浸没式超滤膜在某中华鲟大型科普展示水体维生系统中的工程应用

余晓倩

上海市水生野生动植物保护研究中心，上海 202150

中华鲟是长江珍稀濒危物种，被列为国家一级重点保护野生动物、濒危野生动植物种国际贸易公约保护物种，是长江水生生物多样性的典型代表，也是长江流域生态环境健康状况的指标性物种。自党的十八大以来，国家推进生态文明建设的战略部署，为响应习近平总书记“共抓大保护，不搞大开发”的指示精神，进一步落实好《中国水生生物资源养护行动纲要》《中华鲟拯救行动计划》和国家长江经济带建设中“江湖和谐、生态文明”的有关要求，必须尽快采取有力措施加强中华鲟等珍稀濒危物种的保护和宣传。为加大宣传力度、提高公众对中华鲟保护的关注以及更好地研究动物行为学，某中华鲟保护基地通过新建大型科普展示水体，号召全社会参与到中华鲟等珍稀濒危物种的保护工作中，并配套新建同等水处理能力的维生系统以确保该科普展示池展示水体的清澈、透明。

1 工程概况

某中华鲟保护基地新建科普展示池2 座，净尺寸分别为20.2×30 m、16×26.2 m，池深10 m，有效水位为9.8 m，水体量分别约为5 900 m3、4 100 m3，总水体量约为1×104m3，主要用于中华鲟科普展示及中华鲟动物行为学研究，设计水体循环周期为1.5 h/次，即展示水体配套维生系统设计规模为1.6×105m3/d。展示池养殖密度低，饲料、饵料投加量较少，产生的污染物量也较少，但该区域对透明度等水质指标的要求较高，依据设计任务书，水质除满足《渔业水质标准》（GB 11607-1989）外，还需浊度小于0.25 NTU。氨氮的去除是水产养殖中最核心的问题，工厂化循环水养殖通常通过硝化作用将系统中的氨氮转化为毒性较低的硝酸盐，从而降低系统中的总氨氮浓度。养殖系统中每天产生的氨氮估值可以根据投饲量计算，氨氮和总投饲量之间的转化经验式为[1]：

总水体为10 000 m3，展示池内最大养殖密度为1 kg/m3，最大养殖量为10 000 kg。设计日最大投喂率为1%，日投喂量为100 kg，根据水池养殖密度及污染物产量分析，每日系统氨氮产生量为：100×40%×0.092=3.68 kg。系统中理论氨氮最大质量浓度为：3 680÷10 000=0.368 mg/L。

2 维生系统的工艺选择

常规海洋馆等展览水体维生系统通常采用“微过滤—蛋白质分离—生物滤池—紫外（臭氧）消毒”的循环水处理基本工艺，同时需要配合每周20%的换水量。

因水体浊度要求低于0.25 NTU，因此在不加混凝剂的前提下，滤池出水浊度无法达到要求。但是在养殖循环水处理的系统中，不可不断地投加混凝剂。目前，国内大型水族馆通常通过大量投加臭氧氧化的方式保证水体的浊度。而水体中细小颗粒是由鱼的食料、排泄物和分泌物等有机物组成，大剂量投加臭氧氧化可降解细小颗粒，表面上使水变清了，但也使水中溶解性污染物变得极其复杂，给中华鲟日常生存环境带来潜在风险。超滤膜技术与传统处理工艺相比，可在无化学试剂添加、无温度限制的环境下进行养殖废水处理[2]，具有出水水质好、达标稳定、处理设施自动化程度高、水质关键参数可调整以满足科研要求等优势[3]。

本次科普展示水体的维生系统采用先进的“生物活性炭滤池+浸没式超滤/砂滤”组合的处理工艺，工艺流程如图1 所示，完全模拟浓缩自然界的生物循环处理和纯物理的精密机械筛滤（精度小于0.01 um），可有效去除水中的颗粒状物质和氨氮等，不产生任何副产物，同时隔离了细菌和病毒，使中华鲟能生活在更自然的环境中，确保蓄养保护对象的安全性。

