劉 丞 王天吉 謝 臣 董 冰 劉 淵 周友剛

（1.金科環(huán)境股份有限公司，北京，100102；2.北京市自來水集團(tuán)石景山自來水有限公司，北京，100043）

一、工程概況

北京市自來水集團(tuán)承建的南水北調(diào)配套水廠——石景山水廠于2021年9月30日正式并網(wǎng)通水，日設(shè)計供水規(guī)模達(dá)20萬m3/d，初期日供水量3.6萬m3/d，石景山部分地區(qū)市民喝上了千里之外的“南水”，并為2022年北京冬奧會供水安全再增添一道“保險”。

石景山水廠總占地面積6.1萬平方米，投資10.74億元。水廠整體工藝采用預(yù)臭氧+混凝沉淀（機械攪拌澄清池）+主臭氧+炭砂濾池+超濾+加氯消毒的工藝流程，出水水質(zhì)在符合國家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）要求的基礎(chǔ)上，對細(xì)菌、病毒、兩蟲基本做到了完全隔絕和去除，在實現(xiàn)高品質(zhì)供水的同時，提高了水廠應(yīng)對突發(fā)污染風(fēng)險的能力，率先實現(xiàn)了《城市供水行業(yè)2010年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)》中一級城市的標(biāo)準(zhǔn)。石景山水廠的通水將有效緩解石景山區(qū)及北京中心城西部地區(qū)供水壓力，進(jìn)一步提升北京市城市供水的安全性，保障供水量并改善供水水質(zhì)，同時可置換出大量的地下水自備井用水，對涵養(yǎng)嚴(yán)重匱乏的地下水具有重大意義，為首都社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供堅實基礎(chǔ)。

石景山水廠采用金科環(huán)境Inge內(nèi)壓式超濾膜系統(tǒng)，具有流程短，建設(shè)周期短，自動化操作程度高，出水水質(zhì)穩(wěn)定等特點。本系統(tǒng)以炭砂濾池出水為水源，凈產(chǎn)水能力為20萬m3/d。超濾系統(tǒng)從設(shè)計、建設(shè)到運營，一直秉承“安全、優(yōu)質(zhì)、綠色、智慧”的理念，全程運用金科環(huán)境自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)——水廠雙胞胎，可以在設(shè)計、建設(shè)、運行全過程采用BIM設(shè)計/數(shù)字化手段進(jìn)行管理，在實體水廠交付的同時，提供完全一致的數(shù)字水廠，同時作為未來項目運行階段的資產(chǎn)管理及運行管理工具。

二、工程設(shè)計和項目實施

1.設(shè)計背景

由于之前石景山地區(qū)沒有大型水廠，加之地勢較高，區(qū)域供水主要依靠抽取地下水和中心城區(qū)輸水進(jìn)行保障。隨著石景山地區(qū)產(chǎn)業(yè)升級改造，居民生活用水和公共用水量迅猛增長。為滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的用水需求，自來水集團(tuán)加快推進(jìn)石景山水廠建設(shè)，如期實現(xiàn)通水。隨著飲用水水質(zhì)要求越來越嚴(yán)格，市政給水處理中對于濁度、細(xì)菌、病毒、耐氯微生物-賈第鞭毛蟲、隱孢子蟲等的去除率有了更高的要求；而傳統(tǒng)的水處理技術(shù)無法滿足這些水質(zhì)要求，或者需要的工藝更加復(fù)雜，要求較大的占地面積和較高的投資。超濾膜技術(shù)是解決市政飲用水深度處理問題的理想手段。首先，超濾膜在工藝末端中起到絕對的屏障作用，處理后的水質(zhì)好，出水濁度穩(wěn)定小于0.1NTU，SDI穩(wěn)定小于3，出水顆粒計數(shù)檢測值（≥2μm顆粒數(shù)）≤50個/mL。其次，超濾膜可以非選擇性地濾除病原體，細(xì)菌去除率＞6log，病毒去除率＞4log。最重要的是超濾工藝是物理處理方法，相較于傳統(tǒng)臭氧氧化工藝，超濾工藝沒有消毒或氧化副產(chǎn)物，安全性更好。

2.設(shè)計參數(shù)

