浸沒式超濾膜在大型給水廠的應用與思考

魏 恒,余文慶,朱林勇,劉宏遠,*

(1.寧波市水務環境集團有限公司制水分公司,浙江寧波 315000;2.浙江工業大學土木工程學院,浙江杭州 310000)

超濾膜工藝具有出水穩定、占地面積小、抗沖擊負荷強等優點,在水廠設計改造中的應用日益增多[1-2]。江蘇南通狼山水廠浸沒式超濾膜采用的處理工藝為“混凝沉淀+臭氧活性炭+浸沒式超濾膜”,實際運行結果表明,浸沒式超濾工藝可有效保障出廠水的水質穩定性,但在超濾膜污染清洗工藝及管路設置等水廠實際運行等方面仍需通過實際運行取得經驗后進行優化[3]。唐山某水廠選擇“混凝沉淀+重力驅動浸沒式超濾膜過濾”工藝,出水水質高于國家飲用水標準,膜過濾系統的噸水能耗大幅降低。根據水廠長期運行經驗進行單元改造設計和產水管道的位置設計等優化措施,可實現土地的有效利用,降低占地面積[4]。山東泰安某水廠超濾膜系統經過長期運行積累相關經驗后對超濾膜工藝步序等進行系統升級[5]。由此可見,浸沒式超濾膜工藝雖然優點頗多,系統升級改造、膜污染清洗、管路優化等痛點難點問題仍相對缺乏大型水廠長期運行的既有經驗總結。本文分析總結了浙江省J、T兩個生產規模分別為2×105、5×105m3/d的浸沒式超濾膜水廠運行了2、7年所得出的運行管理經驗,旨在為浸沒式超濾膜水廠設計以及管理提供一定的參考。

1 水廠概況

(1)J水廠

J水廠建成于1959年,原水主要取自某鎮地表水,原有凈水工藝為折板絮凝-平流沉淀-虹吸濾池-消毒,規模為3.5×105m3/d。2016年,為提升水質,并達到《浙江省城市供水現代化水廠評價標準》2018版的要求,水廠將實際供水規模縮減為2×105m3/d,并將虹吸濾池改造為浸沒式超濾膜池。

(2)T水廠

T水廠設計供水規模為5×105m3/d,2020年7月正式運行供水。原水取自某市水庫水,水廠在構筑物的設置上充分吸取了J水廠的運行經驗,凈水工藝為折板絮凝-平流沉淀-浸沒式超濾-消毒。

2 超濾工藝流程

2.1 超濾膜系統組成

J、T水廠超濾膜等相關信息如表1所示。水廠超濾膜車間原為虹吸濾池,改造充分利用了虹吸濾池原有的池體結構,在池內放置浸沒式超濾膜組件,利用池體兩側的空間布置管廊與設備。同時,水廠新建了輔助車間、中和水池與低壓配電間等附屬設施,以滿足超濾膜曝氣、化學清洗、供電等需求,但由于空間受限,無法實現虹吸產水,需利用產水泵進行抽吸產水。

表1 J、T水廠超濾膜基本信息Tab.1 Basic Information of UF Membrane in J and T WTPs

T水廠超濾膜的產水渠設在膜池下部空間內,產水通過產水渠流入消毒接觸池內,通過膜池與產水渠之間的液位差提供動力,實現重力產水。當跨膜壓差上升、超濾膜過水通量下降,產水量無法滿足需求時,可開啟產水渠內的軸流泵降低產水渠液位,增加過濾水頭,最大可利用水頭達5.2 m。同時,水廠空間排布上,將低壓配電室、反沖洗泵房、消毒接觸池與浸沒式超濾膜車間合建,并增加了單獨藥劑排放池用于暫存維護性清洗廢水。

2.2 超濾膜系統工作步序

J水廠與T水廠超濾膜系統工作步序基本一致,具體運行參數如表2所示。J水廠超濾膜工作周期為80 min,第一階段產水40 min后氣洗180 s,進入第二階段產水40 min,第二階段產水結束后進行氣洗180 s+氣水混沖50 s,結束后進行排污。T水廠超濾膜工作步序與J水廠基本一致,在產水時間、氣洗、水洗時間強度等參數略有不同。

