魏 恒,余文慶,朱林勇,劉宏遠(yuǎn),*

(1.寧波市水務(wù)環(huán)境集團(tuán)有限公司制水分公司,浙江寧波 315000;2.浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,浙江杭州 310000)

超濾膜工藝具有出水穩(wěn)定、占地面積小、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在水廠設(shè)計(jì)改造中的應(yīng)用日益增多[1-2]。江蘇南通狼山水廠浸沒(méi)式超濾膜采用的處理工藝為“混凝沉淀+臭氧活性炭+浸沒(méi)式超濾膜”,實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,浸沒(méi)式超濾工藝可有效保障出廠水的水質(zhì)穩(wěn)定性,但在超濾膜污染清洗工藝及管路設(shè)置等水廠實(shí)際運(yùn)行等方面仍需通過(guò)實(shí)際運(yùn)行取得經(jīng)驗(yàn)后進(jìn)行優(yōu)化[3]。唐山某水廠選擇“混凝沉淀+重力驅(qū)動(dòng)浸沒(méi)式超濾膜過(guò)濾”工藝,出水水質(zhì)高于國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn),膜過(guò)濾系統(tǒng)的噸水能耗大幅降低。根據(jù)水廠長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行單元改造設(shè)計(jì)和產(chǎn)水管道的位置設(shè)計(jì)等優(yōu)化措施,可實(shí)現(xiàn)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(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)后對(duì)超濾膜工藝步序等進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)[5]。由此可見(jiàn),浸沒(méi)式超濾膜工藝雖然優(yōu)點(diǎn)頗多,系統(tǒng)升級(jí)改造、膜污染清洗、管路優(yōu)化等痛點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題仍相對(duì)缺乏大型水廠長(zhǎng)期運(yùn)行的既有經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。本文分析總結(jié)了浙江省J、T兩個(gè)生產(chǎn)規(guī)模分別為2×105、5×105m3/d的浸沒(méi)式超濾膜水廠運(yùn)行了2、7年所得出的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn),旨在為浸沒(méi)式超濾膜水廠設(shè)計(jì)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(zhèn)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(guī)模為3.5×105m3/d。2016年,為提升水質(zhì),并達(dá)到《浙江省城市供水現(xiàn)代化水廠評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》2018版的要求,水廠將實(shí)際供水規(guī)?？s減為2×105m3/d,并將虹吸濾池改造為浸沒(méi)式超濾膜池。

(2)T水廠

T水廠設(shè)計(jì)供水規(guī)模為5×105m3/d,2020年7月正式運(yùn)行供水。原水取自某市水庫(kù)水,水廠在構(gòu)筑物的設(shè)置上充分吸取了J水廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),凈水工藝為折板絮凝-平流沉淀-浸沒(méi)式超濾-消毒。

2 超濾工藝流程

2.1 超濾膜系統(tǒng)組成

J、T水廠超濾膜等相關(guān)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(jié)構(gòu),在池內(nèi)放置浸沒(méi)式超濾膜組件,利用池體兩側(cè)的空間布置管廊與設(shè)備。同時(shí),水廠新建了輔助車間、中和水池與低壓配電間等附屬設(shè)施,以滿足超濾膜曝氣、化學(xué)清洗、供電等需求,但由于空間受限,無(wú)法實(shí)現(xiàn)虹吸產(chǎn)水,需利用產(chǎn)水泵進(jìn)行抽吸產(chǎn)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(chǎn)水渠設(shè)在膜池下部空間內(nèi),產(chǎn)水通過(guò)產(chǎn)水渠流入消毒接觸池內(nèi),通過(guò)膜池與產(chǎn)水渠之間的液位差提供動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)重力產(chǎn)水。當(dāng)跨膜壓差上升、超濾膜過(guò)水通量下降,產(chǎn)水量無(wú)法滿足需求時(shí),可開(kāi)啟產(chǎn)水渠內(nèi)的軸流泵降低產(chǎn)水渠液位,增加過(guò)濾水頭,最大可利用水頭達(dá)5.2 m。同時(shí),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(méi)式超濾膜車間合建,并增加了單獨(dú)藥劑排放池用于暫存維護(hù)性清洗廢水。

