新型浸没式超滤膜组器在泰安三合自来水厂提升改造工程中的应用研究

祝加琛，刘振超，宋士健

（山东碧水源环保科技有限公司，山东 济南 250000）

泰安三合自来水厂工艺为“混凝沉淀+浸没式超滤”。原有的浸没式超滤膜已经超过实际设计使用寿命，出现断丝、膜丝老化现象，导致产水量和产水水质下降的问题。此外，原有浸没式超滤系统采用泵抽式产水，需要消耗大量的电能。自来水新国标的实施，对大肠杆菌、贾第鞭毛虫和隐袍子虫等微生物检测的要求更加严格，并对硝酸根等离子作出了更严格的限制[1]，而且随着全世界对气候问题越来越重视，节能减排成为“十一五”期间的重要战略决策，国家对节能减排的要求越来越严格。为此，泰安三合自来水厂更换了一套产水量为16 700 m3/d的浸没式超滤膜净化系统，为降低能耗，产水工艺为虹吸产水。

超滤膜孔径通常在0.001～10μm，超滤不仅能去除水中的悬浮物、胶体和微生物等杂质，而且对病毒和化学污染物的去除率能达到99%[2]。不管是在微生物还是化学安全性方面，超滤技术都是很先进的水质净化技术[3]。超滤可以分为压力式和浸没式，通常情况下超滤装置需要由泵驱动，消耗电能，增加成本。而浸没式超滤则可以利用虹吸产水，从而降低能耗和成本。

1 改造方案

拆除原有膜组器，更换新型浸没式膜组器。新型浸没式超滤膜组器，膜丝材质为聚偏氟乙烯（PVDF），有效孔径0.02～0.03μm，膜丝拉伸强度大于100 N。膜池装填膜面积总数为28 160 m2，膜池设计产水量与膜的设计通量分别为16 700 m3/d和24.71 L/（m2·h），设计回收率95%。膜组器填充面积高（膜面积/组器截面积）可达700 m2/m2，占地面积小，采用三位集水系统，产水更均匀，反洗效果好，能有效缓解运行过程中的污染，更适合于日常物理维护清洗；膜元件分4区，膜丝进行双向有序排丝，膜丝无交错缠绕，污染物不易累积，膜片间距分布合理，过流及曝气均匀效果好。

进水口位置增加挡水板。原有膜池进水口是敞开式的，原水进入膜池会直接冲刷膜组器表面，冲击膜丝，容易造成断丝问题。安装一块尺寸为800 mm（长）×500 mm（宽）×1 800 mm（高）、厚度为4 mm的挡水板，如图1所示，且下端向墙壁侧倾斜30°。挡水板采用不锈钢316L材质，耐酸碱腐蚀，不会对进水水质产生影响。挡水板距离进水洞口距离合适，不会对进水水流造成阻碍。挡水板可以阻挡水流对膜丝造成的冲击，降低膜丝的断丝率。挡水板下端向墙壁侧倾斜30°可以抵消部分向下的水流冲击，进一步降低水流的冲击力。

图1 挡水板安装照片

采用虹吸产水的方式，节能降耗。超滤膜虹吸产水需要有25 kPa左右的水头压力，经过测算，膜池正常运行液位比产水池液位高2.6 m，加装抽真空设备后完全可以实现虹吸产水。原有膜组器采用泵抽式产水，产水泵功率为45 kW，2台，运行时间为22 h，功率系数取0.8。产水电耗为45×2×22×0.8÷16 700=0.095 k W·h/m3，采用虹吸产水后，可以节约0.095 kW·h/m3的用电量。

优化产水步序，在不降低产水水质的条件下，提高回收率。膜池净化系统的工艺流程是原水通过闸板流入膜池中并到底一定高度液位，抽真空装置将管道内的空气抽走产生负压，在负压的作用下水通过膜丝表面进入产水管。过滤一段时间后，膜丝表面会附着大量污染物，此时空压机启动，压缩空气由膜架下面的小孔排出进行曝气，将污染物质从膜丝表面吹扫下来，此外在空气擦洗的同时进行一定时间的水力反洗，增强膜丝上污染物的剥离程度。膜池运行一段时间后，已经残留了大量截留杂质，此时需要将膜池中的水彻底排放干净，接着再补充开始新一阶段的产水过程。膜池系统工艺流程如图2所示。