表2 J、T水廠超濾膜運行參數基本信息Tab.2 Basic Information on Operation Parameters of UF Membrane in J and T WTPs

2.3 兩水廠原水出廠水水質對比

J水廠與T水廠原水、出廠水主要水質參數對比如表3所示。由于J、T兩水廠所用水源不同,原水水質略有差異,從表中主要指標來看主要體現在渾濁度與硬度上,其余指標差別不大,且出廠水均能滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2022)要求。

表3 J、T水廠原水、出廠水水質對比Tab.3 Comparison of Raw Water and Finished Water in J and T WTPs

3 結果與討論

3.1 渾濁度和顆粒數

表4為超濾膜進出水渾濁度對比。在日常進水渾濁度波動不大時,超濾膜對于渾濁度有良好的去除效果,且出水渾濁度始終維持在＜0.1 NTU。在臺風季短時內渾濁度暴漲時,依然可保證出水渾濁度＜0.1 NTU。2 μm以上顆粒數偶有檢出,超濾膜進水渾濁度波動對其出水渾濁度沒有影響,說明浸沒式超濾膜具有良好的抗沖擊負荷能力和長期穩定運行的能力。

表4 超濾膜進出水渾濁度對比Tab.4 Comparison of Turbidity of Inflow and Outflow of UF Membrane

3.2 跨膜壓差

兩水廠均采用恒流過濾方法生產運行,故采用跨膜壓差來評判膜污染程度以及膜狀態。J水廠經過長達7年的長期運行后,跨膜壓差變化情況如圖1所示。

圖1 J水廠跨膜壓差變化Fig.1 Variation of Transmembrane Pressure in J WTP

運行期間跨膜壓差的變化大致可分為3個階段。

第一階段:投產第1～2年,跨膜壓差無明顯增長趨勢,在此期間當超濾膜為恒流運行時,跨膜壓差上升到20 kPa左右進行低濃度短時間的維護性化學清洗,未進行恢復性化學清洗;第3年起跨膜壓差呈緩慢上升趨勢,當跨膜壓差超過50 kPa,需定期進行恢復性化學清洗,清洗周期大于6個月,清洗完后跨膜壓差可恢復至接近新膜狀態。

第二階段:投產第4～6年,跨膜壓差增長速率較前3年有明顯升高,推測此時超濾膜已有所老化,在此期間平均3～6個月需進行一次恢復性清洗,但產水通量依然可以滿足設計需求。

第三階段:投產第7年起,跨膜壓差上升速率顯著加快,恢復性清洗后跨膜壓差雖能得到較好恢復,但短時間內會再次上升到清洗前水平,因此,每2～3個月就要進行一次恢復性清洗。從水廠管理運行角度而言,恢復性清洗過于頻繁,難以再安排維護性清洗,故該階段的化學清洗方式僅為恢復性清洗。

自第7年起除跨膜壓差急劇上升外,超濾膜通量也呈現快速衰減的趨勢,如圖2所示。自2021年下半年起,超濾膜通量在大部分時間里已達不到設計通量,雖然通過恢復性化學清洗能短暫恢復,但在運行過程中下降速率較為顯著。

圖2 2021年—2023年J水廠超濾膜通量變化Fig.2 Variation of Flux of UF Membrane in J WTP from 2021 to 2023

3.3 物理清洗

與傳統的過濾-氣洗-氣水反洗相對比,兩家水廠的超濾膜在一個產水周期(120 min)的半程增加了中間曝氣環節(即氣洗),氣洗過程中不進行產水,此次氣洗結束后不排污,直接進入下半個產水周期,下半個產水周期結束后進行氣洗+氣水反洗環節,此次清洗后進行排污。如圖3所示,通過分析一個產水周期內半程無氣洗和有氣洗超濾膜跨膜壓差的變化可知,中間增加一個氣洗環節可有效降低跨膜壓差,延緩污染。