2.2 超濾膜系統(tǒng)工作步序

J水廠與T水廠超濾膜系統(tǒng)工作步序基本一致,具體運(yùn)行參數(shù)如表2所示。J水廠超濾膜工作周期為80 min,第一階段產(chǎn)水40 min后氣洗180 s,進(jìn)入第二階段產(chǎn)水40 min,第二階段產(chǎn)水結(jié)束后進(jìn)行氣洗180 s+氣水混沖50 s,結(jié)束后進(jìn)行排污。T水廠超濾膜工作步序與J水廠基本一致,在產(chǎn)水時(shí)間、氣洗、水洗時(shí)間強(qiáng)度等參數(shù)略有不同。

表2 J、T水廠超濾膜運(yùn)行參數(shù)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(zhì)對(duì)比

J水廠與T水廠原水、出廠水主要水質(zhì)參數(shù)對(duì)比如表3所示。由于J、T兩水廠所用水源不同,原水水質(zhì)略有差異,從表中主要指標(biāo)來(lái)看主要體現(xiàn)在渾濁度與硬度上,其余指標(biāo)差別不大,且出廠水均能滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2022)要求。

表3 J、T水廠原水、出廠水水質(zhì)對(duì)比Tab.3 Comparison of Raw Water and Finished Water in J and T WTPs

3 結(jié)果與討論

3.1 渾濁度和顆粒數(shù)

表4為超濾膜進(jìn)出水渾濁度對(duì)比。在日常進(jìn)水渾濁度波動(dòng)不大時(shí),超濾膜對(duì)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(tái)風(fēng)季短時(shí)內(nèi)渾濁度暴漲時(shí),依然可保證出水渾濁度＜0.1 NTU。2 μm以上顆粒數(shù)偶有檢出,超濾膜進(jìn)水渾濁度波動(dòng)對(duì)其出水渾濁度沒(méi)有影響,說(shuō)明浸沒(méi)式超濾膜具有良好的抗沖擊負(fù)荷能力和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

表4 超濾膜進(jìn)出水渾濁度對(duì)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(guò)濾方法生產(chǎn)運(yùn)行,故采用跨膜壓差來(lái)評(píng)判膜污染程度以及膜狀態(tài)。J水廠經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)7年的長(zhǎng)期運(yùn)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(yùn)行期間跨膜壓差的變化大致可分為3個(gè)階段。

第一階段:投產(chǎn)第1～2年,跨膜壓差無(wú)明顯增長(zhǎng)趨勢(shì),在此期間當(dāng)超濾膜為恒流運(yùn)行時(shí),跨膜壓差上升到20 kPa左右進(jìn)行低濃度短時(shí)間的維護(hù)性化學(xué)清洗,未進(jìn)行恢復(fù)性化學(xué)清洗;第3年起跨膜壓差呈緩慢上升趨勢(shì),當(dāng)跨膜壓差超過(guò)50 kPa,需定期進(jìn)行恢復(fù)性化學(xué)清洗,清洗周期大于6個(gè)月,清洗完后跨膜壓差可恢復(fù)至接近新膜狀態(tài)。

第二階段:投產(chǎn)第4～6年,跨膜壓差增長(zhǎng)速率較前3年有明顯升高,推測(cè)此時(shí)超濾膜已有所老化,在此期間平均3～6個(gè)月需進(jìn)行一次恢復(fù)性清洗,但產(chǎn)水通量依然可以滿足設(shè)計(jì)需求。

第三階段:投產(chǎn)第7年起,跨膜壓差上升速率顯著加快,恢復(fù)性清洗后跨膜壓差雖能得到較好恢復(fù),但短時(shí)間內(nèi)會(huì)再次上升到清洗前水平,因此,每2～3個(gè)月就要進(jìn)行一次恢復(fù)性清洗。從水廠管理運(yùn)行角度而言,恢復(fù)性清洗過(guò)于頻繁,難以再安排維護(hù)性清洗,故該階段的化學(xué)清洗方式僅為恢復(fù)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(xiàn)快速衰減的趨勢(shì),如圖2所示。自2021年下半年起,超濾膜通量在大部分時(shí)間里已達(dá)不到設(shè)計(jì)通量,雖然通過(guò)恢復(fù)性化學(xué)清洗能短暫恢復(fù),但在運(yùn)行過(guò)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(tǒng)的過(guò)濾-氣洗-氣水反洗相對(duì)比,兩家水廠的超濾膜在一個(gè)產(chǎn)水周期(120 min)的半程增加了中間曝氣環(huán)節(jié)(即氣洗),氣洗過(guò)程中不進(jìn)行產(chǎn)水,此次氣洗結(jié)束后不排污,直接進(jìn)入下半個(gè)產(chǎn)水周期,下半個(gè)產(chǎn)水周期結(jié)束后進(jìn)行氣洗+氣水反洗環(huán)節(jié),此次清洗后進(jìn)行排污。如圖3所示,通過(guò)分析一個(gè)產(chǎn)水周期內(nèi)半程無(wú)氣洗和有氣洗超濾膜跨膜壓差的變化可知,中間增加一個(gè)氣洗環(huán)節(jié)可有效降低跨膜壓差,延緩污染。

