寧波江東水廠：全國首家20萬噸/天浸沒式膜濾池改造項目

原創(chuàng) 2016-08-26 王秀芳 

 

編者按 

為改善飲用水水質(zhì)，保證供水安全，寧波市江東水廠采用熱法PVDF超濾膜技術對該水廠二期、三期工程的飲用水常規(guī)處理工藝進行了升級改造。該升級改造工程將原有虹吸濾池改造為浸沒式超濾膜池，最大限度地降低工程造價，同時能保證出廠水水質(zhì)滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749—2006)要求。改造完成后，該廠供水量達到20×10⁴ m³/d，為大型水廠的膜法水處理建設提供了寶貴的經(jīng)驗和借鑒。

作者簡介：王秀芳（1968—），江蘇鹽城人，大學本科，高級工程師，主要從事市政給水排水處理技術研究和工程管理工作。

隨著水環(huán)境污染的加劇和水質(zhì)標準的提高，水廠常規(guī)處理工藝的局限性越來越明顯。超濾工藝能有效去除水體中的懸浮物、膠體、細菌、病毒和大分子有機物，出水水質(zhì)穩(wěn)定，同時具有占地面積小、自動化程度高等特點，在老水廠升級改造和新水廠建設中得到越來越廣泛的應用。其中，浸沒式超濾膜因具有產(chǎn)水量高、能耗低、便于與其他工藝相結合等優(yōu)勢而受到廣泛重視，成為替代水廠傳統(tǒng)處理工藝的最佳技術選擇之一。

 

為提高寧波市江東水廠出廠水水質(zhì)，保障市區(qū)供水安全，2013年12月寧波市發(fā)改委批復立項了“江東水廠改造工程”，并將該工程列為寧波市重點工程。該工程改造重點為過濾工藝，即在保留現(xiàn)狀混凝沉淀工藝的基礎上，將原有的虹吸濾池改造為浸沒式膜濾池，改造完成后向外供水能力達到20×10⁴m³/d。目前，超濾膜在我國大型水廠中的應用不多，尤其是10×10⁴m³/d以上的大規(guī)模應用還比較少，20×10⁴m³/d規(guī)模的浸沒式膜濾池改造在全國屬第一家。該工程在超濾工藝升級改造應用過程中積累了寶貴的經(jīng)驗，為國內(nèi)水廠的工藝升級改造，特別是大型水廠的膜法處理建設提供了寶貴的經(jīng)驗。

1    江東水廠概況

寧波市江東水廠是向?qū)幉ㄊ兄行某菂^(qū)供水的主力水廠之一，原水取自白溪水庫和亭下水庫下游的蕭鎮(zhèn)地表水，白溪水庫水水質(zhì)優(yōu)良，基本達到國家Ⅰ類地表水標準，蕭鎮(zhèn)水源由于受到各種污染物的影響，水質(zhì)穩(wěn)定性相對較差，為Ⅱ—Ⅲ類水源。整個水廠原采用折板絮凝平流沉淀池＋虹吸濾池的制水工藝，建設規(guī)模為35×10⁴ m³/d，分三期建設，一期、二期各10×10⁴ m³/d，三期為15×10⁴m³/d。根據(jù)寧波市中心城區(qū)給水專項規(guī)劃，江東水廠制水規(guī)模由目前的35×10⁴m³/d壓縮至20×10⁴ m³/d。

 

由于受現(xiàn)狀制水工藝的限制，針對水庫水低濁、低堿度特點，在壓縮制水量后，出廠水相關指標雖然能達到現(xiàn)行國標要求，但離浙江省優(yōu)質(zhì)水標準還有一定的距離。為進一步提升水廠出水水質(zhì)，解決江東水廠現(xiàn)狀存在的主要問題，并使出廠水水質(zhì)達到浙江省優(yōu)質(zhì)自來水標準，將原虹吸濾池改造為浸沒式超濾膜池。

