超濾技術在短流程凈水工藝中的應用

何壽平，張國宇，肖 峰，肖 萍

(1. 中國水網，北京 100086;2. 京金澤環(huán)境能源技術研究有限公司，北京 100101;3. 中國科學院水資源生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085)

國內外專家明確了超濾技術將為提高飲用水的生物安全性提供可靠的保障［1-3］。李圭白院士提出了“以超濾為核心的第三代凈化工藝”將使城市飲用水凈化工藝產生重大變革［4］。超濾膜在過去的幾十年里得到廣泛的應用和推廣［5，6］。

“以超濾技術為核心的第三代凈水工藝”不是各種凈水處理技術簡單的疊加，而是將進入超濾原水的前處理和充分利用超濾的技術特性緊密結合起來。將前處理(包括絮凝、微污染深度處理等)、超濾、濾餅富集濃縮絮體、回收物理清洗水、排泥等集合在一個工藝系統(tǒng)內(簡稱短流程)，從而實現了出水生物安全的可靠和工藝系統(tǒng)的泥量平衡，切實體現了“以超濾技術為核心的第三代凈水工藝”的論斷［7］。

1 短流程凈水工藝

短流程凈水工藝如圖1 所示。

圖1 短流程凈水工藝示意圖Fig.1 Schematic of Shortened-Water-Process

2 試驗

2.1 中試試驗

南通蘆涇水廠為適應新飲用水衛(wèi)生標準的實施，擬采用超濾技術進行改造。于2008 年進行了超濾凈水工藝為期一年的中試。中試裝置產水能力為1 600 m3/d。研究內容包括同一膜池分膜單元運行的技術參數和變通量運行對膜污染的影響;工藝系統(tǒng)內自行消納回收物理清洗水的可行性;絮凝水直接進膜的運行效果。

中試結果表明超濾膜可以替代常規(guī)工藝中沉淀和過濾功能，并實現自行回收物理清洗水。

2.2 生產性試驗

蘆涇水廠(如圖2)25 000 m3/d 生產性試驗改造工程于2009 年啟動，將原有一組斜管沉淀池按短流程進行改建。

絮凝后的水經細格柵直接進入膜池，如圖3 所示。膜組件分成10 個可以單獨進行物理清洗的膜單元。采用均分物理清洗周期，依次對膜單元進行清洗的變通量運行。并在系統(tǒng)內自行回收物理清洗水。清洗出的濾餅顆粒在重力作用下沉降、濃縮后定時排出。采用離線方式對超濾膜進行恢復性化學清洗。

圖2 蘆涇水廠圖Fig.2 Schematic of Lujing Water Treatment Plant

圖3 超濾膜池構筑物Fig.3 Schematic of Ultrafiltration Cell Structure

(1)設計運行參數

10 個單元的中空纖維簾式超濾膜組件。設計通量為30 L/m2·h;跨膜壓差控制在3.2 m 以內(系原有工藝系統(tǒng)內的工作水頭);物理清洗周期為1.5 h;物理清洗歷時為1 ～1.5 min;物理清洗水強度為60 ～90 L/m2·h;清洗曝氣強度為60 L/m2·h(投影面積);系統(tǒng)排泥周期為3.0 h;系統(tǒng)產水率為98%以上(若扣除原有沉淀池的排泥水量，則超濾部分的產水率可以認為達到了100%);在線維護性清洗周期為14 d;離線恢復性清洗周期為4 ～6 個月。

系統(tǒng)運行4 年表明工藝設計達到了預期效果。出水濁度在0.05 NTU 以下，大大提高了水質的生物安全性。停止運行閑置下來的虹吸濾池，將來擬作為突發(fā)性水質污染的應急處理構筑物。系統(tǒng)產水率達98%以上。由于使用低跨膜壓差操作，運行費用較低，主要來自清洗藥劑費用、電費和膜的折舊費用(以5 年折舊計算)，項目每立方米產水比常規(guī)工藝費用僅高0.087 1 元。

(2)運行中出現的問題

設計方案對原斜管沉淀池進行改造，保留了原有斜管沉淀池的中心傳動刮泥機，因此無法將10 個膜單元分別進行在線化學清洗。恢復性化學清洗只能采用離線方式進行，操作比較麻煩。