圖3 一個(gè)產(chǎn)水周期內(nèi)跨膜壓差變化Fig.3 Variation of Transmembrane Pressure during a Water Producing Cycle

3.4 化學(xué)清洗

化學(xué)清洗包括維護(hù)性化學(xué)清洗與恢復(fù)性化學(xué)清洗:前者利用較低濃度次氯酸鈉短時(shí)間浸泡,去除膜絲表面微生物與部分有機(jī)污染物,使膜通量與跨膜壓差得到一定的恢復(fù);后者利用高濃度的酸、堿、次氯酸鈉等藥劑進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的浸泡與循環(huán),徹底清洗膜絲表面的無(wú)機(jī)物、有機(jī)物與微生物,經(jīng)過(guò)恢復(fù)性化學(xué)清洗后,膜通量與跨膜壓差一般可恢復(fù)至接近新膜的水平。

兩家水廠化學(xué)清洗方式如表5所示。

表5 化學(xué)清洗方式Tab.5 Chemical Cleaning Method

(1)維護(hù)性化學(xué)清洗

圖4和圖5分別為J水廠與T水廠維護(hù)性清洗的跨膜壓差變化。J水廠和T水廠在進(jìn)行維護(hù)性清洗時(shí)跨膜壓差下降均不明顯,且短期內(nèi)跨膜壓差增長(zhǎng)速率明顯加快,推測(cè)原因?yàn)槎虝r(shí)間低濃度的維護(hù)性清洗難以對(duì)膜污染層造成實(shí)質(zhì)性的影響。故兩水廠均不采用維護(hù)性化學(xué)清洗。

圖4 J水廠維護(hù)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(hù)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(fù)性化學(xué)清洗

圖6和圖7分別為J水廠與T水廠恢復(fù)性清洗后跨膜壓差變化。相比于維護(hù)性清洗,恢復(fù)性清洗效果明顯。雖然凈水工藝相似,但兩水廠化學(xué)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(cè)為原水水質(zhì)、膜老化程度等客觀條件的不同導(dǎo)致不同水廠的化學(xué)清洗情況有很大的差異[6]。

圖6 J水廠恢復(fù)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(fù)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(jīng)濟(jì)指標(biāo)

3.5.1 電耗

由于浸沒(méi)式超濾膜運(yùn)行期間需要頻繁物理清洗,鼓風(fēng)機(jī)與反沖洗水泵開(kāi)啟頻繁,電耗高于傳統(tǒng)濾池。產(chǎn)水方式上,采用泵吸式產(chǎn)水的J水廠電耗高于采用虹吸式產(chǎn)水的T水廠。兩家水廠的電耗情況如表6所示。

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

3.5.2 藥耗

超濾膜在進(jìn)行化學(xué)清洗時(shí)會(huì)消耗大量化學(xué)藥劑,兩個(gè)水廠進(jìn)行化學(xué)清洗時(shí)的藥劑消耗如表7和8所示。

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

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

化學(xué)清洗藥耗與化學(xué)清洗工藝、膜絲老化程度等均有關(guān)。在超濾膜運(yùn)行初期,膜污染較少,基本以維護(hù)性化學(xué)清洗為主,恢復(fù)性化學(xué)清洗周期較長(zhǎng),藥耗相對(duì)較低;在超濾膜運(yùn)行后期,恢復(fù)性化學(xué)清洗周期縮短,藥耗明顯提高。