2.1設(shè)計水質(zhì)（見表1）

表1 設(shè)計出水水質(zhì)表

2.2工藝流程（見圖1）

圖1 金科環(huán)境石景山水廠工程超濾膜系統(tǒng)

2.3設(shè)計參數(shù)

①超濾預(yù)處理

超濾預(yù)處理分為2個系列，每個系列設(shè)自清洗過濾器4臺（3用1備），單臺過濾流量為1800m3/h，過濾器精度200um。自清洗過濾器進(jìn)水泵6臺（4用2備），單臺流量為2600 m3/h，揚程為27m，功率為250Kw。

②超濾系統(tǒng)

超濾系統(tǒng)分為2個系列，每個系列設(shè)超濾裝置10套，單套產(chǎn)水量為417 m3/h，每套裝置配超濾膜140支。超濾膜公稱孔徑為0.02um，每支膜有效面積為80m2。在超濾裝置前端設(shè)置管道靜態(tài)混合器，通過機械隔膜泵投加絮凝劑（10%聚合氯化鋁溶液）。PAC計量泵3臺（2用1備），單臺流量為100L/h，揚程為3.0bar，功率為0.37Kw。微絮凝僅作為應(yīng)急性投加使用，常規(guī)過濾不投加絮凝劑。

超濾反洗水泵3臺（2用1備），單臺流量為2500 m3/h，揚程為29m，功率為250Kw。反洗過濾器2臺，單臺流量為2250 m3/h，過濾精度300um。在超濾反洗管道設(shè)置靜態(tài)混合器，通過氣動隔膜泵投加殺菌劑（10%次氯酸鈉溶液）、酸（30%檸檬酸溶液）、堿（30%NaOH溶液）。殺菌劑計量泵3臺（2用1備），單臺流量為3000L/h，揚程為3.5bar。檸檬酸計量泵3臺（2用1備），單臺流量為8500L/h，揚程為3.5bar。堿計量泵3臺（2用1備），單臺流量為3000L/h，揚程為3.5bar。

③中和外排系統(tǒng)

超濾加藥反洗廢水排入中和水池，廢水有一定的酸堿性和氧化性。通過計量泵加入檸檬酸溶液和NaOH溶液來調(diào)節(jié)廢水的pH，當(dāng)pH滿足6～9時，停止加檸檬酸溶液或NaOH溶液（中和加藥裝置同超濾反洗檸檬酸溶液、NaOH溶液加藥裝置共用）。廢水的氧化性通過計量泵加入還原劑溶液來調(diào)節(jié)，控制氧化還原電位小于300mv即可外排。還原劑計量泵3臺（2用1備），單臺流量為1100L/h，揚程為3.5bar。中和水外排泵2臺（1用1備），單臺流量為370 m3/h，揚程為15m，功率為22Kw。

2.4 BIM設(shè)計

本項目在實施階段采用BIM設(shè)計，即建筑信息模型，以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，將水廠本身及水廠建造過程三維模型化和數(shù)據(jù)信息化。

通過BIM技術(shù)的采用，可實現(xiàn)設(shè)計階段的協(xié)同設(shè)計、可視化設(shè)計、管線綜合設(shè)計，并進(jìn)行工程量的統(tǒng)計以及成本控制。同時，在施工階段可進(jìn)行施工場地分析、可視化施工交底、施工模擬及施工安全管理，將設(shè)計與施工的銜接過程可視化、智能化，減少人為失誤，保證施工質(zhì)量與工期。水泵間BIM施工設(shè)計效果圖（見圖2），超濾膜車間設(shè)備布置BIM施工設(shè)計效果圖（見圖3），超濾膜車間管廊層管道布置施工設(shè)計效果圖（見圖4）

圖2 水泵間BIM施工設(shè)計效果圖

圖3 超濾膜車間設(shè)備布置BIM施工設(shè)計效果圖

圖4 超濾膜車間管廊層管道布置施工設(shè)計效果圖

以BIM設(shè)計模型為基礎(chǔ)，可衍生出實體水廠的數(shù)字雙胞胎，即數(shù)字水廠，實時顯示超濾系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，并對系統(tǒng)運行狀態(tài)進(jìn)行評估，根據(jù)目前檢測數(shù)據(jù)預(yù)測系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障和建議預(yù)防措施，從而簡便運營維護(hù)。

