胡林

（麥王環(huán)境技術(shù)股份有限公司， 上海 200082）

污水軟化除硬的傳統(tǒng)工藝為混凝＋沉淀組合。常用的澄清段均設(shè)置為水池、 水箱的型式， 通過(guò)重力沉降等方式將污水中的固液分離， 其占地面積大、 施工復(fù)雜、 作業(yè)環(huán)境差， 較多地應(yīng)用于大水量系統(tǒng)［1-2］。 在傳統(tǒng)工藝中， 固液分離階段需要添加絮凝劑， 間接給后續(xù)的中空纖維超濾和反滲透等設(shè)備帶來(lái)較大的負(fù)面影響， 例如： 難以恢復(fù)的污堵、斷絲等。 管式微濾膜（TMF）是以膜兩側(cè)壓力差作為推動(dòng)力， 采用錯(cuò)流過(guò)濾的方式進(jìn)行固液分離的一種膜技術(shù)， 污水中微米級(jí)及以上粒徑的SS、 COD 及細(xì)菌等均可得到有效除去［3］。 利用TMF 替代傳統(tǒng)的沉降、 澄清工藝， 不需要較大的粒徑和比重， 就能夠把沉淀物從水中分離出來(lái)。 此外， TMF 系統(tǒng)無(wú)需過(guò)量投加藥劑， 不會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的污泥， 同時(shí)避免向水系統(tǒng)帶入過(guò)量的離子負(fù)荷。 TMF 系統(tǒng)作為固液分離的有效手段， 已廣泛應(yīng)用于RO 濃水回收、 食品飲料處理、 礦井水中高濃度固體物質(zhì)的去除等項(xiàng)目［4-6］。 針對(duì)上述TMF 存在的技術(shù)優(yōu)勢(shì)， 某礦井水項(xiàng)目軟化除硬工藝段固液分離選用TMF 替代沉降工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 管式微濾膜的技術(shù)特點(diǎn)

在140 ～550 kPa 的條件下， 產(chǎn)水通過(guò)膜孔過(guò)濾出來(lái)， 大量的懸浮顆粒物則被截留在回流液一側(cè)。 膜管內(nèi)回流液呈高速湍流狀以防止固體顆粒物在過(guò)流膜面形成濾餅層， 因而獲得高通量并延長(zhǎng)運(yùn)行周期。 由于寬通道膜管設(shè)計(jì)與湍流式的錯(cuò)流過(guò)濾形式， 使得污水進(jìn)入TMF 之前無(wú)需采取任何過(guò)濾措施， 且可處理含懸浮固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)5%的液體。

TMF 產(chǎn)水通量范圍廣且高， 通常為200 ～500 L／（m2·h）， 多種過(guò)濾孔徑可選； 相較于超濾膜， TMF具有更高的操作壓力、 反洗壓力、 通量； 優(yōu)異的化學(xué)耐受性， 可耐受pH 值為1 ～14， 使用壽命長(zhǎng)。

2 管式微濾膜工藝設(shè)計(jì)分析

常規(guī)TMF 工藝路線主要由預(yù)處理單元、 污泥濃縮單元、 管式微濾膜成套單元等單元組成。 具體詳見圖1 所示。

圖1 常規(guī)TMF 工藝路線Fig. 1 Conventional TMF process flow

2.1 預(yù)處理單元設(shè)計(jì)

預(yù)處理主要是向反應(yīng)池內(nèi)投加軟化藥劑， 使得硬度物質(zhì)全部形成便于沉降分離的大絮體顆粒物。軟化反應(yīng)的時(shí)間要充分， 通常設(shè)置為兩級(jí)反應(yīng)， 由第一反應(yīng)池、 第二反應(yīng)池組成， 每一級(jí)的設(shè)計(jì)停留時(shí)間為30 ～45 min。 若來(lái)水污泥濃度較高， 可根據(jù)回收率及回收比的具體情況， 在軟化后設(shè)置緩沖沉淀池， 但要保證進(jìn)入TMF 內(nèi)水含有一定濃度的污泥顆粒物， 否則會(huì)對(duì)過(guò)濾分離造成不利影響。

進(jìn)水中有過(guò)量阻垢劑、 PAM、 油脂類、 表面活性劑等物質(zhì)時(shí)， 可能會(huì)嚴(yán)重影響TMF 通量， 需進(jìn)行分流應(yīng)急預(yù)處理， 減緩對(duì)膜的不利影響。

2.2 污泥濃縮單元設(shè)計(jì)