4 運(yùn)行管理建議

4.1 減少進(jìn)水量波動(dòng),保障膜運(yùn)行穩(wěn)定

進(jìn)水量波動(dòng)會(huì)直接影響浸沒(méi)式超濾膜的最高運(yùn)行通量。J水廠清水池容積僅為設(shè)計(jì)水量的8%,如圖8所示,由于調(diào)蓄能力不足,水廠的原水量波動(dòng)較大,超濾膜在供水高峰期長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行,最高運(yùn)行通量可達(dá)到設(shè)計(jì)通量的136%。如圖9所示,每天超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間達(dá)7～8 h。超負(fù)荷運(yùn)行使水廠在供水高峰期時(shí)跨膜壓差迅速上升,膜污染快速積累,縮短了化學(xué)清洗周期。T水廠在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化,清水池容積取值為設(shè)計(jì)水量的15%,如圖10所示,水廠在實(shí)際運(yùn)行中也注重利用清水池的調(diào)蓄能力,盡量減少水廠進(jìn)水量的波動(dòng),保證了超濾膜的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖8 J水廠1 d內(nèi)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(nèi)產(chǎn)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(nèi)原水量變化Fig.10 Variation of Raw Water Quantity of T WTP in One Day

4.2 增設(shè)膜前加氯點(diǎn),控制藻類滋生

J水廠在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分膜池產(chǎn)水管上有藻類滋生現(xiàn)象。圖11為超濾膜進(jìn)出水余氯,膜池出水余氯比進(jìn)水余氯有明顯下降,尤其是當(dāng)沉淀池出水余氯較低時(shí),膜池出水幾乎無(wú)余氯檢出。推測(cè)原因?yàn)槌瑸V膜在運(yùn)行時(shí)每天只進(jìn)行一次徹底排污,沉積物在膜池中消耗了大部分余氯,對(duì)控制藻類在壁面滋生的作用減弱從而導(dǎo)致藻類滋生現(xiàn)象。

圖11 超濾膜進(jìn)出水余氯對(duì)比Fig.11 Comparison of Residual Chlorine Inflow and Outflow of UF Membrane

為解決這個(gè)問(wèn)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(nèi)余氯不足的現(xiàn)象,但實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)大部分前加氯在沉淀池中被消耗,藥劑浪費(fèi)嚴(yán)重。為提高藥劑使用效率,水廠在膜池的進(jìn)水管上增設(shè)了膜前加氯點(diǎn),通過(guò)投加約5%有效氯濃度的次氯酸鈉使膜池出水余氯質(zhì)量濃度穩(wěn)定在0.2 mg/L左右。經(jīng)此改造后,膜池內(nèi)藻類生長(zhǎng)得到了有效的抑制,同時(shí)后加氯的穩(wěn)定性也得到了提升。

4.3 隔離化學(xué)藥劑與產(chǎn)水系統(tǒng),保障水質(zhì)安全

如圖12所示,浸沒(méi)式超濾膜進(jìn)行在線化學(xué)清洗時(shí),化學(xué)清洗循環(huán)管從產(chǎn)水管引出,因此,循環(huán)管有一段管道與產(chǎn)水管共用?；瘜W(xué)清洗時(shí)產(chǎn)水閥前的產(chǎn)水管中充滿化學(xué)藥劑,一旦產(chǎn)水閥無(wú)法完全關(guān)閉,化學(xué)藥劑通過(guò)產(chǎn)水閥直接滲漏至產(chǎn)水系統(tǒng),造成嚴(yán)重的水質(zhì)安全事故。以T水廠為例,水廠的產(chǎn)水閥為氣動(dòng)閥,無(wú)操作手盤,無(wú)法通過(guò)手動(dòng)方式確保閥門完全關(guān)閉,在化學(xué)清洗時(shí)有極大的藥劑滲漏隱患。因此,水廠在產(chǎn)水管上新增了電動(dòng)蝶閥,在進(jìn)行化學(xué)清洗前將該閥門完全關(guān)閉確保在清洗過(guò)程中化學(xué)藥劑與產(chǎn)水系統(tǒng)完全隔離,保障化學(xué)清洗過(guò)程中的水質(zhì)安全。

圖12 產(chǎn)水管上新增電動(dòng)閥Fig.12 New Electric Valve in Water Production Pipeline

5 結(jié)論

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

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

(3)浸沒(méi)式超濾水廠設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分利用清水池的調(diào)蓄能力,盡量減少進(jìn)水量波動(dòng),避免超濾膜長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷工況運(yùn)行;同時(shí)設(shè)置膜前加氯點(diǎn),使膜池出水余氯質(zhì)量濃度穩(wěn)定在0.2 mg/L左右,可以有效抑制膜池中藻類滋生。