浸沒式超濾膜在市政中水中的應用

韓興國,楊繼,劉彬

（1.太原鋼鐵（集團）公司能源動力總廠，山西太原030003；2．江蘇精科霞峰環保科技有限公司，江蘇常州213022）

供排水

浸沒式超濾膜在市政中水中的應用

韓興國1,楊繼2,劉彬2

（1.太原鋼鐵（集團）公司能源動力總廠，山西太原030003；2．江蘇精科霞峰環保科技有限公司，江蘇常州213022）

浸沒式超濾膜已應用在太鋼中水回用系統，在近五年運行過程中，體現了出水水質穩定、膜使用壽命長、操作運行維護簡單等特點，良好的水質確保了后續反滲透膜組的長周期穩定運行。

浸沒式超濾膜;壓力式超濾膜;市政中水

1 概述

我國工業取新水量占全國取水量的20%，鋼鐵取新水量約占全國工業用新水量的2.2%，2013年重點統計鋼鐵企業噸鋼耗新水量為3.44 m3。作為世界上最缺水的13個國家之一，水，是制約我國鋼鐵工業發展的重要因素。

太鋼地處中國華北，水資源特別緊張，通過加強管理、分質供水、優化工藝等措施，不斷提高水資源重復利用率，推進“工業廢水零排放”，2013年噸鋼耗新水量為1.45 m3，持續走在冶金行業的前列。

2002年投運的工業生產廢水深度處理項目，2009年投運的生活污水回用處理項目，這些之前的廢水和污水通過深度處理后，作為工業新水補充水源，大大節約了水資源的消耗，取得了良好的經濟效益和社會效應。

2 系統工藝流程及介紹

2009年投運的生活污水深度處理工程使用的水源是生活污水，尖草坪地區居民生活污水、北沙河和北澗河污水匯集后，每天水量在5萬t左右，經粗格柵（柵隙25mm）、細格柵（柵隙5mm）去除大顆粒漂浮物后，然后經沉砂池和隔油沉淀池進入MSBR池，處理后的水進超濾膜和反滲透膜，產水供循環水補水和鍋爐補水。

工藝流程如圖1。

圖1 工藝流程圖

2.1 沉砂、隔油池[1]

沉砂池采用渦流沉砂方式，兩座直徑3.05 m，池深1.60 m，表面負荷q＝200 m3/m2.h，在沉砂池中間設有旋流沉砂器，使池中心的水流形成上升流。

隔油沉淀池為平流式，共2組，每組包括兩池，每池尺寸38.0×8.0m，有效水深3.8 m，水力停留時間1.5 h。

2.2 MSBR池

MSBR（Modified Sequencing Batch Reactor）為改良式序列間歇反應工藝，它是在傳統的A2/O工藝的基礎上結合SBR工藝特點和接觸絮凝過濾理論發展而成的一種污水處理新工藝，每座MSBR反應池有一格厭氧池，一格缺氧池，一格好氧池及兩格序批池，兩格序批池交替出水。

MSBR池共兩座，總水力停留時間15 h，每組池體總有效容積15670 m3，共7個單元，曝氣設備采用微孔曝氣器，為好氧反應提供溶解氧源；回流系統采用螺旋漿式推進式泵，序批池出水通過空氣控制出水堰來實現。

進出水水質見表1。

表1 進出水水質

2.3 浸沒式超濾膜

超濾系統作為預處理的核心設備，主要去除水中的膠體、懸浮物及大分子有機物。

該工程選用的是浸沒式超濾膜，6套膜單元，單套處理能力312 t/h。

浸沒式膜組件包括固定在垂直或水平框架上的中空纖維膜[2]，設在框架頂部和底部的透過液集水管。周期性反沖洗和平緩溫和的空氣擦洗可以減少膜面的濃差極化，這種運行方式對應于低的膜污染速率。每6支膜組件（膜芯+殼體）組成一排膜列，由10～20排膜列按矩陣形式拼成1個膜堆，1～3個膜堆組成一個膜單元。膜單元再加上外圍配套設備就組成一套膜過濾成套設備，若干套膜過濾成套設備加上共用的反洗、清洗、空氣擦洗、完整性檢測、自動化控制系統等就組成一個完整的膜過濾系統，見圖2所示。

圖2 浸沒式超濾膜組件圖

與傳統的壓力式膜過濾不同，浸沒式膜是在較低的負壓狀態下運行，利用虹吸或泵抽吸方式將水由外向內進行負壓抽濾，見圖3，實現低跨膜壓差、適度膜通量的直流式全量過濾。

浸沒式超濾膜參數如下:

超濾膜組件型式:中空纖維

過濾方向:從外側到內側

膜絲直徑（內/外）:0.5mm/0.8mm

膜公稱孔徑:0.04 μm

膜材質:PVDF

單支膜組件有效過濾面積:38.1 m2

單支膜組件外形尺寸:長1800mm，外徑119mm

運行溫度范圍:0～40

運行pH范圍:2～10

最大容許跨膜壓力（TMP）:150 kPa

圖3 浸沒式超濾膜運行原理

2.3.1 過濾過程

待過濾水通過進水管和進水控制閥進入超濾膜池，虹吸自流或通過抽吸泵負壓抽吸把待濾水從中空纖維膜外側抽吸過膜壁，收集于集水管，每個膜池產水匯集到產水母管中，經過產水箱進入清水池。

2.3.2 物理反洗過程

超濾系統進行過濾工作時，進水中的膠體、懸浮物及大分子有機物等雜質被截留在膜表面，隨著時間的推移，膜表面的雜質層厚度的增長加大了過濾阻力，跨膜壓差隨之升高。當跨膜壓差上升到一定程度時，就需要對膜絲進行反沖洗。

反洗過程中利用空氣鼓動容器內的原水對膜絲進行氣水聯合擦洗，擦洗結束后，由壓縮空氣驅動膜絲內的超濾產水由內向外反洗膜絲壁，并最終將膜殼內的全部反洗水排出系統。反洗總持續約5 min。

2.3.3 完整性檢測

為了使膜過濾系統成為隔離病原體和其他顆粒物質的一道有效屏障，過濾體系必須具備完整性，完整性測試主要用于檢測膜過濾皮層的完整性，確保產水水質穩定。

完整性檢測每天一次，進行壓力衰減試驗（PDT），用空氣將膜組件內殘存的產水排放掉，在產品水側通入100 kPa的壓縮空氣，而后關閉進氣閥，保持壓力，通過自動控制系統檢查產水側氣壓衰減的速率來計算出完整性檢測。

2.3.4 化學清洗

化學清洗分維護性化學清洗和恢復性化學清洗，均采用在線清洗方式，整個過程都是PLC自動完成，無需人工操作。

維護性化學清洗一般在超濾膜運行4～7 d后進行，通常進行清洗前，先對膜組件進行反洗，以去除膜表面松散污染物；采用低濃度的次氯酸鈉對超濾膜進行定期的浸泡，以維護運行的穩定性。

恢復性化學清洗周期為1～2個月，分別采用酸洗和堿洗對超濾膜進行定期的清洗。

化學清洗使用藥劑見表2。

表2 化學清洗方案

2.4 保安過濾器

保安過濾器采用的是大流量濾芯，進水端投加還原劑和阻垢劑。

2.5 反滲透膜

一級反滲透系統共有8套，每套機組設計產水能力為200 t/h，一級二段，26：14排列，回收率75%，采用進口膜元件。

3 運行情況

3.1 超濾產水情況

3.1.1 濁度和總鐵

超濾產水的濁度和總鐵一直很低，濁度小于1 NTU、總鐵在0.05 mg/L左右，運行很穩定。

3.1.2 SDI值

超濾產水的SDI（淤泥污染指數）值在投運初期一直穩定在2.2～2.8，運行兩年后上升到3.0～3.8，之后運行也能一直控制在小于4，確保了反滲透膜進水要求。

3.2 跨膜壓差情況

五年的運行過程中，超濾膜的跨膜壓差控制的很穩定，不管是可逆或不可逆膜污堵，都可以通過氣洗、維護性化學清洗和恢復性化學清洗恢復。

在膜組運行初期（4），跨膜壓差均值在20～30kPa，一段時間上升到30～45 kPa，經過氣水沖洗后，跨膜壓差均值又能恢復到20～30 kPa，說明這部分膜污染主要表征為可逆膜污染，通過物理的清洗方式基本能夠去除。

但是經過一個化學洗周期（1年左右）運行后，跨膜壓差均值在30～45 kPa，再用氣水沖洗后跨膜壓差變化不明顯，表明隨著膜組運行時間的積累，膜的不可逆污染逐步增加，物理清洗對膜污染的去除效果逐漸減弱。通過化學清洗，跨膜壓差均值在30～45 kPa，說明化學清洗對膜的不可逆污染有一定的去除效果。長時間運行，膜的不可逆污染已基本趨于穩定。

