新型浸沒式超濾膜組器在泰安三合自來水廠提升改造工程中的應用研究

祝加琛，劉振超，宋士健

（山東碧水源環保科技有限公司，山東 濟南 250000）

泰安三合自來水廠工藝為“混凝沉淀+浸沒式超濾”。原有的浸沒式超濾膜已經超過實際設計使用壽命，出現斷絲、膜絲老化現象，導致產水量和產水水質下降的問題。此外，原有浸沒式超濾系統采用泵抽式產水，需要消耗大量的電能。自來水新國標的實施，對大腸桿菌、賈第鞭毛蟲和隱袍子蟲等微生物檢測的要求更加嚴格，并對硝酸根等離子作出了更嚴格的限制[1]，而且隨著全世界對氣候問題越來越重視，節能減排成為“十一五”期間的重要戰略決策，國家對節能減排的要求越來越嚴格。為此，泰安三合自來水廠更換了一套產水量為16 700 m3/d的浸沒式超濾膜凈化系統，為降低能耗，產水工藝為虹吸產水。

超濾膜孔徑通常在0.001～10μm，超濾不僅能去除水中的懸浮物、膠體和微生物等雜質，而且對病毒和化學污染物的去除率能達到99%[2]。不管是在微生物還是化學安全性方面，超濾技術都是很先進的水質凈化技術[3]。超濾可以分為壓力式和浸沒式，通常情況下超濾裝置需要由泵驅動，消耗電能，增加成本。而浸沒式超濾則可以利用虹吸產水，從而降低能耗和成本。

1 改造方案

拆除原有膜組器，更換新型浸沒式膜組器。新型浸沒式超濾膜組器，膜絲材質為聚偏氟乙烯（PVDF），有效孔徑0.02～0.03μm，膜絲拉伸強度大于100 N。膜池裝填膜面積總數為28 160 m2，膜池設計產水量與膜的設計通量分別為16 700 m3/d和24.71 L/（m2·h），設計回收率95%。膜組器填充面積高（膜面積/組器截面積）可達700 m2/m2，占地面積小，采用三位集水系統，產水更均勻，反洗效果好，能有效緩解運行過程中的污染，更適合于日常物理維護清洗；膜元件分4區，膜絲進行雙向有序排絲，膜絲無交錯纏繞，污染物不易累積，膜片間距分布合理，過流及曝氣均勻效果好。

進水口位置增加擋水板。原有膜池進水口是敞開式的，原水進入膜池會直接沖刷膜組器表面，沖擊膜絲，容易造成斷絲問題。安裝一塊尺寸為800 mm（長）×500 mm（寬）×1 800 mm（高）、厚度為4 mm的擋水板，如圖1所示，且下端向墻壁側傾斜30°。擋水板采用不銹鋼316L材質，耐酸堿腐蝕，不會對進水水質產生影響。擋水板距離進水洞口距離合適，不會對進水水流造成阻礙。擋水板可以阻擋水流對膜絲造成的沖擊，降低膜絲的斷絲率。擋水板下端向墻壁側傾斜30°可以抵消部分向下的水流沖擊，進一步降低水流的沖擊力。

圖1 擋水板安裝照片

采用虹吸產水的方式，節能降耗。超濾膜虹吸產水需要有25 kPa左右的水頭壓力，經過測算，膜池正常運行液位比產水池液位高2.6 m，加裝抽真空設備后完全可以實現虹吸產水。原有膜組器采用泵抽式產水，產水泵功率為45 kW，2臺，運行時間為22 h，功率系數取0.8。產水電耗為45×2×22×0.8÷16 700=0.095 k W·h/m3，采用虹吸產水后，可以節約0.095 kW·h/m3的用電量。

優化產水步序，在不降低產水水質的條件下，提高回收率。膜池凈化系統的工藝流程是原水通過閘板流入膜池中并到底一定高度液位，抽真空裝置將管道內的空氣抽走產生負壓，在負壓的作用下水通過膜絲表面進入產水管。過濾一段時間后，膜絲表面會附著大量污染物，此時空壓機啟動，壓縮空氣由膜架下面的小孔排出進行曝氣，將污染物質從膜絲表面吹掃下來，此外在空氣擦洗的同時進行一定時間的水力反洗，增強膜絲上污染物的剝離程度。膜池運行一段時間后，已經殘留了大量截留雜質，此時需要將膜池中的水徹底排放干凈，接著再補充開始新一階段的產水過程。膜池系統工藝流程如圖2所示。

