短流程浸没式超滤膜工艺在给水厂提标改造中的应用

李易

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010）

0 引言

随着《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2022）的出台实施，其对饮用水的感官指标以及原水水质风险防控提出了新的要求，对净水出水水质也制定了更高的行业标准。以“常规处理+臭氧活性炭+超滤”为核心的全流程深度处理工艺[1]，近年来在给水处理行业中已被广泛认可和运用，其以臭氧活性炭为第二代以及超滤为第三代的组合处理工艺[2]，为深度净水提供了化学安全及生物安全方面的全流程、多维度保障。

然而水厂用地紧张、工程投资受限往往是老旧水厂提标扩建所面临的常见问题，致使全流程深度处理工艺无法实施[3]。如何结合原水及现状实际条件，因地制宜选择合理高效的净水工艺流程，是实现老旧水厂提标扩容的关键所在。

超滤技术具有占地面积小、操作压力低、工艺简单和管理操作简便等优点[4]。利用成熟的自动化控制技术，膜运行产水、反洗、化学清洗和完整性检测等运行过程全自动，可减轻操作人员劳动强度，同时确保处理出水品质[5]。本文以广州市某地表水厂提标扩建项目为例，介绍通过采用混凝沉淀和浸没式超滤膜结合的短流程处理工艺，结合叠合池体的构造型式，在仅为常规深度处理用地15.7%的条件下，实现水厂由3 万m3/d～15 万m3/d 的提标扩容改造工作。

1 项目背景

1.1 水厂概况

该水厂位于南沙区榄核镇，北临沙湾水道，工程一期于1993 年建成通水，设计规模为3 万m3/d，出厂水压约为0.42MPa。现状水厂制水工艺采用网格絮凝+斜管沉淀+虹吸过滤工艺。水厂用地红线内面积总计为15334m2，而由于水厂北邻省管河道，考虑30m 水利防洪退让要求，实际可使用面积仅为13224m2。根据《城市给水工程规划规范》（GB 50282—2016）中相关指标要求，给水规模为15 万m3/d 地表水水厂用地面积应为84375m2，而实际水厂用地仅为规范推荐指标的15.7%，用地极其紧张。

水厂已建工艺单体均布局于水厂东侧区域，现状取水泵房一座，絮凝沉淀、虹吸滤池及清水池各两座，南侧为送水泵房、变配电及机修车间，加药间位于两座沉淀池之间。

1.2 水质情况

本工程水源取自沙湾水道，根据水厂提供的近期五年原水及出水水质情况可知，沙湾水道区域水质常年稳定地表水环境Ⅱ类，原水达标情况下，出厂水质可稳定满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2022）中各项指标要求。

1.3 存在问题

（1）由于南沙区供水布局调整，现状老旧水厂由于水源区划的调整导致相继关停迁建，本水厂近期需结合片区专项规划要求进行扩建以满足南沙区北部片区的供水需求。

（2）现状水厂已建成约30 余年，常规净水处理设施老旧，且自控系统不甚完善。此外水厂为片区重要供水设施工程须保证水厂不停水扩建。

2 工程方案

2.1 工程目标

（1）结合片区供水专项规划，通过本工程改造扩建实现水厂设计制水规模从3 万m3/d 提升至15 万m3/d，以满足南沙区北部片区供水需求。

（2）通过完善深度处理工艺提升水厂出水水质，在原水达标条件下，出水满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2022）且出水浊度降至0.1NTU 以下，实现优质供水建设目标。

（3）总平面布置及后续推进建设需考虑水厂不停水施工，即保障现状3 万m3/d 正常运行条件下实现水厂扩建至15 万m3/d。

2.2 改造思路

（1）由于场地受限，工艺流程方面在保证净水处理达标的情况下，结合原水水质条件选择一种短流程处理工艺，以进行对水厂的提标扩建。

（2）净水处理及排泥水处理根据现场条件应尽量采用叠合池体的构造型式，从单体本身进一步实现节地的设计思路。

（3）为实现水厂不停产扩容，应结合场地条件分区分阶段考虑工艺单体的方案建设，考虑施工场地空间，以总分结合的布置型式进行水厂扩建平面排布。

2.3 各环节方案

2.3.1 絮凝沉淀工艺方案

考虑现状3 万m3/d 水厂工程实施阶段需要保障运行，结合用地建设条件，考虑分阶段于水厂东侧预留用地区域新建一阶段10 万m3/d 絮凝沉淀池，一阶段建成通水后，进行二阶段现状工艺扩建工作，最终实现15 万m3/d 运行规模匹配。

2.3.2 超滤膜工艺方案

工程设计阶段结合水厂用地条件及出水要求对臭氧活性炭及超滤膜工艺进行了技术比选，超滤膜处理工艺在运行期间安全性、新建构筑物数量、建设难度等方面更有优势。且考虑到本工程预留用地面积较为紧凑的工程特征，经过多次的平面布局考虑，臭氧+活性炭滤池在可新建区域难以排布，过于的紧凑布置势必将影响水厂本身常规净水工艺的正常运行。综合考虑本工程实际特点、维护管理以及对深度处理的要求等因素，本方案推荐选用膜处理工艺，采用超滤膜系统。深度处理工艺比选如表1 所示。

表1 深度处理工艺比选

而目目前超滤膜按膜系统型式不同可分为压力膜与浸没式膜两类。

（1）压力膜。将大量的中空纤维膜丝装入一圆柱形压力容器中，纤维束的开口端用环氧树脂浇筑成管板，配备相应的连接件（包括进水端、透过液端和浓缩水端）即形成标准膜组件，通过不同数量的压力式膜组件并联或串联即组成膜系统。压力式膜系统根据压力方向的不同又分为外压式和内压式两大类。