2    超濾技術的應用

改造建設南北兩座膜池，分為4排，每排6格，共24格膜池，每格膜池一個膜系統(tǒng)，24個系統(tǒng)平行運行，其中每排6格膜池共用一套抽真空系統(tǒng)，每座12格膜池共用一套反洗系統(tǒng)、氣洗系統(tǒng)、維護性清洗系統(tǒng)，所有24格膜池共用恢復性化學清洗系統(tǒng)和氣檢系統(tǒng)。

 

膜系統(tǒng)的運行工藝主要包含：抽真空、過濾、氣水反洗、排污、維護性化學清洗、恢復性化學清洗、完整性檢測和在線水質(zhì)監(jiān)測等。本次升級改造中選用了膜華iSMF-E2000-01TV533-W型中空纖維膜，該超濾膜組件基本參數(shù)見表1。

 

表1     超濾膜組件基本參數(shù)

 

超濾膜組件型號	iSMF-E2000-01TV533-W
膜材料形式	中空纖維膜
膜材料	熱法PVDF
過濾孔徑（μm）	0.05
膜絲外徑（mm）	1.6
膜絲內(nèi)徑（mm）	1.0
有效過濾面積（m2）	38.5
膜絲抗拉強度（N）	8.5
耐受溫度（oC）	1~45
運行pH值	6~9
最大抽吸壓力（kPa）	40（膜池接管點）

 

2.1     超濾處理工藝

來水通過進水閥控制進入超濾膜池，在抽吸泵形成的負壓驅(qū)動下，水從中空纖維膜外側進入到內(nèi)側，匯集于每個膜組件的集水管，之后匯集到每個膜架的產(chǎn)水支管，每個膜架上的產(chǎn)水支管連接到膜池的產(chǎn)水管，濾后水經(jīng)各膜池的產(chǎn)水管，由抽吸泵輸送到出水渠并進入清水池。浸沒式超濾系統(tǒng)采用間歇產(chǎn)水方式，采用自來水處理中典型的產(chǎn)水周期，設計產(chǎn)水周期約為60 min，包括過濾產(chǎn)水約59 min，氣水反洗約1 min（30 s空氣擦洗+30 s氣水反洗），過濾運行步驟見圖1。

圖1     浸沒式超濾運行步驟示意圖

2.2     物理清洗系統(tǒng)

隨著過濾的進行，待濾水中的膠體有機物、細菌和懸浮固體等逐漸累積在膜面或膜孔，形成可逆或不可逆膜污染。膜污染的出現(xiàn)增加了跨膜壓差（TMP）值，膜通量出現(xiàn)下降。為了在合適的TMP值范圍內(nèi)保持膜的通量，膜系統(tǒng)可自動進行周期性的氣水反洗，此過程包括產(chǎn)水反向通過膜同時空氣擦洗膜纖維的外表面，氣水反洗時間一般約為1min。本工藝中氣反洗壓力為35~50kPa，氣反洗流量為1350~1925m³/h，水反洗流量為650~700m³/h，氣擦洗時間和氣水反洗時間各約30s。

2.3     化學清洗系統(tǒng)

超濾膜長時間運行后，膜表面和膜絲內(nèi)部積累的污染物無法通過正常的氣水反洗去除，需要利用適當?shù)乃巹�對超濾膜進行清洗。該系統(tǒng)中，根據(jù)清洗藥劑和清洗方式的不同，將化學清洗分為維護性化學清洗和恢復性化學清洗兩種。

 

維護性化學清洗又稱化學加強反洗（CEB），是一種化學藥劑強度較低的在線維護性清洗，加藥時間一般為5 min，浸泡時間約為30 min，清洗周期一般為7~15天�；謴托曰瘜W清洗是一種強度更高的清洗方式，當跨膜壓差（TMP）超過60kPa時需進行化學清洗，清洗周期一般為6 個月，包含堿洗和酸洗，先堿洗后酸洗。通過化學清洗泵，將化學清洗箱中配制的化學清洗溶液送入膜組件，采用循環(huán)回流至化學清洗箱及保持清洗溶液在膜組件內(nèi)靜置浸泡的操作方式�；瘜W清洗的具體參數(shù)見表2。