图1 工艺流程图

3 工程设计

3.1 生物活性炭滤池

生物活性炭滤池能有效去除水中的小分子有机物和氨氮，设计规模16 万m3/d，设置1 座，分为8格，双排布置，双排之间设管廊。活性炭滤池池水深约5.65 m。

生物活性炭滤池采用上向流形式，单格有效面积72 m2，设计空床流速11.6 m/h，活性炭层厚2.5 m，炭层接触时间10.8 min。同侧活性炭池通过渠道及进水堰进行配水，每格设DN600 进水电动蝶阀将水引入池底配水配气渠，并通过配水配气系统均匀配水至整格活性炭池。出水通过出水槽收集后进入出水渠道，初滤水排放阀门为DN400。另外，每格活性炭滤池各设DN300 手动放空蝶阀1 只。生物活性炭滤池反洗采用单气洗方式，气洗强度15 L/(m2·s)，配套风机为3 960 m3/h，风压5 m，功率为90 kW。

3.2 浸没式超滤膜池

浸没式超滤膜池为精密的机械过滤，大于膜孔径的物质均被有效截留，几乎能将细菌、病毒、两虫、藻类及水生生物等全部去除。设计远期规模12 万m3/d，近期规模8 万m3/d。浸没式超滤膜系统分为进水系统、抽真空系统、产水系统、反洗系统、化学清洗系统及完整性检测系统等几个系统。

3.2.1 超滤膜池

超滤膜池设1 排，双排对称布置，每排6 格，近期投产4 格，膜材质为PVDF，采用帘式膜元件组成浸没式超滤膜设备，单格膜池尺寸11.2×5.1×4.5 m。工程设计膜通量为28.1 L/（m2·h），单格膜池内设置膜组器11 组，单个膜组器面积为3 055 m2，对应单格膜池膜面积为3.36 万m2。

膜架浸没在池内水中，淹没深度为0.90 m。单格膜池上方设置不锈钢活动盖板，避光的同时也可保温。为便于膜架维修拆卸和封堵，膜架出水管路连接接头采用活接形式。每池设统一的反冲洗水管、出水管和气冲管。

3.2.2 进水系统

膜池设2 条进水渠道，进水总渠宽1.90 m，负责6 格膜池总进水，进水分配渠宽1.2 m，负责单格膜池进水量分配。单格膜池设进水堰及进水闸板阀。

3.2.3 产水系统

浸没式超滤膜通过负压抽吸使膜丝内外两侧产生压力差，在压差作用下，水透过膜丝的孔隙进入膜丝内侧，最终汇集到各个膜元件产水管中，每格膜池产水进入中央产水渠，通过中央产水渠内与膜过滤池的液位差值，利用虹吸产生负压，将产水送入清水池中。

3.2.4 排水及回用系统

膜池排水通过底部4 根DN200 排泥管收集汇总至DN400 排水管道中，再在DN400 管两端设置启动切换阀门，控制排水出路，一路跌水进入排水池，另一路跌水进入中和池。

膜池反冲洗废水排入下叠排水池，采用单级单吸离心泵提升并均匀回用至进厂原水管道上或排放。膜池化学洗废水进入下叠的中和池，经中和达标后排放。

3.2.5 气水反冲洗泵房

气水反冲洗水泵和鼓风机均设置于膜滤池旁，与膜池辅助车间合建，主要用于浸没式超滤膜及砂滤池的水反洗及气擦洗。膜反洗强度为30 L/m2/h，设置可变频卧式离心泵3 台，互为备用，单台泵流量为1017 m3/h，扬程为15 m。为防止水泵气蚀，水泵最低吸水水位低于中央产水渠的最低运行水位。

空气擦洗系统采用罗茨风机供气，共设3 台风机，互为备用，单台风量3 360 m3/h（对应气擦洗强度为100 L/m2/h），风压5.0 m，90 kw，变频设置。

