超濾膜法短流程工藝在南通市蘆涇水廠提標改造工程中的應用
1 項目背景
我國頒布新修訂的《生活飲用水衛生標準》(GB5749—2006)水質指標由原標準的35項增至106項，江蘇省建設廳要求蘇中地區2010年7月1日前須全面達標。
南通市蘆涇水廠始建于1973年，供水能力為5萬m3／d，占地14畝(1畝≈666 m2)，無可供改造的閑置場地。
基于迫切的改造需求，針對長江水的特點，2008年開始在蘆涇水廠逐步建立了1 500 m3／d的一系列超濾膜中試裝置，持續開展了多項試驗研究，形成了一整套以浸沒式超濾膜為核心的短流程水處理路線。
2 試驗研究
2．1原水水質
蘆涇水廠原水取自長江南通段，根據2002～2007年《蘆涇水廠水質檢驗月報表》的統計分析，蘆涇水廠原水水質見表1。
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由表1可知，蘆涇水廠水源水質較好，相對而言，水中微生物含量較高，對出廠水水質存在潛在威脅。
從歷年水質分布來看，濁度較高的時期出現在長江汛期，即8～10月。有機物含量較高的時期出現在7～8月，這可能與汛期內河排澇，將有機物攜帶至長江中有關。而細菌總數常年分布相對較為均勻。
2．2材料與方法
由于采用超濾膜進行改造具有占地省，改造速度快，可以針對性地解決水廠濁度和“兩蟲”(隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲)等問題的優點。因此專門針對改造設計中的問題開展了多項試驗研究。在研究中使用了兩種中空纖維膜，一種為內壓柱式超濾膜，一種是外壓浸沒式超濾膜，兩種超濾膜材質均為PVC，膜孔徑均為0．01um，截留相對分子質量均為50 000。以此兩種膜設計組成了3套中試裝置：
(1)用海南立升公司的LH3—1060一V型內壓式合金PVC超濾膜組件過濾沒有經過任何預處理的長江原水。膜組件的有效膜面積為40m2，運行方式為恒通量過濾30 min，通量為62．4L／(m2·h)，反洗方式為正沖20 S，反沖30 s，再正沖20 s，正沖流量為5 m3／h，反沖流量為7 m3／h。
(2)分別用10簾海南立升公司的LGJlD一1500型浸沒式合金PVC超濾膜組件組成的膜單元過濾蘆涇水廠的沉淀池出水和絮凝池出水。膜單元的有效膜面積為320 m2，運行方式為恒通量過濾1 h，通量為30 L／(m2·h)，反洗方式為每1 h曝氣1 min，曝氣流量為40 m3／h，每3h氣水同時反洗1 min，水洗流量為19 m3／h，曝氣流量為40 m3／h。
(3)用2簾海南立升公司的LGJlD一750型浸沒式合金PVC超濾膜組件組成的膜單元過濾經不同混凝劑預處理后的原水。膜單元的有效膜面積為33 m2，運行方式為恒通量過濾1 h，通量為30 L／(m2·h)，反洗方式為每1 h曝氣1min，曝氣流量為12 m3／h，每3 h氣水同時反洗1 min，水洗流量為3 m3／h，曝氣流量為12m3／h。
自2008年3月開始在南通蘆涇水廠進行超濾膜過濾的試驗，原水取自長江。用HACH FT660激光濁度儀監測膜出水水質，監測通量、跨膜壓差用以表征膜污染的情況。其中水力反洗時均不加氯。
2．3試驗結果與分析
為了具有可比性，將所有的跨膜壓差換算成20℃時的等效值(簡稱為TMP20)，為研究方便，將實際負值的TMP20轉化為其絕對值。根據HACH FT660激光濁度儀監測膜出水濁度的結果，膜出水濁度基本穩定在0．05 NTU以下。
2．3．1 PVC膜過濾性能的研究