圖3 一個產水周期內跨膜壓差變化Fig.3 Variation of Transmembrane Pressure during a Water Producing Cycle

3.4 化學清洗

化學清洗包括維護性化學清洗與恢復性化學清洗:前者利用較低濃度次氯酸鈉短時間浸泡,去除膜絲表面微生物與部分有機污染物,使膜通量與跨膜壓差得到一定的恢復;后者利用高濃度的酸、堿、次氯酸鈉等藥劑進行長時間的浸泡與循環,徹底清洗膜絲表面的無機物、有機物與微生物,經過恢復性化學清洗后,膜通量與跨膜壓差一般可恢復至接近新膜的水平。

兩家水廠化學清洗方式如表5所示。

表5 化學清洗方式Tab.5 Chemical Cleaning Method

(1)維護性化學清洗

圖4和圖5分別為J水廠與T水廠維護性清洗的跨膜壓差變化。J水廠和T水廠在進行維護性清洗時跨膜壓差下降均不明顯,且短期內跨膜壓差增長速率明顯加快,推測原因為短時間低濃度的維護性清洗難以對膜污染層造成實質性的影響。故兩水廠均不采用維護性化學清洗。

圖4 J水廠維護性堿洗跨膜壓差變化Fig.4 Variation of Transmembrane Pressure during Maintenance Alkaline Washing in J WTP

圖5 T水廠維護性堿洗跨膜壓差變化Fig.5 Variation of Transmembrane Pressure during Maintenance Alkaline Washing in T WTP

(2)恢復性化學清洗

圖6和圖7分別為J水廠與T水廠恢復性清洗后跨膜壓差變化。相比于維護性清洗,恢復性清洗效果明顯。雖然凈水工藝相似,但兩水廠化學清洗情況存在較大差異,J水廠僅采用檸檬酸清洗效果好,T水廠采用先堿后酸清洗效果好。推測為原水水質、膜老化程度等客觀條件的不同導致不同水廠的化學清洗情況有很大的差異[6]。

圖6 J水廠恢復性酸洗跨膜壓差變化Fig.6 Variation of Transmembrane Pressure during Restorative Acid Washing in J WTP

圖7 T水廠先堿后酸恢復性清洗后跨膜壓差變化Fig.7 Variation of Transmembrane Pressure during Alkali Followed by Acid Restorative Washing in T WTP

3.5 經濟指標

3.5.1 電耗

由于浸沒式超濾膜運行期間需要頻繁物理清洗,鼓風機與反沖洗水泵開啟頻繁,電耗高于傳統濾池。產水方式上,采用泵吸式產水的J水廠電耗高于采用虹吸式產水的T水廠。兩家水廠的電耗情況如表6所示。

表6 浸沒式超濾膜電耗Tab.6 Power Consumption of Submerged UF Membrane

3.5.2 藥耗

超濾膜在進行化學清洗時會消耗大量化學藥劑,兩個水廠進行化學清洗時的藥劑消耗如表7和8所示。

表7 J水廠化學清洗藥劑消耗Tab.7 Chemical Cleaning Agent Consumption of J WTP

表8 T水廠化學清洗藥劑消耗Tab.8 Chemical Cleaning Agent Consumption of T WTP

化學清洗藥耗與化學清洗工藝、膜絲老化程度等均有關。在超濾膜運行初期,膜污染較少,基本以維護性化學清洗為主,恢復性化學清洗周期較長,藥耗相對較低;在超濾膜運行后期,恢復性化學清洗周期縮短,藥耗明顯提高。