3.2.6 膜池辅助车间

膜池辅助车间设置于膜滤池旁，与膜池气水反冲洗泵房合建，包括膜池化学清洗抽吸循环泵、真空设备、空压机等部分。

除日常水冲洗和空气擦洗之外，浸没式超滤膜组件运行一段时间后，还需进行周期性化学清洗。周期性化学清洗一般包括维护性清洗和恢复性清洗两种。浸没式超滤膜配置化学药剂种类为柠檬酸、NaClO 等，药洗后的废水经亚硫酸氢钠、NaOH 还原中和。药剂贮存于综合加药间，分别储存柠檬酸、NaOH、亚硫酸氢钠和NaClO 等药剂。维护性清洗周期30 d（可调），维护性清洗膜浸泡时间30 min，设计采用200 mg/L 的NaClO。恢复性清洗周期12～24个月（可调），恢复性清洗膜浸泡时间4～6 h，设计采用0.1%的NaClO 和0.5%的柠檬酸洗依次对膜进行化学恢复性清洗。

3.3 砂滤池（与浸没式超滤膜池合建）

砂滤池主要去除脱稳的细小悬浮颗粒，与超滤膜滤池统一布置（超滤膜池及砂滤池组合剖面见图2），规模8 万m3/d，共6 格，单排布置。单格过滤面积72.6 m2。设计滤速11.48 m/h，滤层上水深1.8 m。滤料采用石英砂，有效粒径0.9～1.00 mm，厚度1.5 m，承托层砂粒径2.0～16.0 mm，厚度0.45 m。

图2 超滤膜池及砂滤池组合剖面图

3.4 提升泵房（与浸没式超滤膜池合建）

结合超滤膜池的中央产水总渠布置提升泵房，将超滤膜池出水和砂滤池出水提升至科普展陈池。设置潜水轴流泵6 台，4 用2 备，单泵流量2 500 m3/h，扬程8.2 m，功率110 kW。

3.5 水力高程设计

厂区道路标高以0.00 m 计，科普展示水池设计水位7.50 m，生物活性炭接触氧化池进水水位6.50 m，出水水位4.80 m，超滤膜池进水水位4.25 m，产水水位0.00 m，通过潜水轴流泵提升至科普展示水池中。

3.6 平面设计

生物活性炭接触氧化池平面尺寸为34.9×34.8 m；浸没式超滤膜/砂滤组合滤池平面尺寸为47.58×40 m；提升泵房平面尺寸20.43×40 m，提升泵房与浸没式超滤膜池反冲洗泵房合建，提升泵房水池上部为配电间和辅助车间。

3.7 系统特点分析

构筑物集约化布置，占地面积小。超滤膜池和砂滤池组合布置，中和池、排水池叠于组合池下方。辅助用房设置于组合滤池旁，最大程度地集约化布置，减少构筑物占地面积。

系统独立，便于管理。超滤膜池和砂滤池反洗系统独立，膜池、砂滤池均为独立系统，按顺序反洗，互不干扰。此外，系统还预留2 格膜池，远期仅需安装膜箱，即可接入系统，便于实施系统水质的调控。

国内循环养殖系统工艺多采用“微过滤—蛋白质分离—生物滤池—紫外（臭氧）消毒”的循环水处理工艺。本工程创造性地采用“生物活性炭滤池+浸没式超滤膜/砂滤池”组合工艺，解决了化学试剂添加的问题，设计规模为16 万t/d，是国内科普展示水体维生系统中应用浸没式超滤膜最大的工程实例。

合理化布置进、出水管线。科普展示池的进、出水管线较大，通过集、分水器将DN1200 和DN1400的管线分为多个DN400 的小管线，接入科普展示水体中，多点进水，以实现展示池内合理布水。

4 工程投资

维生系统占地面积约6 500 m2，其中构筑物总占地3 827 m2。土建工程费用估算约为1 244 万元，工艺设备及安装部分工程估算约为6 419 万元，合计总投资约为7 663 万元，吨水投资成本约为480元/t 水。

5 结语

国内首次将“生物活性炭滤池+浸没式超滤膜/砂滤池”组合工艺应用于中华鲟等珍稀濒危物种的大型科普展示水体维生系统中。调试阶段显示，该工艺可有效去除水中细菌等微生物、降低水体浊度至0.1 NTU 以下，达到展示水体所需的视觉上清澈、透明及维生系统稳定运行的效果。该工程是浸没式超滤膜等工艺在大型循环养殖系统中应用的一次突破，为行业提供了工程案例数据支持。该工艺可确保出水水质的稳定性和安全性，这一结论也早已在多个水厂运行中得到证实[4-5]。