最初，由于對超濾膜技術了解并不深入，因此首先采用了一套小型由內壓柱式超濾膜組件組成的超濾膜試驗裝置進行超濾膜直接過濾長江原水的試驗。在長達2個月的試驗中，除了對超濾膜進行例行的物理清洗外并未進行任何化學清洗。試驗結果見圖1。
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通過圖1，可以看出TMP20從26．23 kPa增長到36．39 kPa，增長率為39％。如果采取預處理措施(如混凝，投加高錳酸鉀和粉末活性炭)，并選擇良好清洗的方式，超濾膜的過濾性能應該會有較大的提升。
2．3．2 PVC膜過濾沉后水和絮凝后水的效果對比為了進一步測試超濾膜性能，考慮到要利用水廠原有工藝構筑物和工作水頭，因此又設計了2套采用浸沒式超濾膜組件的試驗裝置，分別用沉后水和絮凝后水作為進水進行平行試驗。在試驗期間，兩套超濾膜裝置除了進行例行的物理清洗外均未進行任何化學清洗。試驗結果見圖2和圖3。
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從圖2和圖3中可以看出以沉后水為進水的超濾膜單元TMP20從19．03 kPa增長到23．78 kPa，增長率為24．96％。而以絮凝后水為進水的超濾膜單元的TMP20從18．74 kPa增長到21．99 kPa，增長率為17．34％。兩組平行試驗的結果表明：沉淀池出水(約5 NTU)并不比絮凝池出水(約100NTU)作為膜進水的運行效果好，相反的是用沉后水作為進水比用絮凝后水作為進水的膜污染更快。
3工程設計
對原有兩組工藝構筑物中的一組先行改造，兩組丁藝出水勾兌后，出水水質提升達標。由于廠區內無閑置場地，因此要充分利用原有構筑物和原有工作水頭，盡可能降低投資成本和運行費用。在工藝設計、設備選用方面力求做到技術先進、工藝可靠、設置合理、性能優越、占地面積小、操作簡單和維護方便。
3．1原有工藝及存在的問題
蘆涇水廠設有2組2．5萬m3／d的凈水構筑物，原凈水工藝流程見圖4，當初是按出廠水不大于5 NTU的標準設計的。
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2000年以來，蘆涇水廠全年處于滿負荷甚至是超負荷的工作狀態。2003年對沉淀池、虹吸濾池進行了恢復性大修，但凈水工藝、運行參數未改變，斜管沉淀池跑礬花現象時有發生，沉后水濁度相對較高，而虹吸濾池存在著反沖洗強度不夠、沖洗不徹底、初濾水不能外排的問題，出水水質僅能滿足原國標3 NTU的要求。
3．2改造方案的選擇
蘆涇水廠原有工藝主要存在的問題是出水濁度難以達到新國標的要求，而超濾膜技術與傳統水處理工藝相比，能有效截留雜質、細菌和病原菌，從而降低后續消毒加氯量，減少消毒副產物的生成量。由于水廠無改造用地，需利用原有工藝構筑物，因此考慮采用以浸沒式超濾膜為核心的改造工藝。浸沒式超濾膜具有產水量高、能耗低、便于與其他工藝相結合等優勢而受到廣泛重視。因為可利用的水頭有限(3．2～4 mH2O)，而且希望盡可能節約能耗、減輕膜污染，所以選擇了低通量低跨膜壓差的運行方式。
采用以浸沒式超濾膜為核心的丁藝進行改造的方案有3種：混凝-超濾；混凝-沉淀-超濾；混凝-沉淀-砂濾-超濾。因為混凝-沉淀-砂濾-超濾的改造方案需額外占地和二次提升，而水廠不能提供改造用地，因此第三種方案未作考慮。混凝-超濾和混凝-沉淀-超濾的改造方案對比見表2。
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經方案對比，確定了利用原有斜管沉淀池進行改造的方案。方案中將水廠原有一組斜管沉淀池改造為集絮凝、沉淀、超濾膜過濾、反洗水同收、污泥濃縮為一體的短流程處理構筑物。待以后再將原有的虹吸濾池改造成為應對突發性原水水質事故的應急處理構筑物。