膜組件采用整體式框架結構，若發(fā)現某一膜簾斷絲、封膠泄漏，必須將整個膜組框架吊離，進行維護、維修，操作頗為困難。

3 短流程與常規(guī)工藝的比較

短流程充分利用超濾技術的特性，超濾替代了常規(guī)工藝中的沉淀和砂濾，生物安全性大為提高。與其他膜處理工藝相比，短流程節(jié)省了建設或改造費用，大大節(jié)省了占地，解決了原有水廠改造無空置地塊的問題。絮凝只要反應充分，絮體無需很大，節(jié)約了投加的混凝劑費用，也減少了泥量和降低了化學物質污染的幾率。兩種工藝的對比如表1 所示。

表1 短流程與常規(guī)工藝的對比Tab.1 Comparisons between Shortened-Water-process and Traditional Process

4 短流程的系統(tǒng)特點

絮凝水直接進行超濾，超濾膜承擔了過濾和在膜表面富集濃縮絮體的雙重功能，在一定條件下替代了常規(guī)工藝中的沉淀和砂濾，并大大提高了出水水質的生物安全性。

絮凝水直接進行超濾，絮凝階段只要有清晰界面的絮體即可，絮體的成長則通過膜表面的富集濃縮，使之形成較原有絮體更大的濾餅，清洗后在重力作用下沉降。

采用低通量、低跨膜壓差的運行方式，無需額外增設提升泵，節(jié)約能耗，更適用于對原有水廠凈水工藝的改造。如對原有水廠工藝采用超濾技術進行改造時，可以充分利用沉淀池與清水池的水位差(一般情況下在3.0 m 左右)。超濾膜產水僅靠系統(tǒng)中原有的水頭即可運行，這樣可以避免使用提升泵或抽吸泵來提高運行水頭，在保證產水量的前提下節(jié)約能耗。

采用在同一跨膜壓差的膜系統(tǒng)內多膜單元并列運行，均分物理性清洗周期的變通量運行方式。基本恒定對超濾膜的滲透壓，減輕了對膜的深度污染，保證了超濾膜抗污染性能的穩(wěn)定。

在多單元的處理系統(tǒng)內，某膜單元物理清洗出帶濾餅顆粒的反洗水，通過正在運行的其他膜單元予以回收，大大提高了系統(tǒng)產水率。

膜表面富集絮體形成的濾餅清洗脫離膜表面后，在較為平穩(wěn)的水流環(huán)境下，通過重力作用沉降到污泥濃縮區(qū)加以排除，從而完成了短流程膜系統(tǒng)內進出泥量的平衡，確保了膜池在物理清洗過程中不會出現“濃水”，使整個工藝系統(tǒng)得以長時間穩(wěn)定運行。

5 短流程的運行機理

沉淀水或濾后水已經將原水中的絕大部分顆粒去除，沉淀水或濾后水進膜的顆粒數量確實少了很多，膜運行所承受的負擔應該較輕。而絮凝水絮體較多，經膜過濾會不會給超濾膜的運行帶來沉重的泥量負擔?

就實際情況而言，以濾后水為例，雖已去除了絕大多數的顆粒，但留存的細微顆粒運行中在膜表面會形成較薄且密實的濾餅層，增加了繼續(xù)過濾的阻力，需增加跨膜壓差，或降低膜的通量，將會縮短運行周期。物理清洗后，細微的顆粒分散在水中，無法自行下沉，則會形成“濃水”，不利于繼續(xù)正常運行，只能排除。

通過試驗和實踐證明，絮凝水的絮體具有活性，即使?jié)岫容^高，只要充分反應(形成的絮體不一定很大)，超濾過程中水被濾過，而具有一定透水性的絮體全部被截留在膜的表面形成濾餅層。保持一定活性的濾餅層可以吸附后續(xù)的絮體，形成更為厚重的濾餅，相比之下，絮體進膜的運行周期得以延長。這與絮凝過程必須通過顆粒相互碰撞使絮體不斷成長的機理出現了不一樣的后期濾膜“富集濃縮絮體”的過程，從而保證了清洗下來的濾餅顆粒“大而重”，具有良好沉降特性。因此，短流程絮凝水進膜運行，整個系統(tǒng)只排“泥”，不排水，實現了進出泥量的平衡。由于膜池內不產生“濃水”，所以工藝系統(tǒng)能夠得以長時間的穩(wěn)定運行。

