短流程浸沒式超濾膜工藝在給水廠提標改造中的應用

李易

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

隨著《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2022）的出臺實施，其對飲用水的感官指標以及原水水質風險防控提出了新的要求，對凈水出水水質也制定了更高的行業標準。以“常規處理+臭氧活性炭+超濾”為核心的全流程深度處理工藝[1]，近年來在給水處理行業中已被廣泛認可和運用，其以臭氧活性炭為第二代以及超濾為第三代的組合處理工藝[2]，為深度凈水提供了化學安全及生物安全方面的全流程、多維度保障。

然而水廠用地緊張、工程投資受限往往是老舊水廠提標擴建所面臨的常見問題，致使全流程深度處理工藝無法實施[3]。如何結合原水及現狀實際條件，因地制宜選擇合理高效的凈水工藝流程，是實現老舊水廠提標擴容的關鍵所在。

超濾技術具有占地面積小、操作壓力低、工藝簡單和管理操作簡便等優點[4]。利用成熟的自動化控制技術，膜運行產水、反洗、化學清洗和完整性檢測等運行過程全自動，可減輕操作人員勞動強度，同時確保處理出水品質[5]。本文以廣州市某地表水廠提標擴建項目為例，介紹通過采用混凝沉淀和浸沒式超濾膜結合的短流程處理工藝，結合疊合池體的構造型式，在僅為常規深度處理用地15.7%的條件下，實現水廠由3 萬m3/d～15 萬m3/d 的提標擴容改造工作。

1 項目背景

1.1 水廠概況

該水廠位于南沙區欖核鎮，北臨沙灣水道，工程一期于1993 年建成通水，設計規模為3 萬m3/d，出廠水壓約為0.42MPa。現狀水廠制水工藝采用網格絮凝+斜管沉淀+虹吸過濾工藝。水廠用地紅線內面積總計為15334m2，而由于水廠北鄰省管河道，考慮30m 水利防洪退讓要求，實際可使用面積僅為13224m2。根據《城市給水工程規劃規范》（GB 50282—2016）中相關指標要求，給水規模為15 萬m3/d 地表水水廠用地面積應為84375m2，而實際水廠用地僅為規范推薦指標的15.7%，用地極其緊張。

水廠已建工藝單體均布局于水廠東側區域，現狀取水泵房一座，絮凝沉淀、虹吸濾池及清水池各兩座，南側為送水泵房、變配電及機修車間，加藥間位于兩座沉淀池之間。

1.2 水質情況

本工程水源取自沙灣水道，根據水廠提供的近期五年原水及出水水質情況可知，沙灣水道區域水質常年穩定地表水環境Ⅱ類，原水達標情況下，出廠水質可穩定滿足《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2022）中各項指標要求。

1.3 存在問題

（1）由于南沙區供水布局調整，現狀老舊水廠由于水源區劃的調整導致相繼關停遷建，本水廠近期需結合片區專項規劃要求進行擴建以滿足南沙區北部片區的供水需求。

（2）現狀水廠已建成約30 余年，常規凈水處理設施老舊，且自控系統不甚完善。此外水廠為片區重要供水設施工程須保證水廠不停水擴建。

2 工程方案

2.1 工程目標

（1）結合片區供水專項規劃，通過本工程改造擴建實現水廠設計制水規模從3 萬m3/d 提升至15 萬m3/d，以滿足南沙區北部片區供水需求。

（2）通過完善深度處理工藝提升水廠出水水質，在原水達標條件下，出水滿足《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2022）且出水濁度降至0.1NTU 以下，實現優質供水建設目標。

（3）總平面布置及后續推進建設需考慮水廠不停水施工，即保障現狀3 萬m3/d 正常運行條件下實現水廠擴建至15 萬m3/d。

2.2 改造思路

（1）由于場地受限，工藝流程方面在保證凈水處理達標的情況下，結合原水水質條件選擇一種短流程處理工藝，以進行對水廠的提標擴建。

（2）凈水處理及排泥水處理根據現場條件應盡量采用疊合池體的構造型式，從單體本身進一步實現節地的設計思路。

（3）為實現水廠不停產擴容，應結合場地條件分區分階段考慮工藝單體的方案建設，考慮施工場地空間，以總分結合的布置型式進行水廠擴建平面排布。

2.3 各環節方案

2.3.1 絮凝沉淀工藝方案

考慮現狀3 萬m3/d 水廠工程實施階段需要保障運行，結合用地建設條件，考慮分階段于水廠東側預留用地區域新建一階段10 萬m3/d 絮凝沉淀池，一階段建成通水后，進行二階段現狀工藝擴建工作，最終實現15 萬m3/d 運行規模匹配。

2.3.2 超濾膜工藝方案

工程設計階段結合水廠用地條件及出水要求對臭氧活性炭及超濾膜工藝進行了技術比選，超濾膜處理工藝在運行期間安全性、新建構筑物數量、建設難度等方面更有優勢。且考慮到本工程預留用地面積較為緊湊的工程特征，經過多次的平面布局考慮，臭氧+活性炭濾池在可新建區域難以排布，過于的緊湊布置勢必將影響水廠本身常規凈水工藝的正常運行。綜合考慮本工程實際特點、維護管理以及對深度處理的要求等因素，本方案推薦選用膜處理工藝，采用超濾膜系統。深度處理工藝比選如表1 所示。

表1 深度處理工藝比選

而目目前超濾膜按膜系統型式不同可分為壓力膜與浸沒式膜兩類。

（1）壓力膜。將大量的中空纖維膜絲裝入一圓柱形壓力容器中，纖維束的開口端用環氧樹脂澆筑成管板，配備相應的連接件（包括進水端、透過液端和濃縮水端）即形成標準膜組件，通過不同數量的壓力式膜組件并聯或串聯即組成膜系統。壓力式膜系統根據壓力方向的不同又分為外壓式和內壓式兩大類。