污泥濃縮的單元由污泥濃縮池、 排泥泵、 污泥壓濾機(jī)等組成。 濃縮池設(shè)計(jì)有效停留時(shí)間為30 ～60 min， 可依據(jù)進(jìn)TMF 污泥濃度選擇合理的停留時(shí)間。 濃縮池內(nèi)設(shè)置有攪拌機(jī)， 當(dāng)循環(huán)流量較大時(shí)， 循環(huán)的水流即可對(duì)池內(nèi)流體進(jìn)行有效的攪拌，可不設(shè)置攪拌機(jī)。 此外， 在池底設(shè)置泥斗， 便于對(duì)污泥進(jìn)行收集及排泥檢修。

排泥泵最少需設(shè)置1 套備用泵。 濃縮池排泥時(shí)池內(nèi)污泥較粘稠， 排泥泵設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)比理論排泥量偏大20%～30%， 配套的排泥管道管徑不宜過(guò)?。黄罅髁康呐拍啾?， 排泥方式可選擇為間歇方式。軟化除硬過(guò)程中會(huì)投加大量藥劑， 為防止腐蝕性極強(qiáng)的物質(zhì)影響排泥泵的使用壽命， 建議選擇內(nèi)襯塑離心泵、 隔膜泵等。 此外， 排泥泵抽吸的都是以碳酸鈣、 硫酸鈣、 氫氧化鎂、 硅類沉淀物為主的易結(jié)垢類顆粒物， 故設(shè)計(jì)時(shí)需考慮污堵清洗的配套設(shè)施，降低投運(yùn)后排泥泵及排泥管道的污堵結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。

較大回流量對(duì)污泥濃縮池內(nèi)液位計(jì)有較大的沖擊影響， 需考慮回流污泥的腐蝕性較大等因素， 對(duì)污泥濃縮池液位計(jì)的選擇需靈活應(yīng)對(duì)。

2.3 膜型號(hào)選擇

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上常用的有DURAFLOW 和POREX 2 個(gè)品牌的TMF。 它們主要共同點(diǎn)及區(qū)別如下：

（1） 制膜工藝與膜材質(zhì)不同。 DURAFLOW 是復(fù)合膜， PVDF 膜與支撐層交聯(lián)或襯入到支撐管內(nèi)壁， DURAFLOW 的支撐層材質(zhì)為HDPE ； POREX是燒結(jié)膜， 膜被澆鑄在多孔材料管內(nèi)， 燒結(jié)支撐層材質(zhì)則為UHMWPE 或PVDF。

（2） 膜過(guò)濾精度不同。 DURAFLOW 常用的為0.05 μm； POREX 則有3 種過(guò)濾精度可選： 0.1、0.05 和0.02 μm， 0.05 μm 使用最廣泛， 其他2 種規(guī)格常用于特殊工況。

（3） 2 個(gè)品牌均有12.5 mm 和25.4 mm 內(nèi)徑的膜芯， 大內(nèi)徑的TMF 運(yùn)行費(fèi)用高于小內(nèi)徑的TMF，進(jìn)料懸浮物高的工況下推薦用大內(nèi)徑膜芯。

（4） 單支TMF 膜的膜芯數(shù)量各不相同， 具體選用情況依據(jù)處理規(guī)模、 TMF 設(shè)置的套數(shù)、 產(chǎn)水通量等進(jìn)行配置與選擇。

本項(xiàng)目選用DURAFLOW 品牌下的DFES12565T 型產(chǎn)品膜， 具體的性能參數(shù)如下： ①外殼材質(zhì)為PVC， 支撐層材質(zhì)為HPDE， 膜材質(zhì)為PVDF； ②過(guò)濾精度為0.05 μm， 長(zhǎng)度為1 829 mm；內(nèi)徑為12.5 mm， 單只膜面積為4.48 m2， 膜芯數(shù)量為65 只。

12.5 mm 膜芯通道產(chǎn)品適用于原水懸浮物質(zhì)量濃度不高于1 000 mg／L， 直接進(jìn)膜的懸浮物質(zhì)量濃度不高于20 000 mg／L。 本項(xiàng)目來(lái)水為反滲透濃鹽水，懸浮物含量低， 含有大量的鈣、 鎂、 硅等硬度化合物， 經(jīng)加藥混凝后水中懸浮物質(zhì)量濃度為1 000 ～3 000 mg／L， 故本項(xiàng)目選用12.5 mm 膜芯通道產(chǎn)品。

2.4 TMF 內(nèi)部成套設(shè)計(jì)

TMF 進(jìn)水條件波動(dòng)范圍較大， 運(yùn)行過(guò)程中需要定時(shí)對(duì)膜進(jìn)行氣、 水反洗， 防止產(chǎn)水效率降低；污染后需對(duì)膜進(jìn)行化學(xué)清洗， 故TMF 系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間均按照每日20 ～22 h 考慮； 為保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性， 在預(yù)算允許的情況下， 考慮備用1 套系統(tǒng)。