（2）浸没式膜。浸没式膜组件包括固定在垂直或水平框架上的中空纤维膜、设在框架顶部和底部的透过液集水管。几个或几十个膜组件通过两个硬直角管将其集水管相连接，同时将它们位置固定，形成一个膜箱。与传统的压力式膜相反，浸没式膜是在较低的负压状态下运行使用，利用虹吸或泵抽吸方式将水由外向内进行负压抽滤，实现低膜压差。

两种超滤膜型式其在系统设计，过滤动力方式安装方式，完成后实际感官效果等方面不尽相同，但本工程实际运行过程中浸没式膜主要采用虹吸式产水，能耗低，后期运行费用低于压力式膜，且更低的设计膜通量能够有效延长超滤膜的使用寿命，减少清洗次数，进一步降低运营成本。因此本次工程在超滤膜类型方面采用浸没式膜工艺。

2.3.3 清水池工艺方案

由于用地预留用地及其有限，考虑絮凝沉淀清水叠合池在目前给水厂中已得到广泛应用，本次水厂扩建进一步将清水池叠合与超滤膜车间下部，以进一步补充清水池的调蓄容积。现状水厂清水池为地上式，与新建清水池高程无法衔接，暂时闲置，后续有水厂进行其他用途改造。

2.3.4 总平面布局

为了满足不停水施工，考虑分两阶段实施，一阶段在新增用地东侧上新建10 万t/d 的絮凝沉淀清水叠合池、膜处理车间及清水叠合池、送水泵房及配电间，在新增用地靠西侧新建污泥调节池、回收水池及浓缩池、污泥平衡池、污泥脱水机房。

待一阶段净水处理构筑物通水后，将现状一座清水池改造为2 万m3/d 网格絮凝斜管沉淀生产线，与原3m3/d 生产线一并由原虹吸滤池改造的中途提升泵房提升至膜处理车间进水总渠处，由超滤膜统一进行后续相关处理流程，以在节省用地，控制投资的条件下实现水厂扩建需求。

3 工程设计

3.1 工艺流程设计

本工程采用短流程净水工艺，核心即为网格絮凝+斜管沉淀+浸没式超滤膜工艺，具体流程如图1 所示。

图1 水厂扩建工艺流程

3.2 絮凝沉淀池设计

一阶段絮凝沉淀池规模为10 万m3/d，采用网格絮凝池及斜管沉淀池合建形式，各设置两组。一阶段絮凝池共计设置一座两组，絮凝时间t=18min。竖井内流速：前段和中段0.12～0.14m/s，末段0.1～0.14m/s。絮凝池泥斗高度0.8m，超高0.4m，有效水深4.8m，则池总高度为6m。一阶段沉淀池表面负荷取4.42m3/（m2·h）颗粒沉降速度u0=0.25mm/s，采用圆形塑料斜管，壁厚0.5mm，斜管内切圆直径d=30mm，斜管倾角θ=60°，沉淀池的有效系数0.95，沉淀池超高取H1=0.40m，清水区高度H2=1.50m，斜管高度H3=0.87m，布水区高度H4=2.83m，有效水深5.2m，总高5.6m。

二阶段即保留现状3 万m3/d 絮凝沉淀池工艺，将现状其中一座清水池改造为2 万m3/d 絮凝沉淀池，形成现状水厂区域5 万m3/d 运行规模，后将虹吸滤池改造为提升泵房，将沉后水提升至超滤膜进水总渠。

3.3 超滤膜处理车间设计

超滤膜净水系统设计净产水量15 万t/d，膜材质采用PVDF，平均膜孔径为0.02μm，跨膜压力范围0kPa～60kPa，采用气水联合反冲洗。

本项目平均膜通量设计为24.8L/（m2·h），膜池数量共14 个，总膜堆数98 个，每个膜堆膜面积2800m2，膜池平面尺寸6.3m×5.7m，每个膜池总有效膜面积274400m2，运行周期为1.5h。进入反冲洗时，气冲持续时间60s，气水联合冲洗持续时间90s，日过滤时间为22.45h。

超滤膜长期运行后，膜表面和膜内部积累的污染物通过正常的气水反洗不能很好的去除，此时，就需要进行化学清洗。

（1）维护性清洗。维护性清洗的周期为7～14d，为保证超滤膜系统运行的稳定性，通常周期性的采用低浓度次氯酸钠溶液对超滤膜进行短时间的浸泡。

（2）恢复性化学清洗。恢复性化学清洗的周期为6～12 个月，也就是一年1～2 次化学清洗。通常用次氯酸钠和酸液对超滤膜进行循环浸泡。

3.4 清水池设计

清水池共设计两座，分别与一阶段絮凝沉淀池以及膜处理车间叠合池设计，絮凝沉淀叠合池部分清水池池长45.2m，池宽27m，膜处理车间叠合池部分清水池池长46.5m，池宽30.9m，有效水深均为4.6m。清水池总容积为12223.35m3，调节系数为7.76%。

4 结语

（1）针对用地有限的老旧水厂提标扩建需求，通过采用浸没式超滤膜工艺替代原有砂滤池，形成絮凝沉淀+超滤的短流程净水工艺，流程简单，处理后可稳定达标，出水浊度可实现0.1NTU 以下。

（2）超滤膜系统设计中膜通量为核心参数，采用较低的膜通量可以有效降低清洗频次，进一步延长膜组件运行寿命及产水效果。