5.1 短流程運行的絮體進膜的機理

利用掃描電鏡對兩種工藝的膜表面和截面進行了分析，如圖4 所示。

砂濾水進膜，殘留的細微顆粒很小也很少。這些細微顆粒被膜截留，在膜的表面形成較薄但又較為密實的濾餅層，細微顆粒進入膜斷面內引起深層污染。物理清洗出的細微顆粒分散且穩(wěn)定，懸浮在水中無法靠重力作用下沉，形成了“濃水”［7，8］。若不排除，膜池內水體中的顆粒將會不斷增加而無法繼續(xù)運行。

圖4 膜表面和截面照片Fig.4 SEM Analysis of Surface and Cross-Section Membrane

絮凝水中的絮體全都被浸入式中空纖維超濾膜截留在膜絲表面，形成具有一定透水特性的濾餅層。保持活性的濾餅層凝聚吸附后續(xù)的絮體，形成較為厚重的濾餅。物理清洗時，濾餅從膜表面脫落，在重力作用下沉降［7-9］。圖5 為短流程膜在不同階段的實物照片。由圖5 可知運行中膜池水面清澈，而物理清洗時水面較渾濁，清洗結束池內顯現出比進水絮體大的絮體顆粒能夠很快下沉，膜池內水濁度下降。

圖5 短流程運行中膜池Fig.5 Membrane Module in Shortened-Water-Process

人們對絮體結構與濾餅阻力的關系已經形成了一定的認識，以Guan 等［10］提出的改進的Carman-Kozeny 方程如下:

濾餅比阻抗(αc)理論上會隨著絮體分形維數(dF)的增大而增加，隨著絮體粒徑(da)的增大而減小。Choi 等［11］研究發(fā)現高腐殖質含量地表水混凝所形成的絮體，具有較低絮凝指數FI 值，較高的分形維數dF，較小的絮體粒徑，同時較低腐殖酸含量水混凝所形成的絮體，其所形成的濾餅比阻抗更高，也更易壓縮。Barbot 等［12］報道稱絮體抗剪切的能力越強，相應的膜通量也越大，這也是絮體進膜物理清洗周期較長的原因。

5.2 短流程運行的泥量平衡機理

超濾屬物理篩濾，沉淀、過濾后的水所存留的細微顆粒，經膜處理被截留下來，在膜表面形成較薄且密實的濾餅層，物理清洗后則會增加膜進水側的懸浮固體濃度。該濃度以體積濃度因子VCF表示(如式(2))，即膜進水側懸浮固體濃度與膜過濾進水懸浮固體濃度的比率［13］。常規(guī)膜處理工藝若不排除“濃水”，VCF會隨著物理清洗次數增加越來越高，將使整個系統(tǒng)難以為繼。

其中VCF——體積濃度因子(無量綱);

Cm——膜進水側懸浮固體濃度(數量或質量/體積);

Cf——膜系統(tǒng)進水的懸浮固體濃度(數量或質量/體積)。

短流程運行中，在膜過濾和膜表面富集絮體的雙重作用下，物理清洗下來的濾餅顆粒大且易于沉降。清洗后絕大部分的顆粒會以比原來“絮體”還要大的形態(tài)出現在水中，在相對靜止的狀態(tài)下沉降到污泥區(qū)，濃縮后排除。少量破碎了的顆粒在超濾回收過程中被其他膜表面的濾餅層吸附。此時系統(tǒng)內的VCF保持在略大于1。整個系統(tǒng)排除的泥量相當于原水進入膜池的泥量(懸浮顆粒總量)，從而完成了在膜系統(tǒng)內進出泥量的平衡，因此不會因膜單元的反復進行物理清洗并在自行消納回收物理清洗水的情況下出現“濃水”。

5.3 短流程的變通量運行

采用同一跨膜壓差下，均分物理清洗周期，屬變通量方式運行，如圖6 所示。運行中膜的滲透壓在較小的范圍內波動，有利于減輕膜的深層污染。

6 短流程的應用要點

采用低跨膜壓差、大通量，具有良好抗污性能的超濾膜，有利于延長運行周期。

圖6 短流程變通量運行膜通量與跨膜壓差的對應曲線Fig. 6 Relationship between Flux and TMP under Variation FluxOperation