 

表2     化學清洗參數(shù)

 

項目		化學清洗藥液	周期	清洗時間
維護性化學清洗		200mg/L NaClO	7~15天	30 min
恢復性化學清洗	堿洗	0.04%NaOH+1000mg/L NaClO	6 個月	4~6h
	酸洗	0.5%（W/W）鹽酸（HCl）溶液	6 個月	4~6h

 

2.4     在線完整性測

為確定膜元件和膜絲是否有損壞或破損，需要定期對膜組件進行氣檢，保證膜組件的完整性。浸沒式超濾膜的完整性檢測是基于膜的泡點原理，采用自動壓力衰減的測試方法，在線驗證膜的截留有效性。通過完整性檢測可以找出受損的膜元件和中空纖維膜絲具體位置，以便對膜元件實施修補。將壓縮空氣注入到浸沒式膜的產(chǎn)水側，切斷空氣保壓5~10min后，PLC系統(tǒng)自動記錄出保壓時間t 內(nèi)的氣壓衰減速率，如果氣壓衰減速率低于設定值，則系統(tǒng)自動進行下一步；如果氣壓衰減速率高于設定值，則系統(tǒng)進行待機并報警。系統(tǒng)報警后需人工啟動膜泄露測試，通過氣泡法對破損位置進行定位，并及時修補修復，完成后重新安裝到膜池，并對該膜組件再一次進行完整性檢測，檢測通過后恢復產(chǎn)水。

3    處理效果及成本分析

3.1     處理效果分析

該工程改造完成應用后，出水水質(zhì)優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標準》 （GB 5749—2006），出水濁度穩(wěn)定在0.10 NTU以內(nèi)，出水中檢測不到細菌（包括大腸菌），保證了飲用水的生物安全性，并達到設計產(chǎn)水規(guī)模。

 

表3 進、出水濁度（NTU）對比

原水進水濁度	沉淀出水濁度	原工藝出水濁度	超濾工藝出水濁度
3.3	1.25	0.15	0.07
1.9	0.88	0.10	0.06
1.6	0.87	0.09	0.07
2.1	1.33	0.08	0.06

 

3.2    成本分析

改造完成后水廠產(chǎn)水量為20×10⁴m³/d，工程概算投資為18666.79萬元。運行過程中，膜池的直接運行成本約為0.20元/m³，包括電費、藥劑費、固定資產(chǎn)折舊費等，折舊按照工程實際招標價格估算。

4     結語

超濾膜技術作為一種新興的水處理技術，具有出水水質(zhì)好、工藝流程短、占地面積少、建設周期短、自動化程度高等特點，它能有效去除原水中的懸浮物和膠體物質(zhì)，將出水濁度降至0.1 NTU以下，能將細菌、病毒、兩蟲、藻類水生生物幾乎全部去除，提高出水水質(zhì)安全性和生物穩(wěn)定性。在工程設計中，要根據(jù)工程實際情況進行各種工藝設備的比較；工藝運行中，根據(jù)原水情況選擇合適的運行參數(shù)；化學清洗中需做好防護措施，保證人身安全；及時監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀況和進水水質(zhì)的變化情況，出現(xiàn)問題及時停機處理。

隨著經(jīng)濟發(fā)展水平的提高，以及膜技術的成熟和產(chǎn)品價格的降低，膜法飲用水處理技術的大規(guī)模應用成為可能。寧波市江東水廠升級改造工程一大亮點就是將二期虹吸濾池改造為浸沒式膜濾池，20×10⁴ m³/d規(guī)模的浸沒式膜濾池改造在全國屬第一家，可供借鑒的經(jīng)驗不多，改造難度很大。在本次工程建設及日常運行管理等方面積累的經(jīng)驗，可以為國內(nèi)水廠的工藝升級改造，特別是大型水廠的膜法水處理建設提供寶貴的經(jīng)驗和借鑒。