改造后的凈水工藝流程見圖5。
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3．3改造系統組成
3．3．1預處理系統
因為原有管道無法加裝自清洗過濾器，原有丁藝構筑物無法加裝自動格柵，因此只能在絮凝池出口自制2套半自動格柵。格柵孔徑為5 mm，雖然可以有效去除原水中較大漂浮物而保護膜絲，但極小的魚蝦或魚蝦的卵依然可以穿透該孔徑的格柵，并在膜池中生長，帶來膜絲破損的風險，需要在生產中采取其他措施進行控制。
3．3．2產水系統
超濾系統設計產水能力為2．5萬m3／d，分為10組，為方便檢修起吊，每組分為2個膜單元，每個膜單元由52簾海南立升公司的LJ1E-2000一v160型PVC超濾膜組件組成，每個膜組件的有效過濾面積為35 m2，超濾膜組件規格參數見表3。膜的設計通量為32 L／(m2·h)，過濾周期為1～3 h。為了利用膜池與清水池最高水位之間3．2 m的水頭，在膜池旁邊增設容積為50 m3產水渠，一年中的大部分時間都可以虹吸出水。產水渠中超濾后的水，通過管道經加氯消毒自流到清水池中。并且，在產水渠中安裝了2臺流量為1 250 ITl3／h的變頻潛水軸流泵，在水溫極低的條件下，可以保證產水量。
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3．3．3物理清洗系統
由于膜表面或膜孔內吸附、沉積污染物造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產生透過流量與分離特征的不可逆變化現象。控制膜污染對于膜的使用是非常重要的。物理清洗如水力反洗，是控制膜污染的有效方式。因此超濾膜每運行一段時間需進行反洗，阻止膜污染的進一步加劇。該系統設置了3臺(2用1備)流量為160 m3／h的潛水泵，2臺(1用1備)流量為387 Nm3／h的羅茨風機。實踐表明氣水反洗的物理清洗方式，對于減輕膜污染具有良好的效果。
3．3．4化學清洗系統
控制物理性不可逆污染，對降低長期運行膜水廠的運行成本特別重要。物理性不可逆污染采用物理陛清洗的方法無法去除，只能采用化學性清洗的方法。在該系統中，根據清洗藥劑、方式的不同，化學清洗又分為維護性化學清洗和恢復性化學清洗兩種。
3．3．4．1維護性化學清洗系統
維護性化學清洗是為了延緩超濾膜的深層污染，延長恢復性化學清洗周期。根據設計，超濾膜在運行過程中(7～14 d)應進行維護性清洗。因此，設置了2臺35 m3／h的變頻離心泵，1臺次氯酸鈉加藥泵，并在水管和藥管上均設置了流量計，根據膜污染情況對加藥濃度進行調節。
3．3．4．2恢復性化學清洗系統
超濾膜運行一段時間(3～6月)后，單純的曝氣、水力反洗和維護性化學清洗已經很難清除污染物，需要進行恢復性化學清洗，為了避免恢復性化學清洗造成短時產水量的大幅下降，系統采用離線化學清洗。即化學清洗時，將需要化學清洗的膜單元移至離線化學清洗池，用備用膜單元替換進行產水，基本不影響正常生產。
化學清洗由鹽酸清洗、氫氧化鈉和次氯酸鈉清洗兩個過程組成。系統設離線化學清洗池4座，根據三種藥劑酸、堿、次氯酸鈉分別配置3個儲藥罐和3臺加藥泵。為了提高恢復性化學清洗效果，還設置耐酸堿循環泵2臺，化學清洗時進行藥液循環。