應根據原水水質和超濾膜性能，通過試驗獲取設計和運行參數，并提出與之相適應的前處理方案。

絮凝系短流程前處理的必備手段。絮體的大小對膜過濾并不重要，只要水中的界面清晰具有一定的活性即可，可以節(jié)約混凝劑的耗用，減輕化學物質的污染。

短流程采用多膜格、多膜單元在同一跨膜壓差下并列變通量運行，能夠有效地緩解物理清洗及回收清洗水對膜系統(tǒng)處理水量負荷的沖擊。

膜系統(tǒng)進水及物理清洗時，應盡可能防止在膜組件和膜池內產生劇烈紊流，以免影響物理清洗出來泥餅顆粒的沉降。

為防止漂浮物和雜物進入膜池，在絮凝池出口需設置普通除污格柵。

管路系統(tǒng)設計應盡量降低沿程和局部水頭損失，以節(jié)約運行能耗。

考慮到運行溫度對超濾膜通量的影響，在水廠系統(tǒng)設計時可考慮采用調整清水池的水位來變化跨膜壓差，滿足產水量的要求，并節(jié)約能耗。

短流程可以直接在工藝系統(tǒng)內自行消納回收物理清洗水，提高系統(tǒng)產水率，省卻了額外設置的回用設施。

7 短流程的運行

由于超濾屬物理篩分，去除不了小分子和溶解性物質，因此應根據對原水水質試驗的結果，采取針對超濾膜特性的前處理手段(包括絮凝、生化處理、氧化、活性炭吸附等等)尤顯重要。

當膜系統(tǒng)裝置的硬件固化以后，運行管理(軟件)則變得極為重要，所以必須根據實際運行效果，不斷探索、優(yōu)化運行參數。

當進水量產生較大波動時，應自動根據膜池水位調整物理清洗周期，防止出現膜池溢流或水位降低，將膜絲露出水面。

研究探討提高物理清洗和維護性化學清洗效果，盡可能延長恢復性化學清洗的周期，可以減輕恢復性化學清洗過程中高濃度清洗藥劑對膜的損傷，以延長超濾膜的使用壽命。

物理清洗時應注意避免已經脫離膜表面的濾餅顆粒受到劇烈沖擊。雖然一些被沖散的濾餅顆粒可以通過與源源不斷進入的絮體進行二次絮凝，或被膜表面的仍具活性的濾餅層吸附，但仍應通過調整物理清洗參數，盡可能地減少此類現象的發(fā)生。

8 短流程應用中的問題及思考

浸沒式簾子膜組件在短流程應用中，膜簾下方的死角易產生積泥現象。采用膜絲上方單向出水，膜絲下方為自由端的柱狀膜元件，可以有效防止膜間積泥，如圖7 所示。

圖7 柱狀膜組件Fig.7 Module of the columnar membrane

整體組裝的膜箱如出現膜斷絲或封膠問題，需將膜箱整體吊出進行維護或維修，操作較為麻煩。若對膜系統(tǒng)和膜單元進行整合優(yōu)化設計，既保持膜系統(tǒng)在同一跨膜壓差下分單元運行，又可以對出現問題的膜元件，定向在小范圍內進行拆卸、維護和維修，不會對系統(tǒng)運行產生大的影響，將有利于運行管理。

化學清洗(包括維護性清洗和恢復性清洗)采用離線清洗操作工作量大，拆卸、起吊均比較麻煩。在線清洗可以實現自動控制操作，運行管理較為方便，但系統(tǒng)內所有的膜格必須進行全方位的防腐處理，需分別對各個膜格配置全套的化學清洗管道和閥門，且清洗藥劑消耗量較離線清洗大。

目前超濾膜的完整性檢測較為麻煩。采用間接檢測產水濁度、水中顆粒數及直接氣檢相結合的方法實現自動檢測，并提供圖像定位，能夠迅速對出現損傷的膜元件進行維修，將會大大提高運行管理水平和工作效率。

9 結語

超濾作為第三代凈水工藝的核心技術，是凈水工藝的進步，為水質的生物安全可靠性提供了保障。

短流程是超濾技術在凈水工藝應用方面的創(chuàng)新。在一定條件下替代了沉淀、砂濾，并在工藝系統(tǒng)內自行回收物理清洗水，是一條體現第三代凈水工藝的新型技術路線。

短流程的應用雖然取得了一些成果，仍需不斷地深入探討，特別是針對超濾的前處理技術的研究，去除原水中的小分子有機物，提高超濾的抗污性能尤顯重要!

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