TMF 系統(tǒng)常用串聯(lián)方式有2 種： ①不超過(guò)12只； ②12 ～16 只。 當(dāng)膜的數(shù)量較多， 超過(guò)單列串聯(lián)的數(shù)量時(shí)， 采用并聯(lián)多列的方式。 當(dāng)系統(tǒng)的列數(shù)少于4 列時(shí)， 選用1 套滑架， 設(shè)置獨(dú)立的進(jìn)、 出水管道， 單列膜分別匹配閥門控制， 可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行及化學(xué)清洗； 當(dāng)列數(shù)大于4 列時(shí)， 設(shè)置2 套以上的滑架， 此時(shí)膜列數(shù)較多， 匹配閥門繁多， 設(shè)置進(jìn)、出水母管； 為減緩單列停機(jī)時(shí)對(duì)系統(tǒng)的沖擊影響，膜進(jìn)、 出閥門設(shè)置為電動(dòng)閥門。

針對(duì)100 m3／h 及以下的進(jìn)水規(guī)模， 各套循環(huán)泵獨(dú)立進(jìn)料， 避免運(yùn)行過(guò)程中因閥門關(guān)閉故障、 管路滲漏等帶來(lái)的藥劑交叉污染導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)等風(fēng)險(xiǎn)。

循環(huán)泵揚(yáng)程受濃縮池、 循環(huán)泵、 滑架、 產(chǎn)水池具體距離的影響， 另外需考慮管路的水力損失。 循環(huán)泵的過(guò)流介質(zhì)為污泥顆粒易磨損泵、 尤其是高鹽水含氯離子濃度高、 腐蝕性強(qiáng)的工況下， 設(shè)計(jì)時(shí)過(guò)流材質(zhì)建議選用316L 不銹鋼、 雙相鋼、 襯塑等。

清洗系統(tǒng)由清洗泵、 清洗藥箱、 清洗保安過(guò)濾器等設(shè)備組成。 清洗泵運(yùn)行時(shí)需抽吸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～10% 的酸、 堿、 殺菌劑等高腐蝕性藥劑， 其過(guò)流材質(zhì)宜選用PTFE、 PVDF 等耐腐蝕的塑料材質(zhì)。 清洗藥箱可據(jù)清洗藥劑單獨(dú)設(shè)置， 也可共用一個(gè)藥箱， 清洗水箱的材質(zhì)以PP、 PE、 FRP 等耐腐蝕性為主。

3 管式微濾膜設(shè)計(jì)案例分析

3.1 工程概況

某礦井污水項(xiàng)目TMF 設(shè)計(jì)進(jìn)水量為90 m3／h，按每天運(yùn)行22 h 進(jìn)行設(shè)計(jì)。 污水為一級(jí)反滲透濃縮后的高鹽水， 總硬度、 總硅含量高。 通過(guò)投加鎂劑、 NaOH、 Ca（OH）2等除硬除硅藥劑后［7］， TMF系統(tǒng)設(shè)計(jì)出水滿足ρ（Ca2＋）≤20 mg／L、 ρ（Mg2＋）≤20 mg／L、 ρ（總硅）≤20 mg／L。 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1 所示。 工藝流程如圖2 所示。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水要求Tab. 1 Design influent and effluent water quality

圖2 本項(xiàng)目TMF 工藝路線Fig. 2 TMF Process flow of the project

由于進(jìn)水總堿度大于總硬度， 無(wú)需投加碳酸鈉等藥劑補(bǔ)充堿度。 第一反應(yīng)池投加Ca（OH）2、 NaOH、MgCl2， 目標(biāo)pH ＝10.5， 池內(nèi)設(shè)攪拌機(jī)、 pH 計(jì)； 第二反應(yīng)池投加NaOH， 目標(biāo)pH ＝11.5， 池內(nèi)設(shè)攪拌機(jī)、 pH 計(jì)［8］； 產(chǎn)水管路設(shè)置管道混合器， 用HCl 對(duì)產(chǎn)水pH 值進(jìn)行回調(diào)， 目標(biāo)pH ＝8。 TMF 濃水經(jīng)過(guò)大流量循環(huán)后， 污水的懸浮物質(zhì)量濃度由500 ～850 mg／L 濃縮至30 g／L 并儲(chǔ)存在污泥濃縮池， 污泥產(chǎn)生量為23 m3／h。 通過(guò)污泥泵將濃縮后的污泥提升至板框壓濾機(jī)進(jìn)行脫水， 每天產(chǎn)生38 t 含水率為60%的泥餅。 脫水泥餅外運(yùn)處置， 壓濾水進(jìn)入原水池重復(fù)利用。 TMF 產(chǎn)水進(jìn)入產(chǎn)水池， 供后續(xù)工段使用。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)筑物及設(shè)備配置

