回去，操作简单，避免了因为检修而整体吊装的麻烦，且不再会因为维修个别膜元件而关停整组膜池进而影响产水，膜箱见图4。

图4 浸没式超滤膜装配后的膜箱

膜池分为2个系列，2个系列分别设A～E和F～J各5个超滤膜池，膜池以墙体进行分割，每个膜池包含2个膜箱，每个膜箱由140个膜柱组成，膜池实现了在线清洗。膜池设置见图5。

图5 超滤膜池布置

3.2 净水工艺

沙河城区水厂的整体净水工艺见图6。

图6 沙河城区水厂短流程水处理工艺流程

水厂水源为南水北调来水，采用“絮凝+膜”的短流程工艺。原水由南水北调主干线重力进入稳压配水井，在机械混合池中投加PAC絮凝剂进行快速混合，然后进入机械絮凝池进行反应，絮凝后的出水进入超滤膜池，在膜池内完成膜过滤、浓水回收、沉淀、污泥浓缩等功能，滤后水进入清水池经管网送至用户。

3.3 膜组件的主要性能参数

沙河城区水厂膜组件的主要性能参数见表2。

表2 LJ2A-2000-PV2型膜组件参数

3.4 工艺系统描述

3.4.1 混合反应系统

由于水力负荷变化较大，絮凝反应池采用机械式混合池和机械式反应池2个系列运行。机械式混合池水力停留时间38s。机械式反应池水力停留时间22min。在机械混合池前投加PAC絮凝剂。

3.4.2 膜池进水、产水系统

絮凝池出水通过两条配水渠道均匀流向10个膜池内。膜池采用穿墙孔进水，在穿墙孔处设置闸板阀控制膜格进水。

产水方式为重力产水，通过膜池与清水池之间的液位差，超滤膜滤后产水进入清水池中。根据实际超滤的运行需要，相应地调整清水池水位。正常运行时膜池与清水池液位差控制在3～4m。

3.4.3 排泥系统

超滤膜在运行过程中，浓水经过膜组件回收利用，污染物将会沉入膜池底部，污泥通过膜池下部排泥斗浓缩排放。当系统正常运行和物理反冲洗时，泥斗底部浓缩污泥通过开启去往污泥池的气动阀门，排入污泥池；当系统进行化学清洗时，通过开启去往酸碱中和池的气动阀门，将酸洗和碱洗的废液排入酸碱中和池，废液中和后外排。

3.4.4 物理清洗系统

物理清洗采用均分运行周期的分单元轮流清洗。反洗周期为90～120min，反洗时间100s，采用气水联合清洗方式。将超滤产水反向透过中空纤维膜，同时在膜堆底部通过气冲擦洗中空纤维膜丝表面去除沉积物，反洗结束后将膜池中的液体排入废液池或污水管。

3.4.5 化学清洗系统

维护性化学清洗和恢复性化学清洗均为在线清洗，即在膜池内进行酸碱加药洗。根据通量和周期确定维护性清洗时间。为保持稳定运行，通常采用低浓度的次氯酸钠对超滤膜进行维护性化学清洗。维护性化学清洗的周期一般为7～14天，具体由现场运行情况而定。

当膜系统通量下降15%左右时，则需要对膜元件进行恢复性化学清洗。恢复性化学清洗是采用酸碱在膜池内浸泡，周期为4～6个月，一年进行2～3次恢复性化学清洗。先在膜池内配入氢氧化钠和次氯酸钠的混合溶液，通过循环泵抽吸药液进行循环；碱洗完毕后，将膜格内废弃的碱液排入中和池，再在膜格内配入柠檬酸溶液，对膜元件进行循环清洗。酸洗完毕后，废弃酸液也排入中和池；膜系统则进入完整性检测程序，之后进行正常产水过滤，见表3。

表3 维护性化学清洗以及恢复性化学清洗参数

3.5 运行效果

该工程自运行以来，总进水浊度为0.50～3.50 NTU、进水pH值为7.80～8.15，膜系统产水率达到99.7%，膜出水浊度不大于0.1NTU的保证率可达100%，基本不受进水水质的影响，对藻类的去除率高达100%，膜池产水水质见表4。

