浸沒式超濾膜系統虹吸改造及運行工序優化

袁少鵬，師宴榮，石 潔，陳 翔，謝喜平

(1.北京碧水源科技股份有限公司，北京 102206；2.太倉市水務集團有限公司，江蘇太倉 215400)

隨著社會的進步和發展，飲用水水質指標日趨嚴格，膜法處理工藝在飲用水處理行業愈加得到廣泛關注[1]。

浸沒式超濾對渾濁度去除率高，對細菌、病毒、“兩蟲”(隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲)去除效果好，產水水質穩定達到《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)標準，同時具有占地面積小、自動化程度高等特點，超濾膜工藝在老舊給水廠升級改造和新給水廠建設中得到越來越廣泛的應用[2-3]。

虹吸浸沒式超濾膜工藝可實現在無泵、低液位差條件下膜長期穩定運行，保證產水能力的同時，大大節省了電能消耗。江西羅橋水廠改造工程采用浸沒式超濾膜工藝，將原有產水量為1×104m3/d 的砂濾池原位改造成產水量為2×104m3/d 的虹吸超濾膜濾池，噸水電耗0.005 kW·h/m3。上海某水廠工程采用浸沒式超濾膜工藝，產水規模為3×104m3/d的虹吸超濾膜濾池，噸水電耗0.02 kW·h/m3[4-5]。

1 項目背景

1.1 水廠現狀

原泰安市某凈水廠于2013年12月建成通水，設計規模為5×104m3/d，主體工藝為“混凝沉淀+浸沒式超濾”。由于城市化進展及居民生活水平的提高，現狀凈水廠規模已無法滿足用水量需求；同時，該凈水廠已經運行6年，膜絲達到使用壽命，膜絲老化斷絲嚴重，產水通量下降，且部分時段產水渾濁度>0.2 NTU，不能滿足產水水質要求。綜上，需對該凈水廠進行換膜擴容改造。

1.2 改造需求

(1)用水需求增大，在膜池預埋和容積不變的情況下，通過增大膜絲裝填面積進行擴容改造，原規模5×104m3/d需擴容為10×104m3/d。

(2)膜系統老化斷絲嚴重，膜通量下降，產水渾濁度超標，需進行換膜改造。

(3)因原膜池產水方式為產水泵抽吸產水，運行電耗較高，需在利舊原有產水管道的基礎上，進行虹吸改造，達到節能降耗的目的。

(4)原膜池自動運行工序落后，產水周期短，排水頻次高，產水回收率較低，需優化運行工序，提高系統回收率[6]。

2 改造方案

2.1 換膜擴容方案

2.1.1 原膜池規格

原浸沒式超濾膜池設6格，單格膜池面積為10.6 m×5.5 m，單格膜池有16個膜組器，單組器有32支膜元件，單支元件膜面積為35 m2，6格膜池的總產水量為5×104m3/d，名義膜通量為19.4 L/(m2·h)。

2.1.2 換膜擴容后膜池規格

采用某公司生產的新型浸沒式超濾膜組器，新型膜組器的膜絲裝填密度更大，單支膜元件面積為70 m2，單格膜池有16個膜組器，單組器有30支膜元件，更換6格膜池的膜絲后總產水量達到10×104m3/d，名義膜通量為20.7 L/(m2·h)。

2.2 節能降耗改造

2.2.1 浸沒式超濾系統虹吸改造

原浸沒式超濾系統產水方式為產水泵抽吸產水，產水泵功率N=45 kW，數量n=6臺，日運行時間t=22.1 h，功率系數α=0.8。經核算，產水泵抽吸噸水電耗P=N×n×t×α÷Q=45×6×22.1×0.8÷50 000=0.096 kW·h/m3，噸水電費為0.058元/m3(以電價0.65元/kW·h計算)。

膜池正常運行液位為168.2 m，清水池設有產水堰，堰上液位為165.6 m，虹吸產水剩余水頭為2.6 m，超濾膜正常跨膜壓差為5～15 kPa，滿足虹吸產水要求。在系統產水抽吸干管上部設旁通管，改造為虹吸產水，產水旁通管設氣動調節閥，通過膜池液位來控制產水調節閥的開度，以控制產水流量。虹吸管路改造如圖1所示。同時，原產水泵保留，在冬季進水溫度過低、膜通量下降時，提供一定的輔助抽吸作用。

圖1 虹吸管路改造照片Fig.1 Photo of Siphon Pipeline Reconstruction

采用虹吸重力產水方式，與產水泵抽吸方式相比，噸水電費可減少0.058元/m3，大大節省了運行費用。

2.2.2 反洗系統運行工序優化

(1)原反洗運行工序

原超濾系統產水周期為45 min，每日32個周期，每周期的實際過濾時間為38 min。反洗時先降低水位0.5 m，之后進行氣水反洗2 min，靜置沉淀2 min，排水1/4，隨后打開進水閥門補水，進入下個產水周期(圖2)。每日最后1個周期反洗結束后排空膜池。每日共計排空膜池(1/4×31)+1=8.75次。