2.5水廠雙胞胎技術(shù)

“水廠雙胞胎”是由金科環(huán)境開發(fā)的數(shù)字化項目管理平臺，可以在向客戶交付實體水廠的同時，提供數(shù)字水廠?！八畯S雙胞胎”融合了工程項目的設(shè)計數(shù)據(jù)、實施過程數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)，記錄了實體水廠從無到有的發(fā)展歷程，以及實時運行狀態(tài)，實現(xiàn)了實體水廠的數(shù)字化模擬，為實體水廠的資產(chǎn)管理、遠(yuǎn)程監(jiān)測、運行智慧化提供了數(shù)字化工具。

3.調(diào)試與運行

3.1管道沖洗及檢測

石景山水廠調(diào)試期間因為水量受限，最終采用“分批次”沖洗方式，充分合理的利用水源。沖洗順序為：第一步，沖洗超濾進(jìn)水和產(chǎn)水管，沖洗水進(jìn)入清水池和反洗水池，作為清洗水池用水；第二步，沖洗超濾反洗進(jìn)水和排水管，沖洗水返回前端集水池；第三步，沖洗超濾化學(xué)清洗管，沖洗水返回前端集水池；最后利用壓縮空氣沖洗超濾膜架本體管道。沖洗水量消耗及效果對照見表2。

表2 沖洗水量消耗及效果對照表

沖洗管道過程實現(xiàn)了“零排水”即將管道及設(shè)備沖洗干凈的效果，得到了業(yè)主的認(rèn)可。

3.2超濾膜沖洗及檢測

石景山水廠有20套超濾設(shè)備，共 2800支超濾膜元件，每支膜元件內(nèi)含有一定量的醫(yī)用級甘油保護(hù)液，正式使用前需要將其沖洗干凈。因調(diào)試初期沒有足夠水源補給，為不耽誤投產(chǎn)日期，經(jīng)過計算和分析，利用化學(xué)清洗水箱，采用“單組浸泡+循環(huán)沖洗”的模式，對超濾膜元件進(jìn)行沖洗，并觀察沖洗效果。

甘油與水可以任意比例互溶，因其是多羥基化合物，所以溶于水后顯還原性。根據(jù)GB5750-2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法》中的“耗氧量-酸性高錳酸鉀滴定法”用于檢測水中還原性物質(zhì)的濃度，所以該方法可以表征出水中甘油的含量（排除甘油外的還原性物質(zhì)影響）。根據(jù)上述方法檢測膜組浸泡、沖洗后的COD數(shù)值來判定甘油保護(hù)液沖洗效果（已知原水中COD值＜3mg/L，見表3）。

表3 沖洗效果表

超濾膜沖洗完成后至首次投運期間，為避免膜內(nèi)滋生細(xì)菌堵塞膜絲，需定期置換膜殼內(nèi)存水。為減少運營人員的置換操作強度，自控工程師在上位操作程序中增加了 “一鍵換水”程序，整個操作過程全自動運行，置換后的排水返回廠區(qū)前端集水池，循環(huán)利用達(dá)到降本增效的目的，得到業(yè)主的一致好評。

3.3系統(tǒng)運行

超濾系統(tǒng)于2021年3月9日進(jìn)行調(diào)試，兩個系列同時進(jìn)水，進(jìn)水pH值為8.0左右，溫度為20℃左右，瞬時產(chǎn)水通量為44L/(m2·h)，采用全流過濾的運行方式。經(jīng)過7天的調(diào)試，超濾裝置出水濁度穩(wěn)定，運行數(shù)據(jù)見表4和圖5。細(xì)菌、病毒等去除率滿足性能要求，運行數(shù)據(jù)見表4。

表4 濁度運行數(shù)據(jù)表

圖5 工藝段濁度變化趨勢圖

超濾系統(tǒng)連續(xù)運行數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，最終出水水質(zhì)滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）、《城市供水行業(yè)2010年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)》中的一級城市的標(biāo)準(zhǔn)中的要求。

表5 微生物指標(biāo)數(shù)據(jù)表

三、金科環(huán)境超濾膜系統(tǒng)特色及優(yōu)勢

1、雙PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)水量實現(xiàn)恒流運行，使系統(tǒng)運行更穩(wěn)定，更節(jié)能，更高效。