為了盡可能充分利用化學藥劑，減少化學藥劑的排放，該系統還有2臺轉移泵，可將酸或堿的溶液轉移到其他池子，重復利用。考慮到化學清洗的時間較長，運行過程較復雜，恢復性化學清洗系統使用了70余個氣動閥門，通過PLC控制實現全自動清洗。
3．3．5完整性檢測系統
為了使膜成為隔離病原體和其他顆粒物質的一道有效屏障，超濾膜系統必須具有完整性。在運行過程中，證明這道屏障的完整性尤為關鍵。膜完整性測試方法分為直接測試和間接測試，其中直接法以壓力衰減測試，間接法以濁度監測和顆粒計數監測應用最廣[3]。在該系統中，設計了以泡點原理為基礎的壓力直接完整性測試系統和以HACHPCX2000顆粒計數儀、HACH FT660激光濁度儀為基礎的間接性完整測試系統。運行中，例行監測出水濁度和顆粒數組合判斷膜的完整性，另外周期性地進行壓力衰減法的直接完整性檢測，如果壓力衰減值大于標準值，則通過氣泡法對破損位置進行定位，及時修補。
3．3．6在線監測系統
在線監測系統由10臺產水流量計，1臺水洗流量計，1臺曝氣流量計，16個壓力變送器。2臺水位儀，1臺溫度傳感器，l臺顆粒計數儀，1臺激光濁度儀組成。為了降低工程造價，該系統設計了對lo組超濾膜分別進行監測的巡檢系統，將水樣送入顆粒計數儀、激光濁度儀中，監測膜系統出水水質。
3．3．7自動控制系統
自動化系統是以“SIEMENS S7～300”過程控制為基礎的集散型控制系統。控制網絡采用基于IEE 802．3標準的全雙工100 Mbps快速光纖以太環網，傳輸介質采用多模光纜。監控系統平臺軟件選用美國Wonderware公司的InTouch 9．0軟件。自控系統根據生產過程工藝儀表采集到的數據，生產中設備運行的狀態信號和電氣數據以及化驗數據和其他信息等，協調和管理全廠生產運行，打印生產報表、繪制趨勢曲線圖，報警及事件記錄。監控系統平臺軟件生成生產工藝流程實時動態圖，給生產值班人員提供清晰、友善的人機界面，生動形象地反映生產工藝流程的實時數據、完成報警、歷史數據、歷史趨勢曲線的存儲、顯示和查詢。生成各類生產運行管理的班報、日報、月報和年報表。
4 改造后的運行情況
蘆涇水廠提標改造膜丁程2009年6月開工，邊生產邊改造，僅用15天時間停水對接，12月投產運行，與另一組常規工藝勾兌出水，出水水質達到新國標要求，出廠水濁度在0．6 NTU以下，達到了改造的預期目標。超濾膜系統電耗為6 kW·h／103 m3，產水率達98％以上，每2周一次的維護性清洗效果較好，未進行化學清洗，采用虹吸出水，TMP20小于26kPa(見圖6)，距極限值還有較大余量，設計產能為2．5萬m3／d，扣除反洗水量后的實際產水量超過2．5萬m3／d(見圖7)。
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4．1 超濾工藝的出水水質
超濾工藝出水水質達到設計要求，其中出水濁度＜0.05NTU（見圖8），顆粒數＜20/mL(見圖9）。其他主要出水指標見表4。
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4．2 運行成本分析
該提標改造工程運行以后，對該系統增加的費用進行了測算。超濾膜系統單位水運行成本僅增加0．12元／m3(電費按0．7元／(kW·h)計算)，即電費(主要是反洗和曝氣的電耗，利用原有T藝3 m工作水頭的電耗未計入)0．004元／m3，設備折舊0．11元／m3(包括超濾膜的5年更新費用)，藥劑費(維護性和恢復性化學清洗用藥)0．005元／m3。如果使用抽吸泵，運行成本還將會增加0．02元／m3，但該系統投人運行至今約6個月，尚未使用抽吸泵。
5改造工程特點
5．1工藝特點