4 運行管理建議

4.1 減少進水量波動,保障膜運行穩定

進水量波動會直接影響浸沒式超濾膜的最高運行通量。J水廠清水池容積僅為設計水量的8%,如圖8所示,由于調蓄能力不足,水廠的原水量波動較大,超濾膜在供水高峰期長時間超負荷運行,最高運行通量可達到設計通量的136%。如圖9所示,每天超負荷運行時間達7～8 h。超負荷運行使水廠在供水高峰期時跨膜壓差迅速上升,膜污染快速積累,縮短了化學清洗周期。T水廠在設計時進行了優化,清水池容積取值為設計水量的15%,如圖10所示,水廠在實際運行中也注重利用清水池的調蓄能力,盡量減少水廠進水量的波動,保證了超濾膜的穩定運行。

圖8 J水廠1 d內原水量變化Fig.8 Variation of Raw Water Quantity of J WTP in One Day

圖9 J水廠單格膜池1 d內產水量變化Fig.9 Variation of Water Production in a Single Membrane Tank in J WTP in One Day

圖10 T水廠1 d內原水量變化Fig.10 Variation of Raw Water Quantity of T WTP in One Day

4.2 增設膜前加氯點,控制藻類滋生

J水廠在運行過程中發現部分膜池產水管上有藻類滋生現象。圖11為超濾膜進出水余氯,膜池出水余氯比進水余氯有明顯下降,尤其是當沉淀池出水余氯較低時,膜池出水幾乎無余氯檢出。推測原因為超濾膜在運行時每天只進行一次徹底排污,沉積物在膜池中消耗了大部分余氯,對控制藻類在壁面滋生的作用減弱從而導致藻類滋生現象。

圖11 超濾膜進出水余氯對比Fig.11 Comparison of Residual Chlorine Inflow and Outflow of UF Membrane

為解決這個問題,水廠提高了前加氯的比例從而提升了沉淀池出水余氯,在一定程度上改善了膜池內余氯不足的現象,但實際運行中發現大部分前加氯在沉淀池中被消耗,藥劑浪費嚴重。為提高藥劑使用效率,水廠在膜池的進水管上增設了膜前加氯點,通過投加約5%有效氯濃度的次氯酸鈉使膜池出水余氯質量濃度穩定在0.2 mg/L左右。經此改造后,膜池內藻類生長得到了有效的抑制,同時后加氯的穩定性也得到了提升。

4.3 隔離化學藥劑與產水系統,保障水質安全

如圖12所示,浸沒式超濾膜進行在線化學清洗時,化學清洗循環管從產水管引出,因此,循環管有一段管道與產水管共用。化學清洗時產水閥前的產水管中充滿化學藥劑,一旦產水閥無法完全關閉,化學藥劑通過產水閥直接滲漏至產水系統,造成嚴重的水質安全事故。以T水廠為例,水廠的產水閥為氣動閥,無操作手盤,無法通過手動方式確保閥門完全關閉,在化學清洗時有極大的藥劑滲漏隱患。因此,水廠在產水管上新增了電動蝶閥,在進行化學清洗前將該閥門完全關閉確保在清洗過程中化學藥劑與產水系統完全隔離,保障化學清洗過程中的水質安全。

圖12 產水管上新增電動閥Fig.12 New Electric Valve in Water Production Pipeline

5 結論

(1)浸沒式超濾膜運行前2年跨膜壓差上升速率緩慢,雖然第4年開始跨膜壓差上升速率明顯提高,但其對渾濁度仍具有良好的去除效果,在沉淀池出水渾濁度波動情況下,膜出水渾濁度仍穩定在0.1 NTU以下。

(2)隨著超濾膜使用時間的延長,抗污染能力減弱,相比于新膜,老化膜更容易出現污染情況,而在產水周期半程進行一次氣洗可有效緩解膜污染。J、T兩水廠的化學清洗效果有很大差異,兩水廠維護性清洗均無顯著作用,恢復性清洗J水廠僅酸洗效果較好,T水廠堿洗與酸洗聯合清洗效果最好。

(3)浸沒式超濾水廠設計時應充分利用清水池的調蓄能力,盡量減少進水量波動,避免超濾膜長時間超負荷工況運行;同時設置膜前加氯點,使膜池出水余氯質量濃度穩定在0.2 mg/L左右,可以有效抑制膜池中藻類滋生。