圖2 優化前運行工序Fig.2 Operation Process before Optimization

原反洗工序的缺點：產水周期過短，膜系統反洗頻繁；水反洗時間較長，反洗消耗系統產水較多；每個產水周期都需排水，排水量大，導致系統回收率較低。

(2)優化后運行工序

針對產水周期過短，系統回收率下降的問題，對反洗運行工序進行優化設計。延長超濾系統產水周期至90 min，每日16個周期，每周期的實際過濾時間為87 min。反洗時首先降低水位0.5 m，隨后關閉產水調節閥進行氣水反洗，將水反洗時間減少為40 s；反洗結束后直接進入下一個周期產水，不再排水。每4個產水周期排空膜池1次，每日排空4次(圖3)。

圖3 優化后運行工序Fig.3 Operation Process after Optimization

優化后反洗工序的優點：產水周期延長，膜系統反洗頻次降低；每日僅排空膜池4次，反洗用水量降低為原工序的1/24，原水更多地被轉化為系統產水，系統回收率大幅提高。

(3)優化前后系統回收率對比

反洗運行工序優化后，產水周期數由32次/d下降為16次/d，反洗水泵與膜擦洗鼓風機的運行時間顯著減少，節省能耗；同時，系統排水量減少，水反洗時間由2 min縮短為40 s，反洗用水量減少；系統總產水量提升，總進水量降低，從而系統回收率得到大幅提高。優化前后膜系統回收率對比如表1所示。

表1 優化前后膜系統回收率對比Tab.1 Contrast of Membrane System Recycling Rate before and after Optimization

3 系統性能測試

3.1 主要性能參數測試結果

浸沒式超濾系統換膜改造后，于2020年4月每日多個時段依次分別對膜系統進行數據記錄及采樣測試，測試結果如表2所示。由表2可知：膜系統在4月的平均單日產水量達到10.39×104m3/d，高于設計產水量(10×104m3/d)；系統運行膜通量平均值為21.97 L/(m2·h)，高于設計名義膜通量[20.7 L/(m2·h)]；跨膜壓差平均值為7.7 kPa，低于設計跨膜壓差值(20 kPa)；6個系列平均水回收率為96.75%，高于設計回收率(96.66%)。超濾系統平均產水渾濁度≤0.08 NTU，滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)標準。

3.2 產水量與跨膜壓差之間的關系

跨膜壓差指超濾膜產水過程中膜兩側的壓力差，是表征超濾膜運行狀態的一個重要參數，在相同的膜通量下，跨膜壓差越低，表明膜的透水能力越強。膜的產水量不同，跨膜壓差也不同，跨膜壓差與產水量之間的關系如圖4所示。

由圖4可知，產水量增大，跨膜壓差也相應增大。水廠的設計平均產水量為695.8 m3/h時，跨膜壓差平均值為7.7 kPa，離設計跨膜壓差值20 kPa還有很大余量，說明虹吸產水工藝適用于該水廠的提標擴容改造。在保證膜池出水水質的前提下，膜池出水水量穩定，且跨膜壓差較小，可實現水質和水量同時提升。

表2 膜系統性能測試結果Tab.2 Test Results of Membrane System

圖4 產水量及跨膜壓差變化曲線Fig.4 Variation Curve of Water Production and Transmembrane Pressure

3.3 跨膜壓差及產水量隨運行時間的變化

該凈水廠已投產的6格膜池中，每格膜池運行工況稍有不同，以6#膜池為例，取1個月的運行數據對跨膜壓差進行分析。跨膜壓差及產水量隨運行時間的變化曲線如圖5所示。

圖5 跨膜壓差及產水量隨運行時間的變化Fig.5 Change of Transmembrane Pressure and Water Production with Operation time

由圖5可知，當水廠設定的平均產水量為695.8 m3/h時，在一個維護性清洗周期內(14 d)，跨膜壓差穩定在7～9 kPa，跨膜壓差始終處于較低的水平，說明虹吸式超濾膜系統運行穩定，膜污染程度較輕，設計運行參數合理。

4 結論

該凈水廠換膜改造項目的成功實施，為浸沒式超濾虹吸改造提供了一定的借鑒和指導。

(1)本項目在膜池容積不變的情況下，通過增大膜絲裝填面積進行換膜擴容改造。采用新浸沒式膜組件，單支膜元件面積為70 m2，原膜組件單支膜面積為35 m2；擴容后產水規模為10×104m3/d，原產水規模為5×104m3/d。

(2)系統產水方式由泵抽吸式改造為虹吸式，停用6臺產水泵，噸水降低電耗0.096 kW·h/m3，噸水節省電費0.058元/m3(以電價0.65元/kW·h計算)。

(3)優化反洗運行工序，減少系統排水量及反洗水量，系統回收率從86.67%提升至96.66%。

(4)浸沒式超濾膜系統產水水質好，換膜后產水渾濁度穩定≤0.08 NTU，滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)標準。

(5)虹吸浸沒式超濾膜工藝可實現在無泵、低液位差條件下膜長期穩定運行，同時產水能力大幅提升。一個維護性清洗周期內，跨膜壓差始終維持在7～9 kPa的較低水平，膜的污染程度較輕，維護性清洗后膜通量迅速恢復到正常水平。