采用混凝一超濾的短流程工藝，簡化了工藝流程；超濾膜采用低通量、低跨膜壓差的運行方式，減輕了膜污染；同一膜池內分單元運行的方式具有較強的抗沖擊負荷能力，不但減輕了膜污染，而且在不增加構筑物和設備的情況下運行中的膜回收了膜反洗水，整套系統具有較高的產水率(98％以上)。
5．2運行特點
利用成熟的自控技術實現產水、反洗、化學清洗和完整性檢測等運行過程的全自動，有效減輕值班人員的勞動強度；工藝運行參數可在InTouch 9．0軟件中設定，生產報表、運行數據由計算機軟件自動記錄并輸出，方便對該系統進行監測、分析和管理；短流程處理工藝使用的設備相對較少，維護保養工作量也相對較輕。
5．3經濟特點
遵循價值T程理念，以水廠提標改造功能需求為出發點，對所需的功能進行分析，系統地研究了功能與成本之間的關系，充分利用超濾膜的特性解決了實際的問題。在改造工程中，充分利用原有工藝構筑物和丁作水頭，占地面積少無征地成本，改造費用(約400元／m3和運行費用(增加0．12元／m3)均較低。
6存在問題及后續研究
改造工程運行到現在已有半年時間，期間通過例行的反洗和兩周一次維護性清洗，并未進行化學清洗，使超濾膜的污染程度維持在較低的水平，已經取得了一定的突破。但是由于該類型的改造并無先例，且改造很大程度上受制于原有構筑物和場地，該提標改造1=程難免存在一些問題，因此還將繼續開展后續研究并提出對策。
(1)混凝一超濾的短流程工藝中，混凝的作用極其重要，研究最適用于長江水源水質條件和PVC超濾膜的混凝劑與最優投加量對該工藝的應用推廣具有重要的意義。
(2)膜污染程度在生產運行中尤其值得重視。對于水廠來說，這不僅關系到運行成本，還關系到產水量。但膜污染是超濾膜運行過程中無法避免的，因此控制膜污染程度，進而減少清洗尤其是化學清洗的頻率是十分重要的。研究膜污染的形成機理就成了控制和減少膜污染的一項重要課題。
(3)化學清洗是控制膜污染的必要手段。但是重復的化學清洗可能會減少膜的壽命，并且處理用過的化學藥劑是另一難題。因此研究化學清洗的最優方法、最優藥劑，甚至開發新型藥劑均是后續研究中的重要組成部分。
(4)完整性檢測是保證水質的一項重要措施。
雖然目前有很多完整性檢測的方法，但是在生產中運用則需進一步研究。
(5)超濾膜工藝運行時物理清洗較常規工藝頻繁得多，對水泵、鼓風機、閥門都有極高的要求，而且一旦物理清洗系統不能運行，超濾膜系統就不能長時間運行(超過24 h都將是極大的考驗)，因此尤其需要重視各種電氣、自控、設備的維護保養。
(6)混凝一超濾的短流程工藝在處理長江水時與傳統工藝相比具有較大優越性，但對有機物的去除效果有限。為了更好地應用超濾膜工藝，對短流程的超濾膜水廠來說，應該考慮開展各種組合工藝去除有機物的研究。
(7)需繼續觀察長期運行中水生動物對浸沒式超濾膜侵害的潛在危險。
(8)由于超濾膜系統與常規工藝系統運行有很大區別，運行管理不僅復雜而且經驗不足，因此運行管理維護規章制度的建立健全需進一步深入研究。
7 結語
半年來，蘆涇水廠提標改造膜丁程運行簡單、經濟、穩定，出水水質優良。采用常規工藝與超濾膜工藝出水勾兌的方法，既達到了供水標準，又降低了運行成本。低通量、低跨膜壓差、同一膜池內分單元運行的運行方式對于減輕膜污染具有良好效果。適合于水廠長期、穩定、低費用的運行。該技術不僅適用于新建水廠，而且特別適用于老水廠的提標改造。但這只是一項新技術在工程中應用的嘗試與創新，應充分利用現有的系統深入開展后續研究，為今后其他大型水廠的提標改造儲備技術和奠定基礎。
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