表4 膜池产水水质检测结果

4 沙河城区水厂运行问题及分析

4.1 出现的问题

a.运行一年后，发现反冲洗后正常产水量呈逐渐减少趋势，须增加维护性清洗时间、频次，才能达到原有的产水量。

b.膜池反冲洗水泵启动时，膜系统管道连接阀门及水泵连接系统出现水锤现象。

c.产水量小时，两组膜池出现液位不等、配水不均现象。

4.2 原因分析

a.经分析产水量减少的原因主要包括以下几个：ⓐ因为进水水质、水量的不稳定性，致使混合反应系统PAC絮凝剂投加量不易控制；ⓑ膜池进行物理反冲洗时，进膜水中较大絮凝绒体在膜组件表面还未完全吸附形成污泥饼，部分较大絮凝绒体被打碎而悬浮在膜池内不易沉降，造成物理反冲洗效果大打折扣；ⓒ周而复始，长期累积，膜组件表面附着物大量增加，膜组件污染加重，以致影响到产水量。

b.出现水锤现象首先要明确的是当阀门两端管道处于满水时，操作阀门或水泵是不会出现水锤的，只有当阀门两端管道有一端不是满水，失去平衡后操作阀门，才会出现水锤现象，而且操作速度越快水锤冲击力越大。

c.设计中配水井位置和膜滤池出水总管过于偏离膜滤池进出水中线，使得配水井、膜滤池两条出水管道距离不等，造成了两组膜滤池配水不均。

4.3 采取的措施

4.3.1 修改运行程序

混合池、反应池、膜池水的静沉实验发现，至少需要10～15min进膜池水才可形成较大絮凝绒体，呈现泥水分离界面。为了提高物理反冲洗效果，对运行程序进行了修改，将原先正常产水时进水闸板阀的常开状态，改为物理反冲洗前为关闭状态，降低物理反冲洗时的液位后，再关闭产水阀，同步开启反冲洗泵、鼓风机及相应气动阀，进行100s气水混合洗，再静沉30min，待所有杂质沉降到膜池底部后，再打开进水闸板阀，产水阀恢复正常产水。

4.3.2 加强维护性清洗

设定10个膜池轮动式清洗程序，每10天轮动一次，每天进行一个膜池的维护性清洗。对膜池进行降液后，启动气水混合洗流程，并排空池内废水。之后开启化洗程序，投加配置的300ppm的次氯酸钠溶液，10min后关闭加药泵和配药气动蝶阀，30min后关闭化洗循环泵和化洗循环气动蝶阀，浸泡2h，中间开启鼓风机及气洗气动蝶阀进行60s气冲。操作人员可视清洗效果，增加或减少浸泡时间和气冲次数。

4.3.3 调整反冲洗程序

沙河城区水厂在运行中通过采取以下措施，彻底解决了反冲洗水泵开启及闭合时产生的水锤现象。ⓐ调整反冲洗水泵启闭频率：反冲洗水泵启动时，首先开启反冲洗阀，采用0频，设定运行频率延时缓慢启动；反冲洗水泵关闭时，设定运行频率延时，采用0频缓慢关闭反冲洗阀；ⓑ为保险起见，在水泵出口增加电动蝶阀配合消减水锤冲击力；ⓒ调节管路上阀门进气和排气调节螺栓，控制阀板的闭合和开启速度，进而控制水锤的冲击力。

4.3.4 增加进水连通管道

在设计已定，构建筑物无法再做调整的情况下，为适应进水量变化，保持进水相对稳定，沙河水厂利用原设计中DN300排泥池活性污泥回流管道作为两组滤池进水连通管，两组膜池液位保持了平衡，配水不均的问题得到了解决。

经过近三年的运行检验，优化后的运行和清洗方式取得了较好的处理效果，膜污染程度减轻，膜出水水质、水量持续稳定。

5 超滤膜短流程工艺应用结论

a.“浸没式超滤膜”作为水厂的最后一道保障性净水工艺，能有效截留水体中剩余的悬浮物、胶体、藻类、细菌、病毒等污染物，使出水浊度降低到0.1NTU，保证了出水的饮用水安全性。

b.经过预处理的水直接进入超滤，省去了常规净水处理工艺中的沉淀步骤，水在膜池中得到净化，而泥依靠重力沉于池底，并通过排泥管道排除，即在膜池内完成了系统内的固液分离和泥水平衡。

c.短流程工艺采用低通量、低跨膜压差运行方式，膜的渗透压相应较低，有利于降低膜表面泥饼层的密实度，减轻膜的深层污染，并对工艺进行优化，节约能耗。直接超滤在低通量下运行，膜污染发展缓慢且未见不可逆污染，在水源水质较好的情况下，构建超滤膜短流程工艺更经济、合理。

d.在超滤膜过滤的过程中，除了膜本身的抗污性能外，再加上絮凝绒体在膜表面具有一定的化学和物理活性，使超滤膜的物理清洗周期比常规超滤工艺长。短流程工艺预处理(絮凝)后的水直接进入超滤膜，絮凝水的絮凝绒体未经沉淀，颗粒较大，在超滤过程中膜表面形成的泥饼层比较松散，透水性和易脱落性要比小颗粒形成的泥饼层好，提高了超滤膜的抗污染能力。

e.沙河城区水厂采用超滤膜短流程工艺稳定运行了三年，其优化后的运行方式缓解了膜污染，消除了水锤现象，且通过增设连通管道解决了配水不均的问题，该成果可为城市新建水厂及供水厂提标改造提供技术参考。