3.3 超濾化學清洗助劑

2013年7月份開始，一部分工業廢水進入該系統，導致超濾膜的跨膜壓差上升到105 kPa，通過堿洗和酸洗后，只能將跨膜壓差洗到50～65 kPa；后來每次堿洗時，在超濾進水水槽中加入25 kg的XF-1507清洗助劑（表面活性劑和滲透劑），經過一個多月的清洗，跨膜壓差逐漸清洗到30～45 kPa。

3.4 浸沒式超濾膜在該系統中的特點

3.4.1 自動化程度高，人工勞動強度低；

3.4.2 出水水質穩定，滿足后續處理需要；

3.4.3 由于是敞開式設計（見圖4），非常直觀，可以明顯的觀察到氣洗、維護性化學清洗和恢復性化學清洗的狀況；維修保養方便，對于膜絲完整性檢測和更換也非常便利。另外，進行化學清洗時，也可以很方便將需要額外增加的藥劑投加到水槽中。

圖4 浸沒式超濾膜平面圖

3.4.4 使用壽命長。五年來除了少部分膜絲進行了修補外，主體設備基本沒更換過。

3.5 保安過濾器污堵

雙膜法（超濾+反滲透膜）的工藝設計目前非常普遍，有的設計中省掉了保安過濾器這個環節，畢竟超濾產水已經非常干凈，膠體、懸浮物和大分子有機物大部分都能被攔截掉；但是對于進水水源為工業廢水或是水質波動大的水源時，安裝保安過濾器還是非常必要!

該系統在2010年5月運行過程中曾經發生過保安過濾器污堵的情況，原先能連續運行五個月的保安濾器不到一個月的時間就污堵報警。拆開濾器發現濾芯和濾罐上有很多污染物，手摸上去有粘滑感，粘附性強，用自來水沖不下來，呈土黃色，有股芳香型的氣味。后來經分析發現，是前段時間一股焦化廢水連續進入系統，導致了該運行故障，超濾和反滲透膜經過連續的化學清洗才逐漸恢復正常。

4 結束語

4.1 太鋼中水回用系統的投運，每年處理了1600多萬t的市政廢水，同時為企業減少了新鮮水需求量1200多萬t，實現了非常大的社會效應。

4.2 浸沒式超濾膜在太鋼中水回用系統五年來的應用情況看，充分體現了出水水質穩定、膜使用壽命長、占地面積小、自動化程度高、操作運行維護簡單等特點，良好的水質確保了后續反滲透膜組的長周期、穩定運行。

4.3 在5年的運行過程中，也出現了很多次工業廢水進行系統的情況，浸沒式超濾膜也出現了跨膜壓差升高、出水SDI升高、出水水質變差、污染物攔截不住的現象；

4.4 浸沒式超濾膜在給水廠和市政污水回用中使用較多，但是對于水質條件更加復雜、惡劣和多變的工業廢水，浸沒式超濾膜的處理效果如何，則需要更多的應用實例來檢驗。

[1]楊艾花，楊繼，方慧娟.MSBR法在太鋼生活污水回用中的應用及改進[J].冶金動力.2012.3.

[2]羅敏.浸沒式超濾膜在大型給水廠中的應用[J].給水排水.2009.12.

[3]紀洪杰,于海寬,沈裘昌,田希彬,郭愛玲.大型浸沒式超濾膜水廠的設計及運行[J].中國給水排水.2013.9.

Application of Submerged Ultra-filtration Membrane in Reclaimed Water

Han Xinguo1,Yang Ji2,Liu Bin2
(1．Energy and Power Plant of Taiyuan Iron&Steel(Group)Co.,Ltd,Taiyuan,Shanxi 030003,China；2．Jiangsu Jinco Xiafeng Environmental Protection Technology Co.,Ltd.,Changzhou,Jiangsu 213022,China)

Submerged ultra-filtration membrane was applied in the reclaimed water reuse system of Taiyuan Steel.After five years of operation,the submerged ultra-filtration membrane has showed the characteristics of stable outlet water quality,long service life of membrane,operation simple maintenance etc.Good water quality has ensured long-term stable operation of the subsequent reverse osmosis membrane groups.

submerged ultra-filtration membrane;pressured ultra-filtration membrane;reclaimed water

TQ085

B

1006-6764（2015）03-0044-04

2014-12-11

韓興國（1981-），男,2005年畢業于北京科技大學應用化學系，工程師，現從事生產技術管理工作。