通過每套超濾膜堆的進(jìn)水調(diào)節(jié)閥的百分比開度信號（4～20mA信號）、超濾供水泵的運行赫茲數(shù)變頻調(diào)節(jié)這兩點的模擬量輸出與每套超濾進(jìn)水電磁流量計的設(shè)定值進(jìn)行雙向匹配實時調(diào)整，來達(dá)到多套超濾膜堆的均勻配水以及整體系統(tǒng)的恒流供水。根據(jù)供水量要求和超濾套數(shù)的匹配，給定單套超濾給水流量的設(shè)定值，與單套進(jìn)水電磁流量計測量的實時當(dāng)前值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，在控制器中進(jìn)行比例（P）和積分（I）運算，將控制數(shù)據(jù)（4～20mA信號）輸出至超濾供水泵變頻器，變頻器根據(jù)接收到的控制電流，調(diào)整輸出頻率，當(dāng)實際值小于設(shè)定值，控制電流增大，變頻器頻率增加，給水流量隨之增大；當(dāng)實際值大于設(shè)定值時，控制電流減小，變頻器頻率降低，流量隨之減小。變頻器輸出頻率調(diào)整的幅度可以通過調(diào)整比例（P）和積分（I）的數(shù)值得以改變。當(dāng)控制電流超出最大值和最小值范圍時，控制器直接輸出最大值或最小值。當(dāng)控制器切換到手動控制狀態(tài)時，可以人工輸入控制數(shù)據(jù)，使變頻器在固定頻率下運行，此時運行流量將保持恒定值。

2、結(jié)合工程經(jīng)驗，充分考慮潛在風(fēng)險，設(shè)置超濾進(jìn)水微絮凝裝置應(yīng)對突發(fā)狀況。

當(dāng)初期調(diào)試、炭砂濾池更換填料或濾池出水水質(zhì)惡化時，超濾系統(tǒng)進(jìn)水可能存在有機物、膠體增高的風(fēng)險，炭砂濾池出水可能含有的細(xì)小炭粒也會堵塞超濾膜。由于超濾膜有絕對屏障的過濾作用，在超濾膜的實際運行中，微小的顆粒更易堵塞膜過濾孔。在這種情況下，可以采用超濾進(jìn)水微絮凝加藥的方式，通過絮凝劑的物理化學(xué)作用，使小顆粒增長成大顆粒，從而降低對膜絲影響。

3、內(nèi)壓式超濾在大型市政飲用水深度處理項目應(yīng)用中表現(xiàn)出色，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

本系統(tǒng)超濾膜選用國際知名品牌瀅格，為多孔超濾膜，由七根具有相同內(nèi)徑的膜束組成為一根膜絲，與單孔膜絲相比，多孔超濾膜具有明顯的強度優(yōu)勢，確保在膜元件壽命期內(nèi)，產(chǎn)水量能滿足設(shè)計的要求。多孔膜絲采用專利生產(chǎn)技術(shù)，材質(zhì)選用性能最佳的改性聚醚砜（PES），一步成型。多孔膜絲是“一體式”結(jié)構(gòu)，無分層。 “一體式”膜絲不會產(chǎn)生分層剝離的現(xiàn)象，這也是該超濾膜的最大優(yōu)勢之一；另外，PES材質(zhì)具有更高的親水性能。親水性能越好，膜絲表面越不容易吸附有機物，因此耐污染性能越好。超濾膜的膜孔徑為0.02μm,可徹底去除懸浮物、膠體、病毒和細(xì)菌等，其中對病毒的去除率達(dá)到4log，對細(xì)菌的去除率可達(dá)到6log，膜出水SDI≤3。

