浸沒式超濾膜在某中華鱘大型科普展示水體維生系統中的工程應用

余曉倩

上海市水生野生動植物保護研究中心，上海 202150

中華鱘是長江珍稀瀕危物種，被列為國家一級重點保護野生動物、瀕危野生動植物種國際貿易公約保護物種，是長江水生生物多樣性的典型代表，也是長江流域生態環境健康狀況的指標性物種。自黨的十八大以來，國家推進生態文明建設的戰略部署，為響應習近平總書記“共抓大保護，不搞大開發”的指示精神，進一步落實好《中國水生生物資源養護行動綱要》《中華鱘拯救行動計劃》和國家長江經濟帶建設中“江湖和諧、生態文明”的有關要求，必須盡快采取有力措施加強中華鱘等珍稀瀕危物種的保護和宣傳。為加大宣傳力度、提高公眾對中華鱘保護的關注以及更好地研究動物行為學，某中華鱘保護基地通過新建大型科普展示水體，號召全社會參與到中華鱘等珍稀瀕危物種的保護工作中，并配套新建同等水處理能力的維生系統以確保該科普展示池展示水體的清澈、透明。

1 工程概況

某中華鱘保護基地新建科普展示池2 座，凈尺寸分別為20.2×30 m、16×26.2 m，池深10 m，有效水位為9.8 m，水體量分別約為5 900 m3、4 100 m3，總水體量約為1×104m3，主要用于中華鱘科普展示及中華鱘動物行為學研究，設計水體循環周期為1.5 h/次，即展示水體配套維生系統設計規模為1.6×105m3/d。展示池養殖密度低，飼料、餌料投加量較少，產生的污染物量也較少，但該區域對透明度等水質指標的要求較高，依據設計任務書，水質除滿足《漁業水質標準》（GB 11607-1989）外，還需濁度小于0.25 NTU。氨氮的去除是水產養殖中最核心的問題，工廠化循環水養殖通常通過硝化作用將系統中的氨氮轉化為毒性較低的硝酸鹽，從而降低系統中的總氨氮濃度。養殖系統中每天產生的氨氮估值可以根據投飼量計算，氨氮和總投飼量之間的轉化經驗式為[1]：

總水體為10 000 m3，展示池內最大養殖密度為1 kg/m3，最大養殖量為10 000 kg。設計日最大投喂率為1%，日投喂量為100 kg，根據水池養殖密度及污染物產量分析，每日系統氨氮產生量為：100×40%×0.092=3.68 kg。系統中理論氨氮最大質量濃度為：3 680÷10 000=0.368 mg/L。

2 維生系統的工藝選擇

常規海洋館等展覽水體維生系統通常采用“微過濾—蛋白質分離—生物濾池—紫外（臭氧）消毒”的循環水處理基本工藝，同時需要配合每周20%的換水量。

因水體濁度要求低于0.25 NTU，因此在不加混凝劑的前提下，濾池出水濁度無法達到要求。但是在養殖循環水處理的系統中，不可不斷地投加混凝劑。目前，國內大型水族館通常通過大量投加臭氧氧化的方式保證水體的濁度。而水體中細小顆粒是由魚的食料、排泄物和分泌物等有機物組成，大劑量投加臭氧氧化可降解細小顆粒，表面上使水變清了，但也使水中溶解性污染物變得極其復雜，給中華鱘日常生存環境帶來潛在風險。超濾膜技術與傳統處理工藝相比，可在無化學試劑添加、無溫度限制的環境下進行養殖廢水處理[2]，具有出水水質好、達標穩定、處理設施自動化程度高、水質關鍵參數可調整以滿足科研要求等優勢[3]。

本次科普展示水體的維生系統采用先進的“生物活性炭濾池+浸沒式超濾/砂濾”組合的處理工藝，工藝流程如圖1 所示，完全模擬濃縮自然界的生物循環處理和純物理的精密機械篩濾（精度小于0.01 um），可有效去除水中的顆粒狀物質和氨氮等，不產生任何副產物，同時隔離了細菌和病毒，使中華鱘能生活在更自然的環境中，確保蓄養保護對象的安全性。