 

該文即將正式發(fā)表在《中國給水排水》2016年9月第18期，題目：超濾膜技術在寧波市江東水廠升級改造中的應用 作者：王秀芳 單位：寧波市市政公用工程安全質(zhì)量監(jiān)督站。

 

 

 

大型浸沒式超濾膜水廠的設計及運行

2014-12-10 

大型浸沒式超濾膜水廠的設計及運行

紀洪杰1,于海寬1,沈裘昌2,田希彬1,郭愛玲1

(1.東營市自來水公司,山東東營257091;2.上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司,上海200092)

1  水廠簡介

東營市南郊水廠2005年6月供水能力達到10萬噸/天。水廠以南郊水庫引黃水為原水，黃河水經(jīng)過沉砂處理后進入南郊水庫，水廠直接從水庫取水，采用二氧化氯、液氯混合預氧化/混凝沉淀/砂濾/液氯消毒的常規(guī)處理工藝，出廠水水質(zhì)能夠達到原《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749—85）的35項指標要求。

2009年12月南郊水廠實施了水質(zhì)提標改造工程，在原常規(guī)工藝基礎上建設了粉末活性炭投加系統(tǒng)和浸沒式超濾系統(tǒng)，這是國內(nèi)設計和建設的首條10萬噸/天級的浸沒式超濾凈水系統(tǒng)，在原水受到微污染的情況下，出廠水水質(zhì)達到了新頒《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749 —2006）的106項指標要求。

2012年5月南郊水廠開工建設了規(guī)模為10萬噸/天的擴容工程，生產(chǎn)原水為距離南郊水廠28 km之遙的永鎮(zhèn)水庫，該水庫也是一座引黃水庫。擴容工程采用高錳酸鹽預氧化系統(tǒng)/高密度生物粉末活性炭接觸氧化/超濾膜深度處理工藝，預計2013年10月底投產(chǎn)。屆時南郊水廠將實現(xiàn)多水源供水，總規(guī)模達到20萬噸/天，極大地提高東城區(qū)供水水質(zhì)和保障率。

南郊水廠由專用的引黃水庫——南郊水庫取水。2009年—2012年南郊水庫水質(zhì)如下:

①濁度、溫度。水庫原水濁度相對較低，平均約為10 NTU；冬季低溫低濁，冬季濁度平均為3.54 NTU，水溫平均為4.9 ℃。

②氨氮。水庫氨氮最高為0.95 mg/L,最低為0.1 mg/L，均值在0.4 mg/L以下。水庫水的總氮均值約為1.99 mg/L。

③耗氧量（COD_Mn）。水庫水耗氧量最高為6.15 mg/L,最低為2.12 mg/L，均值在3.51 mg/L。

此外夏季藻類在水庫原水中表現(xiàn)尤為突出，高藻期藻類的均值為9 000萬個/天/L。

黃河水中溴化物的含量長期較高，對南郊水庫的抽樣檢查發(fā)現(xiàn),原水中溴化物（Br^-）的含量高達154  μg/L，原水中的溴化物如果采用臭氧氧化工藝時，會產(chǎn)生強致癌物質(zhì)——溴酸鹽。

2  改（擴）建工程工藝選擇

南郊水廠改造工程的工藝流程見圖1（a），其核心為在常規(guī)工藝后增加活性炭-超濾膜工藝，該工藝解決了老舊水廠水質(zhì)提標的改造問題。目前超濾膜系統(tǒng)安全運行了三年多，出水水質(zhì)穩(wěn)定，各項檢測指標符合新頒國標要求。擴容工程的工藝流程見圖1（b），該工藝采用高錳酸鹽復合藥劑預氧化/粉末活性炭/混凝沉淀/超濾膜組合工藝。與現(xiàn)有的凈水工藝相比，采用了氣動混合、氣動絮凝、短板沉淀，去掉了V型濾池，超濾膜池直接設置在沉淀池末端，組成了綜合的沉淀膜池。