图2 膜池系统工艺流程图

运行参数：产水时间为90 min，产水液位为2.8 m，反洗液位为2.2 m，气洗时间设置为120 s，气水洗时间设置为60 s，运行5个周期排空膜池。每4个产水周期，反洗排空1次，反洗泵流量Q=1 360 m3/h，反洗时间60 s，总进水量=1 360÷3 600×60=22.7 m3，水池正常运行产水液位3.0 m，单座膜池尺寸为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。

维护性清洗参数：清洗液位2.8 m，次氯酸钠加药时间1 500 s，循环浸泡3 000 s，气洗120 s，循环1 200 s，浸泡1 h，循环1 200 s，气洗120 s，排空药液，补水至2.8 m，清水循环300 s，反洗120 s，排空，进入产水周期。

化学清洗排水量：膜池化学清洗时液位为3.0 m，单池每天化学清洗药液量为10.6×5.5×3.0÷14=12.5 m3，每天化学清洗药液排放量为12.5 m3。

回收率：设计净产水量为16 700 m3/d，回收率=净产水量/总净水×100%=16 700÷（16 700+790.4+12.5）×100%=95.4%。

2 运行结果与讨论

更换新型浸没式超滤膜组器，安装挡水板，并进行工艺步序优化后连续运行3个月，目前系统运行稳定。3个月运行中，每5 d取一组数据，对产水流量、回收率、跨膜压差和产水浊度进行分析，产水量一直保持在16 700 m3/d以上，回收率保持在95%左右，跨膜压差一直保持10 kPa以下，浊度一直保持在0.1 NTU以下。

2.1 产水量随时间变化

产水流量由膜池产水管道上的电磁流量计实时监测，是自来水厂最重要的指标之一，代表了自来水厂的供水能力。产水量随时间变化图如图3所示，从图3中可以看出，瞬时产水流量一直保持在16 700 m3/d以上，总的产水流量累计与运行时间成线性正比关系。此外，产水量保持在16 700 m3/d，也能表明挡水板安装合适，不会对进水造成阻碍。

图3 产水量随时间变化图

2.2 回收率随时间变化

回收率是根据产水流量和进水流量计算的，代表了自来水厂的节水能力。回收率随时间变化图如图4所示，从图4中可以看出，回收率有较小波动但一直保持在95%以上，表明新型膜组器可以减少废水的产出量，节约水资源，降低自来水治水成本。

图4 回收率随时间变化图

2.3 跨膜压差随时间变化

跨膜压差由进水管和产水管上的压力变送器实时监测，代表了膜组器的抗污染能力以及污染程度，此外它还能表现出系统运行的能耗指标。跨膜压差随时间变化图如图5所示，从图5中可以看出，跨膜压差一直保持10 kPa以下，表明膜组器的污染程度较低，抗污染能力良好。跨膜压差略微波动的原因是膜组器运行4个周期后，通量下降，跨膜压差会升高。进行反洗后，通量就会恢复，跨膜压差会降低。此外，膜池液面高度产生的静压力也会对跨膜压差产生影响。

图5 跨膜压差随时间变化图

2.4 产水浊度随时间变化

产水浊度由产水管上的在线浊度仪实时监测。产水浊度随时间变化图如图6所示，从图6中可以看出，浊度一直保持在0.1 NUT以下，表明产水水质高，膜丝孔径小。此外，膜组器反洗周期和进水浊度也会对产水浊度造成影响。

图6 产水浊度随时间变化图

3 结论

浸没式超滤膜池改造完成后已经连续运行3个月，各自运行参数均达到设计要求。产水流量高于16 700 m3/d，运行时间为90 min，产水浊度为0.06～0.08NTU，产水颗粒数小于10个，跨膜压差小于10 kPa，清洗频率为每28 d一次，回收率为95.4%。工程实践证明，挡水板安装合适，在不降低进水量的情况下，可以有效防止水流冲刷膜丝。优化了产水步序，在不降低产水水质的条件下，提高了回收率。采用虹吸产水的方式，节能降耗，可以节约电耗0.095 kW·h/m3。整个浸没式超滤膜池改造达到了预期效果。