圖1 工藝流程圖

3 工程設計

3.1 生物活性炭濾池

生物活性炭濾池能有效去除水中的小分子有機物和氨氮，設計規模16 萬m3/d，設置1 座，分為8格，雙排布置，雙排之間設管廊。活性炭濾池池水深約5.65 m。

生物活性炭濾池采用上向流形式，單格有效面積72 m2，設計空床流速11.6 m/h，活性炭層厚2.5 m，炭層接觸時間10.8 min。同側活性炭池通過渠道及進水堰進行配水，每格設DN600 進水電動蝶閥將水引入池底配水配氣渠，并通過配水配氣系統均勻配水至整格活性炭池。出水通過出水槽收集后進入出水渠道，初濾水排放閥門為DN400。另外，每格活性炭濾池各設DN300 手動放空蝶閥1 只。生物活性炭濾池反洗采用單氣洗方式，氣洗強度15 L/(m2·s)，配套風機為3 960 m3/h，風壓5 m，功率為90 kW。

3.2 浸沒式超濾膜池

浸沒式超濾膜池為精密的機械過濾，大于膜孔徑的物質均被有效截留，幾乎能將細菌、病毒、兩蟲、藻類及水生生物等全部去除。設計遠期規模12 萬m3/d，近期規模8 萬m3/d。浸沒式超濾膜系統分為進水系統、抽真空系統、產水系統、反洗系統、化學清洗系統及完整性檢測系統等幾個系統。

3.2.1 超濾膜池

超濾膜池設1 排，雙排對稱布置，每排6 格，近期投產4 格，膜材質為PVDF，采用簾式膜元件組成浸沒式超濾膜設備，單格膜池尺寸11.2×5.1×4.5 m。工程設計膜通量為28.1 L/（m2·h），單格膜池內設置膜組器11 組，單個膜組器面積為3 055 m2，對應單格膜池膜面積為3.36 萬m2。

膜架浸沒在池內水中，淹沒深度為0.90 m。單格膜池上方設置不銹鋼活動蓋板，避光的同時也可保溫。為便于膜架維修拆卸和封堵，膜架出水管路連接接頭采用活接形式。每池設統一的反沖洗水管、出水管和氣沖管。

3.2.2 進水系統

膜池設2 條進水渠道，進水總渠寬1.90 m，負責6 格膜池總進水，進水分配渠寬1.2 m，負責單格膜池進水量分配。單格膜池設進水堰及進水閘板閥。

3.2.3 產水系統

浸沒式超濾膜通過負壓抽吸使膜絲內外兩側產生壓力差，在壓差作用下，水透過膜絲的孔隙進入膜絲內側，最終匯集到各個膜元件產水管中，每格膜池產水進入中央產水渠，通過中央產水渠內與膜過濾池的液位差值，利用虹吸產生負壓，將產水送入清水池中。

3.2.4 排水及回用系統

膜池排水通過底部4 根DN200 排泥管收集匯總至DN400 排水管道中，再在DN400 管兩端設置啟動切換閥門，控制排水出路，一路跌水進入排水池，另一路跌水進入中和池。

膜池反沖洗廢水排入下疊排水池，采用單級單吸離心泵提升并均勻回用至進廠原水管道上或排放。膜池化學洗廢水進入下疊的中和池，經中和達標后排放。

3.2.5 氣水反沖洗泵房

氣水反沖洗水泵和鼓風機均設置于膜濾池旁，與膜池輔助車間合建，主要用于浸沒式超濾膜及砂濾池的水反洗及氣擦洗。膜反洗強度為30 L/m2/h，設置可變頻臥式離心泵3 臺，互為備用，單臺泵流量為1017 m3/h，揚程為15 m。為防止水泵氣蝕，水泵最低吸水水位低于中央產水渠的最低運行水位。

空氣擦洗系統采用羅茨風機供氣，共設3 臺風機，互為備用，單臺風量3 360 m3/h（對應氣擦洗強度為100 L/m2/h），風壓5.0 m，90 kw，變頻設置。