（2）浸沒式膜。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、設在框架頂部和底部的透過液集水管。幾個或幾十個膜組件通過兩個硬直角管將其集水管相連接，同時將它們位置固定，形成一個膜箱。與傳統的壓力式膜相反，浸沒式膜是在較低的負壓狀態下運行使用，利用虹吸或泵抽吸方式將水由外向內進行負壓抽濾，實現低膜壓差。

兩種超濾膜型式其在系統設計，過濾動力方式安裝方式，完成后實際感官效果等方面不盡相同，但本工程實際運行過程中浸沒式膜主要采用虹吸式產水，能耗低，后期運行費用低于壓力式膜，且更低的設計膜通量能夠有效延長超濾膜的使用壽命，減少清洗次數，進一步降低運營成本。因此本次工程在超濾膜類型方面采用浸沒式膜工藝。

2.3.3 清水池工藝方案

由于用地預留用地及其有限，考慮絮凝沉淀清水疊合池在目前給水廠中已得到廣泛應用，本次水廠擴建進一步將清水池疊合與超濾膜車間下部，以進一步補充清水池的調蓄容積。現狀水廠清水池為地上式，與新建清水池高程無法銜接，暫時閑置，后續有水廠進行其他用途改造。

2.3.4 總平面布局

為了滿足不停水施工，考慮分兩階段實施，一階段在新增用地東側上新建10 萬t/d 的絮凝沉淀清水疊合池、膜處理車間及清水疊合池、送水泵房及配電間，在新增用地靠西側新建污泥調節池、回收水池及濃縮池、污泥平衡池、污泥脫水機房。

待一階段凈水處理構筑物通水后，將現狀一座清水池改造為2 萬m3/d 網格絮凝斜管沉淀生產線，與原3m3/d 生產線一并由原虹吸濾池改造的中途提升泵房提升至膜處理車間進水總渠處，由超濾膜統一進行后續相關處理流程，以在節省用地，控制投資的條件下實現水廠擴建需求。

3 工程設計

3.1 工藝流程設計

本工程采用短流程凈水工藝，核心即為網格絮凝+斜管沉淀+浸沒式超濾膜工藝，具體流程如圖1 所示。

圖1 水廠擴建工藝流程

3.2 絮凝沉淀池設計

一階段絮凝沉淀池規模為10 萬m3/d，采用網格絮凝池及斜管沉淀池合建形式，各設置兩組。一階段絮凝池共計設置一座兩組，絮凝時間t=18min。豎井內流速：前段和中段0.12～0.14m/s，末段0.1～0.14m/s。絮凝池泥斗高度0.8m，超高0.4m，有效水深4.8m，則池總高度為6m。一階段沉淀池表面負荷取4.42m3/（m2·h）顆粒沉降速度u0=0.25mm/s，采用圓形塑料斜管，壁厚0.5mm，斜管內切圓直徑d=30mm，斜管傾角θ=60°，沉淀池的有效系數0.95，沉淀池超高取H1=0.40m，清水區高度H2=1.50m，斜管高度H3=0.87m，布水區高度H4=2.83m，有效水深5.2m，總高5.6m。

二階段即保留現狀3 萬m3/d 絮凝沉淀池工藝，將現狀其中一座清水池改造為2 萬m3/d 絮凝沉淀池，形成現狀水廠區域5 萬m3/d 運行規模，后將虹吸濾池改造為提升泵房，將沉后水提升至超濾膜進水總渠。

3.3 超濾膜處理車間設計

超濾膜凈水系統設計凈產水量15 萬t/d，膜材質采用PVDF，平均膜孔徑為0.02μm，跨膜壓力范圍0kPa～60kPa，采用氣水聯合反沖洗。

本項目平均膜通量設計為24.8L/（m2·h），膜池數量共14 個，總膜堆數98 個，每個膜堆膜面積2800m2，膜池平面尺寸6.3m×5.7m，每個膜池總有效膜面積274400m2，運行周期為1.5h。進入反沖洗時，氣沖持續時間60s，氣水聯合沖洗持續時間90s，日過濾時間為22.45h。

超濾膜長期運行后，膜表面和膜內部積累的污染物通過正常的氣水反洗不能很好的去除，此時，就需要進行化學清洗。

（1）維護性清洗。維護性清洗的周期為7～14d，為保證超濾膜系統運行的穩定性，通常周期性的采用低濃度次氯酸鈉溶液對超濾膜進行短時間的浸泡。

（2）恢復性化學清洗。恢復性化學清洗的周期為6～12 個月，也就是一年1～2 次化學清洗。通常用次氯酸鈉和酸液對超濾膜進行循環浸泡。

3.4 清水池設計

清水池共設計兩座，分別與一階段絮凝沉淀池以及膜處理車間疊合池設計，絮凝沉淀疊合池部分清水池池長45.2m，池寬27m，膜處理車間疊合池部分清水池池長46.5m，池寬30.9m，有效水深均為4.6m。清水池總容積為12223.35m3，調節系數為7.76%。

4 結語

（1）針對用地有限的老舊水廠提標擴建需求，通過采用浸沒式超濾膜工藝替代原有砂濾池，形成絮凝沉淀+超濾的短流程凈水工藝，流程簡單，處理后可穩定達標，出水濁度可實現0.1NTU 以下。

（2）超濾膜系統設計中膜通量為核心參數，采用較低的膜通量可以有效降低清洗頻次，進一步延長膜組件運行壽命及產水效果。