超濾膜組件采用獨特的水力優(yōu)化設(shè)計，在內(nèi)部膜絲和外殼間采用打孔的集水環(huán)式集水結(jié)構(gòu)。集水環(huán)的設(shè)計與中心管式結(jié)構(gòu)不同，在過濾及反洗時，可以使膜斷面及長度方向的水流分布更加均勻，反洗和過濾時的水流速度更加平穩(wěn)、水力分布更加均勻，也就是說，膜組件內(nèi)的每根膜絲具有近乎一致的產(chǎn)水性能，反洗流速分布更加均勻，膜組件具有更好的過濾及反洗效果，不但運行壓差低，而且常規(guī)的水反洗就能清洗干凈，減少CEB維護(hù)性化學(xué)清洗及CIP恢復(fù)性化學(xué)清洗的頻率，大大延長膜的使用壽命。超濾組件結(jié)構(gòu)設(shè)計易于更換、安裝和增容，膜支架和膜元件拆裝靈活，使膜系統(tǒng)的安裝和維護(hù)更簡便。超濾膜組件結(jié)構(gòu)獨特，運行操作靈活。可采用死端或錯流過濾模式，過濾及膜清洗可采用“頂部至底部”及“底部至頂部”的進(jìn)水模式。

超濾系統(tǒng)回收率≥97%，同時保證超濾膜系統(tǒng)在最不利的工況條件下（冬季水溫1℃）具有不低于20萬m3/d的產(chǎn)水能力，同時膜系統(tǒng)的進(jìn)出水管路及連接管路、供水泵、預(yù)處理自清洗過濾器、閥門等能滿足總能力24萬m3/d的供水規(guī)模，保障飲水供應(yīng)。

4、膜車間采用分層設(shè)計，布置風(fēng)格令人耳目一新。

本系統(tǒng)采用立式膜組件系統(tǒng)集成度高，每根膜組件獨立垂直安裝，檢修維護(hù)方便，系統(tǒng)容易排氣，可以自動進(jìn)行完整性檢測。

膜堆層和管廊層上下分層設(shè)計。膜車間內(nèi)僅展示膜堆部分，膜元件整齊排列，外觀簡潔大方。管廊操作層位于膜堆層之下，閥門、管道、連接件、儀表等集中分布在此層，便于系統(tǒng)的日常維護(hù)與檢修。另外，上下分層設(shè)計的水力分配更科學(xué)合理，系統(tǒng)各個部位的膜元件內(nèi)外壓工況統(tǒng)一均等。此設(shè)計便于標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，在品質(zhì)、性能和性價比方面均擁有優(yōu)勢。（見圖6、圖7）

圖6 金科環(huán)境石景山水廠200,000m3/d超濾膜車間

圖7 金科環(huán)境石景山水廠管廊層

5、新材料的應(yīng)用，性價比更高。

金科環(huán)境研發(fā)團(tuán)隊經(jīng)過大量的實驗，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)HDPE（高密度聚乙烯）集成管道系統(tǒng)加工制造技術(shù)，率先將HDPE集成管道應(yīng)用在膜處理系統(tǒng)，進(jìn)一步提升了膜系統(tǒng)的性價比。HDPE耐強酸、強堿性能高于不銹鋼。此外HDPE管道表面光滑、摩擦系數(shù)小，故水力損失小，可降低膜濾系統(tǒng)的運行能耗。

6、全廠使用數(shù)字軟件，實現(xiàn)“智慧”水務(wù)。

金科環(huán)境自主研發(fā)的“水廠雙胞胎”管理平臺是一種Online to Oラ ine（線上線下）的三級智能系統(tǒng)，從三個不同層次為用戶提供服務(wù)：在移動端實時在線地監(jiān)控水廠運行狀況；定期采用智能軟件對儲存在云端的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提供運行建議，優(yōu)化運行參數(shù)；隨時采用視頻通訊，由金科環(huán)境技術(shù)專家指導(dǎo)系統(tǒng)的運行維護(hù)。

四、經(jīng)驗總結(jié)

石景山水廠采用先進(jìn)的水處理工藝，構(gòu)建了多級工藝屏障確保供水安全。由金科環(huán)境設(shè)計并承建的超濾膜車間，設(shè)備布置簡潔美觀，閥門儀表操作簡便，保養(yǎng)維修方便，程序控制自動化程度高，系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)好，運行穩(wěn)定。

注釋：SDI：污染指數(shù)SDI（Silt Density Index）值，也稱之為FI（Fouling Index）值，是水質(zhì)指標(biāo)的重要參數(shù)之一。它代表了水中顆粒、膠體和其他能阻塞各種水凈化設(shè)備的物體含量。

log：通常用微生物數(shù)量的對數(shù)來表示其去除率。例如：6log表示微生物數(shù)量去除率為0.999999；4log表示去除率為0.9999。