3.2.6 膜池輔助車間

膜池輔助車間設置于膜濾池旁，與膜池氣水反沖洗泵房合建，包括膜池化學清洗抽吸循環泵、真空設備、空壓機等部分。

除日常水沖洗和空氣擦洗之外，浸沒式超濾膜組件運行一段時間后，還需進行周期性化學清洗。周期性化學清洗一般包括維護性清洗和恢復性清洗兩種。浸沒式超濾膜配置化學藥劑種類為檸檬酸、NaClO 等，藥洗后的廢水經亞硫酸氫鈉、NaOH 還原中和。藥劑貯存于綜合加藥間，分別儲存檸檬酸、NaOH、亞硫酸氫鈉和NaClO 等藥劑。維護性清洗周期30 d（可調），維護性清洗膜浸泡時間30 min，設計采用200 mg/L 的NaClO。恢復性清洗周期12～24個月（可調），恢復性清洗膜浸泡時間4～6 h，設計采用0.1%的NaClO 和0.5%的檸檬酸洗依次對膜進行化學恢復性清洗。

3.3 砂濾池（與浸沒式超濾膜池合建）

砂濾池主要去除脫穩的細小懸浮顆粒，與超濾膜濾池統一布置（超濾膜池及砂濾池組合剖面見圖2），規模8 萬m3/d，共6 格，單排布置。單格過濾面積72.6 m2。設計濾速11.48 m/h，濾層上水深1.8 m。濾料采用石英砂，有效粒徑0.9～1.00 mm，厚度1.5 m，承托層砂粒徑2.0～16.0 mm，厚度0.45 m。

圖2 超濾膜池及砂濾池組合剖面圖

3.4 提升泵房（與浸沒式超濾膜池合建）

結合超濾膜池的中央產水總渠布置提升泵房，將超濾膜池出水和砂濾池出水提升至科普展陳池。設置潛水軸流泵6 臺，4 用2 備，單泵流量2 500 m3/h，揚程8.2 m，功率110 kW。

3.5 水力高程設計

廠區道路標高以0.00 m 計，科普展示水池設計水位7.50 m，生物活性炭接觸氧化池進水水位6.50 m，出水水位4.80 m，超濾膜池進水水位4.25 m，產水水位0.00 m，通過潛水軸流泵提升至科普展示水池中。

3.6 平面設計

生物活性炭接觸氧化池平面尺寸為34.9×34.8 m；浸沒式超濾膜/砂濾組合濾池平面尺寸為47.58×40 m；提升泵房平面尺寸20.43×40 m，提升泵房與浸沒式超濾膜池反沖洗泵房合建，提升泵房水池上部為配電間和輔助車間。

3.7 系統特點分析

構筑物集約化布置，占地面積小。超濾膜池和砂濾池組合布置，中和池、排水池疊于組合池下方。輔助用房設置于組合濾池旁，最大程度地集約化布置，減少構筑物占地面積。

系統獨立，便于管理。超濾膜池和砂濾池反洗系統獨立，膜池、砂濾池均為獨立系統，按順序反洗，互不干擾。此外，系統還預留2 格膜池，遠期僅需安裝膜箱，即可接入系統，便于實施系統水質的調控。

國內循環養殖系統工藝多采用“微過濾—蛋白質分離—生物濾池—紫外（臭氧）消毒”的循環水處理工藝。本工程創造性地采用“生物活性炭濾池+浸沒式超濾膜/砂濾池”組合工藝，解決了化學試劑添加的問題，設計規模為16 萬t/d，是國內科普展示水體維生系統中應用浸沒式超濾膜最大的工程實例。

合理化布置進、出水管線。科普展示池的進、出水管線較大，通過集、分水器將DN1200 和DN1400的管線分為多個DN400 的小管線，接入科普展示水體中，多點進水，以實現展示池內合理布水。

4 工程投資

維生系統占地面積約6 500 m2，其中構筑物總占地3 827 m2。土建工程費用估算約為1 244 萬元，工藝設備及安裝部分工程估算約為6 419 萬元，合計總投資約為7 663 萬元，噸水投資成本約為480元/t 水。

5 結語

國內首次將“生物活性炭濾池+浸沒式超濾膜/砂濾池”組合工藝應用于中華鱘等珍稀瀕危物種的大型科普展示水體維生系統中。調試階段顯示，該工藝可有效去除水中細菌等微生物、降低水體濁度至0.1 NTU 以下，達到展示水體所需的視覺上清澈、透明及維生系統穩定運行的效果。該工程是浸沒式超濾膜等工藝在大型循環養殖系統中應用的一次突破，為行業提供了工程案例數據支持。該工藝可確保出水水質的穩定性和安全性，這一結論也早已在多個水廠運行中得到證實[4-5]。