圖1   南郊凈水廠工藝流程

3  值得注意的幾個問題

3.1  設計方面

3.1.1  適當確定膜的設計通量

一般宜選擇膜經(jīng)濟通量的90%左右作為設計通量。對于已達到設計負荷的老水廠改造，建議膜池膜組一次性配置并適當留有余量；對新建膜水廠宜在滿足當前供水需求的同時，逐年增加膜組數(shù)量。

南郊水廠提標改造工程設有12個膜池，每個膜池過濾面積為12 600 m2，設有6個膜組，每組設2 100 m2膜組件，采用離線化學清洗，減小了因化學清洗對膜池產(chǎn)水量的影響。

擴容工程中膜組采用了在線化學清洗，膜池數(shù)量的選擇方面考慮了膜組離線清洗時產(chǎn)水量的保障問題。同比提標改造工程多了4個膜池作為備份,可保障膜池化學清洗的產(chǎn)水需求。

3.1.2  優(yōu)化膜池進水

改造工程為了解決進水對膜絲的沖擊作用，采用了在進水口前面位置安裝1 200 mm×1 600 mm的不銹鋼消能板的方法，大大減小了膜池進水口處側向進水對膜絲的沖擊影響。

擴容工程采用了自帶防護的新型柱狀膜組件，徹底解決了這方面的問題。

3.1.3  粉炭投加點及投加方式的選擇

改造工程設有前、后投加點。前投加點一般為原水進水口投加，這樣能使粉炭達到最大吸附效果。但如果取水口遠離水廠，則必須新建粉炭投加泵房，增加投資，且不易維護管理。后投加點設在膜池進水管上，作為應急備用，生產(chǎn)試驗中投量達2 mg/L時，對去除有機物并不明顯。

投加量的確定：粉炭的投加量應根據(jù)原水的水質(zhì)的特點，通過試驗確定投加量。南郊水廠的原水有機物含量較低，夏季高藻期粉炭的投加量約為6~8 mg/L，冬季約為3 mg/L。

粉炭投加方式有濕式和干式兩種,投加泵有螺桿泵和凸輪泵。改造工程中采用螺桿投加泵濕式投加方式,在使用過程中發(fā)現(xiàn)效果不是很好,在投加過程中粉炭容易飄散,危害操作人員健康并污染環(huán)境。此外,螺桿泵在長時間運行后,其定子部分極易磨損,造成故障,其在使用的持久性能方面不如凸輪泵，所以擬將螺桿泵改為凸輪泵。擴容工程在粉炭投加的選擇方面做了改進,使用水射器投加，以降低粉炭顆粒對周邊環(huán)境的影響。

3.1.4  膜池總進水閥門的控制

超濾膜車間為全自動控制，設定各種參數(shù)后自行運行，但是膜池總進水閥門往往被忽略。設計者一般認為設置該閥門主要為檢修使用，當膜池的進水量大于其膜組產(chǎn)水量時，多余的水就會溢流，以便保障膜池安全。但實際運行過程中，膜前的閥門還應擔負著調(diào)節(jié)進水量的作用，作為大型超濾系統(tǒng)，如果產(chǎn)生溢流，則造成的水資源浪費是巨大的，所以在設計時應能夠使膜池前的閥門開啟度與膜池的水位相關。在膜池發(fā)生溢流的情況下，調(diào)減進水閥門的開啟度；進水量不足時增加閥門的開啟度。

3.2  系統(tǒng)運行方面

3.2.1  適時調(diào)整反沖洗周期

膜的沖洗系統(tǒng)分兩部分，一是通過曝氣利用氣泡的剪切作用對膜絲進行擦洗，另一部分是采用清水進行反沖洗。沖洗強度：氣沖強度以膜池面積計為60 m3/(m2·h)；水反沖強度以膜面積計為60 L/(m2·h)，每格膜池反洗時間為120 s，先曝氣90 s后氣水反沖30 s。根據(jù)季節(jié)和水溫調(diào)整反沖洗周期，本工程初期反沖洗周期在冬、春季為5 h，夏、秋季采用8 h，盡管系統(tǒng)已經(jīng)運行43個月，沖洗周期沒有變化。擴容工程膜組自帶了曝氣系統(tǒng)，設計上保留了池底的曝氣系統(tǒng)，主要為加強廢水排放的效果。