（1） 第一反應(yīng)池。 尺寸為4.0 m×4.0 m×5.0 m，有效水深為4.5 m， V ＝75 m3。 水力停留時(shí)間為50 min， 鋼砼結(jié)構(gòu)。 設(shè)廢水提升泵2 臺(tái)， 1 用1 備， 流量為90 m3／h， 揚(yáng)程15 m， 功率為7.5 kW， 攪拌機(jī)2臺(tái)， 功率為2.2 kW。

（2） 第二反應(yīng)池。 尺寸為4.0 m×4.0 m×5.0 m，有效水深為4.5 m， V ＝75 m3。 水力停留時(shí)間為50 min， 鋼砼結(jié)構(gòu)。 設(shè)攪拌機(jī)2 臺(tái)， 功率為2.2 kW。

（3） 緩沖沉淀池。 尺寸為9.0 m×4.0 m×5.0 m， 有效水深為4.5 m， V ＝180 m3。 水力停留時(shí)間為120 min， 鋼砼結(jié)構(gòu)。 設(shè)刮泥機(jī)1 臺(tái)， 功率為1.5 kW； 排泥泵2 臺(tái)， 1 用1 備。 流量為10 m3／h， 揚(yáng)程為25 m， 功率為1.5 kW。

（4） 污泥濃縮池。 尺寸為4.0 m × 4.0 m × 5.0 m， 有效水深為4.5 m， V ＝75 m3。 水力停留時(shí)間為50 min， 鋼砼結(jié)構(gòu)。 設(shè)排泥泵2 臺(tái)， 1 用1 備，流量為30 m3／h， 揚(yáng)程為25 m， 功率為5.5 kW， 配套液位計(jì)1 套。

（5） TMF 膜。 設(shè)2 套， 單套設(shè)計(jì)進(jìn)水量為45 m3／h， 36 支膜／套， 1 套2 組， 每組2 列18 支膜元件， 單列9 支串聯(lián)。 回收率≥98%， 過(guò)濾產(chǎn)水通量為280 L／（m2·h）。 膜系統(tǒng)滑架尺寸為9.0 m×3.0 m×3.8 m， 2 套膜系統(tǒng)滑架均采用不銹鋼SS304 材質(zhì)制作。 循環(huán)泵5 臺(tái)， 4 用1 備， 流量為240 m3／h， 揚(yáng)程為45 m， 功率為55 kW， 變頻控制。

（6） 產(chǎn)水池。 尺寸為4.0 m×4.0 m×5.0 m， 有效水深為4.5 m， V ＝75 m3。 水力停留時(shí)間為50 min，鋼砼結(jié)構(gòu)。 設(shè)反沖洗泵3 臺(tái)， 2 用1 備， 流量為80 m3／h， 揚(yáng)程為25 m， 功率為11 kW， 變頻控制。

（7） 清洗單元。 設(shè)清洗泵3 臺(tái)， 2 用1 備， 流量為45 m3／h， 揚(yáng)程為45 m， 功率為11 kW， 清洗箱V ＝5 m3， 材質(zhì)為PE， 配套pH 計(jì)1 套。

（8） 污泥脫水單元。 設(shè)程控自動(dòng)拉板廂式壓濾機(jī)2 臺(tái)， 1 用1 備。 過(guò)濾面積為400 m2， 濾室容積為7 m3， 功率為7.5 kW。

3.3 投資及運(yùn)行成本

TMF 單元投資約500 萬(wàn)元， 噸水投資5.56 萬(wàn)元。TMF 膜系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用為9.087 元／t， 其中藥劑費(fèi)5.997元／t， 電費(fèi)1.945 元／t， 膜設(shè)備折舊費(fèi)1.145 元／t。

3.4 運(yùn)行效果

該TMF 工藝調(diào)試成功后， 主要進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)如表2 所示。

表2 進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)Tab. 2 Influent and effluent water quality

從表2 可看出， 實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)均略低于設(shè)計(jì)水質(zhì)， 出水水質(zhì)均達(dá)到并優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)； 出水濁度≤1 NTU， SDI ≤5， 滿足反滲透進(jìn)水要求。 運(yùn)行期間， 系統(tǒng)耐沖擊能力強(qiáng)， 出水水質(zhì)穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

（1） TMF 作為軟化段中的固液分離工藝， 無(wú)需添加絮凝劑， 節(jié)省運(yùn)行成本。

（2） TMF 可替換傳統(tǒng)工藝沉淀分離區(qū)， 節(jié)省項(xiàng)目占地。

（3） 設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)放大關(guān)鍵參數(shù)， 可提高TMF系統(tǒng)在軟化除硬系統(tǒng)固液分離的穩(wěn)定性、 高效性及可靠性。

（4） 目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)TMF 膜相較于傳統(tǒng)的固液分離手段， 其造價(jià)偏高， 在工程推廣和使用方面存在一定的局限性。