圖2 膜池系統工藝流程圖

運行參數：產水時間為90 min，產水液位為2.8 m，反洗液位為2.2 m，氣洗時間設置為120 s，氣水洗時間設置為60 s，運行5個周期排空膜池。每4個產水周期，反洗排空1次，反洗泵流量Q=1 360 m3/h，反洗時間60 s，總進水量=1 360÷3 600×60=22.7 m3，水池正常運行產水液位3.0 m，單座膜池尺寸為10.6 m×5.5 m×4.6 m。

每天的反洗排水量：（10.6×5.5×3.0+22.7）×4=790.4 m3/d。

維護性清洗參數：清洗液位2.8 m，次氯酸鈉加藥時間1 500 s，循環浸泡3 000 s，氣洗120 s，循環1 200 s，浸泡1 h，循環1 200 s，氣洗120 s，排空藥液，補水至2.8 m，清水循環300 s，反洗120 s，排空，進入產水周期。

化學清洗排水量：膜池化學清洗時液位為3.0 m，單池每天化學清洗藥液量為10.6×5.5×3.0÷14=12.5 m3，每天化學清洗藥液排放量為12.5 m3。

回收率：設計凈產水量為16 700 m3/d，回收率=凈產水量/總凈水×100%=16 700÷（16 700+790.4+12.5）×100%=95.4%。

2 運行結果與討論

更換新型浸沒式超濾膜組器，安裝擋水板，并進行工藝步序優化后連續運行3個月，目前系統運行穩定。3個月運行中，每5 d取一組數據，對產水流量、回收率、跨膜壓差和產水濁度進行分析，產水量一直保持在16 700 m3/d以上，回收率保持在95%左右，跨膜壓差一直保持10 kPa以下，濁度一直保持在0.1 NTU以下。

2.1 產水量隨時間變化

產水流量由膜池產水管道上的電磁流量計實時監測，是自來水廠最重要的指標之一，代表了自來水廠的供水能力。產水量隨時間變化圖如圖3所示，從圖3中可以看出，瞬時產水流量一直保持在16 700 m3/d以上，總的產水流量累計與運行時間成線性正比關系。此外，產水量保持在16 700 m3/d，也能表明擋水板安裝合適，不會對進水造成阻礙。

圖3 產水量隨時間變化圖

2.2 回收率隨時間變化

回收率是根據產水流量和進水流量計算的，代表了自來水廠的節水能力。回收率隨時間變化圖如圖4所示，從圖4中可以看出，回收率有較小波動但一直保持在95%以上，表明新型膜組器可以減少廢水的產出量，節約水資源，降低自來水治水成本。

圖4 回收率隨時間變化圖

2.3 跨膜壓差隨時間變化

跨膜壓差由進水管和產水管上的壓力變送器實時監測，代表了膜組器的抗污染能力以及污染程度，此外它還能表現出系統運行的能耗指標。跨膜壓差隨時間變化圖如圖5所示，從圖5中可以看出，跨膜壓差一直保持10 kPa以下，表明膜組器的污染程度較低，抗污染能力良好。跨膜壓差略微波動的原因是膜組器運行4個周期后，通量下降，跨膜壓差會升高。進行反洗后，通量就會恢復，跨膜壓差會降低。此外，膜池液面高度產生的靜壓力也會對跨膜壓差產生影響。

圖5 跨膜壓差隨時間變化圖

2.4 產水濁度隨時間變化

產水濁度由產水管上的在線濁度儀實時監測。產水濁度隨時間變化圖如圖6所示，從圖6中可以看出，濁度一直保持在0.1 NUT以下，表明產水水質高，膜絲孔徑小。此外，膜組器反洗周期和進水濁度也會對產水濁度造成影響。

圖6 產水濁度隨時間變化圖

3 結論

浸沒式超濾膜池改造完成后已經連續運行3個月，各自運行參數均達到設計要求。產水流量高于16 700 m3/d，運行時間為90 min，產水濁度為0.06～0.08NTU，產水顆粒數小于10個，跨膜壓差小于10 kPa，清洗頻率為每28 d一次，回收率為95.4%。工程實踐證明，擋水板安裝合適，在不降低進水量的情況下，可以有效防止水流沖刷膜絲。優化了產水步序，在不降低產水水質的條件下，提高了回收率。采用虹吸產水的方式，節能降耗，可以節約電耗0.095 kW·h/m3。整個浸沒式超濾膜池改造達到了預期效果。