3.2.2  合理確定化學清洗周期

近4年來，我們先后對12個膜池膜組進行了3次在線化學清洗，其中對2個膜池膜組進行了1次離線化學清洗比對試驗。在膜組運行初期，跨膜壓差均值在20~30 kPa之間，一個運行周期（5~6 h）后，跨膜壓差均值在30~45 kPa之間，同比上升40%左右，經(jīng)過氣水清洗后，跨膜壓差均值又恢復到20~30 kPa之間，說明這部分膜污染主要表征為可逆膜污染，通過物理的清洗方式基本上能夠去除可逆膜污染。經(jīng)過一個化學洗周期（約12~15個月）運行后，跨膜壓差均值在45~55 kPa之間，同比增長1倍左右，這時氣水清洗后，跨膜壓均值在40~45 kPa之間，同比降低不到10%，表明隨著膜組運行時間的積累，膜的不可逆污染逐步增加，物理清洗對膜污染的去除效果逐漸減弱。化學清洗后，跨膜壓差均值在30~35 kPa之間，同比降低10%左右，說明化學清洗對膜的不可逆污染有一定的去除效果。但是膜組再運行30 d左右后，跨膜壓差又逐漸恢復到30~35 kPa之間，可見長時間的運行后，膜的不可逆污染已基本趨于穩(wěn)定。同時還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過化學清洗的膜組抽吸泵電流值同比下降15%左右，說明化學清洗對節(jié)約能耗作用明顯。

3.2.3  膜前消毒劑的投加與膜后消毒劑的改進

超濾膜工藝中，有觀點認為在沉淀池出水進入超濾膜池前投加一定的消毒劑，對減緩膜污染、延長膜壽命有非常明顯的作用，但通過生產(chǎn)試驗發(fā)現(xiàn)，膜池前投加消毒劑對整個膜系統(tǒng)的影響不很明顯。主要原因：①為應對藻類的影響，在工藝前端投加了液氯和二氧化氯進行滅菌除藻，所以沉淀池出水中顆粒物、藻類等對超濾膜產(chǎn)生影響的物質(zhì)含量已處于較低水平；②前端投加消毒劑均為過量投加，沉淀池出水中已經(jīng)含一定量的消毒劑，所以膜池前投加消毒劑所產(chǎn)生的作用不明顯。

南郊超濾水廠于2012年9月采用二氧化氯替代液氯對管網(wǎng)水進行消毒。經(jīng)過長時間監(jiān)測發(fā)現(xiàn),使用二氧化氯消毒生成的THMs要比使用液氯消毒生成的THMs低10倍。使用二氧化氯對出廠水及管網(wǎng)水進行消毒，比使用傳統(tǒng)的液氯消毒更能保障飲用水的安全，其中對COD_Mn的控制，二氧化氯稍優(yōu)于液氯，但對氨氮的控制，二氧化氯優(yōu)勢明顯，使用二氧化氯后水中的氨氮要比使用液氯低50％以上。

 

專家點評：隨著環(huán)境污染的加劇，引用水源地水質(zhì)的不斷惡化，安全供水提到議事日程。本論文通過對東營水廠的詳細介紹，總結了浸沒式超濾膜工藝處理低溫低濁度，高藻，微污染的水質(zhì)時，在設計、施工、調(diào)試和運行所積累的經(jīng)驗，為這類水廠的建設提供了有效的借鑒。具有較高的理論和實踐價值。

 

本文榮獲《中國給水排水》2013年度“得利滿”優(yōu)秀論文一等獎

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