浸没式超滤膜在大型给水厂的应用与思考
导读：超滤膜工艺具有出水稳定、占地面积小、抗冲击负荷强等优点,在水厂设计改造中的应用日益增多。江苏南通狼山水厂浸没式超滤膜采用的处理工艺为“混凝沉淀+臭氧活性炭+浸没式超滤膜”,实际运行结果表明,浸没式超滤工艺可有效保障出厂水的水质稳定性,但在超滤膜污染清洗工艺及管路设置等水厂实际运行等方面仍需通过实际运行取得经验后进行优化。唐山某水厂选择“混凝沉淀+重力驱动浸没式超滤膜过滤”工艺,出水水质高于国家饮用水标准,膜过滤系统的吨水能耗大幅降低。根据水厂长期运行经验进行单元改造设计和产水管道的位置设计等优化措施,可实现土地的有效利用,降低占地面积。山东泰安某水厂超滤膜系统经过长期运行积累相关经验后对超滤膜工艺步序等进行系统升级。由此可见,浸没式超滤膜工艺虽然优点颇多,系统升级改造、膜污染清洗、管路优化等痛点难点问题仍相对缺乏大型水厂长期运行的既有经验总结。本文分析总结了浙江省J、T两个生产规模分别为2×105、5×105 m3/d的浸没式超滤膜水厂运行了2、7年所得出的运行管理经验,旨在为浸没式超滤膜水厂设计以及管理提供一定的参考。
1 水厂概况
(1)J水厂
J水厂建成于1959年,原水主要取自某镇地表水,原有净水工艺为折板絮凝-平流沉淀-虹吸滤池-消毒,规模为3.5×105 m3/d。2016年,为提升水质,并达到《浙江省城市供水现代化水厂评价标准》2018版的要求,水厂将实际供水规模缩减为2×105 m3/d,并将虹吸滤池改造为浸没式超滤膜池。
(2)T水厂
T水厂设计供水规模为5×105 m3/d,2020年7月正式运行供水。原水取自某市水库水,水厂在构筑物的设置上充分吸取了J水厂的运行经验,净水工艺为折板絮凝-平流沉淀-浸没式超滤-消毒。
2 超滤工艺流程
2.1超滤膜系统组成
J、T水厂超滤膜等相关信息如表1所示。水厂超滤膜车间原为虹吸滤池,改造充分利用了虹吸滤池原有的池体结构,在池内放置浸没式超滤膜组件,利用池体两侧的空间布置管廊与设备。同时,水厂新建了辅助车间、中和水池与低压配电间等附属设施,以满足超滤膜曝气、化学清洗、供电等需求,但由于空间受限,无法实现虹吸产水,需利用产水泵进行抽吸产水。
表1 J、T水厂超滤膜基本信息
T水厂超滤膜的产水渠设在膜池下部空间内,产水通过产水渠流入消毒接触池内,通过膜池与产水渠之间的液位差提供动力,实现重力产水。当跨膜压差上升、超滤膜过水通量下降,产水量无法满足需求时,可开启产水渠内的轴流泵降低产水渠液位,增加过滤水头,最大可利用水头达5.2 m。同时,水厂空间排布上,将低压配电室、反冲洗泵房、消毒接触池与浸没式超滤膜车间合建,并增加了单独药剂排放池用于暂存维护性清洗废水。
2.2超滤膜系统工作步序
J水厂与T水厂超滤膜系统工作步序基本一致,具体运行参数如表2所示。J水厂超滤膜工作周期为80 min,第一阶段产水40 min后气洗180 s,进入第二阶段产水40 min,第二阶段产水结束后进行气洗180 s+气水混冲50 s,结束后进行排污。T水厂超滤膜工作步序与J水厂基本一致,在产水时间、气洗、水洗时间强度等参数略有不同。
表2 J、T水厂超滤膜运行参数基本信息
2.3两水厂原水出厂水水质对比
J水厂与T水厂原水、出厂水主要水质参数对比如表3所示。由于J、T两水厂所用水源不同,原水水质略有差异,从表中主要指标来看主要体现在浑浊度与硬度上,其余指标差别不大,且出厂水均能满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2022)要求。
表3 J、T水厂原水、出厂水水质对比
3 结果与讨论
3.1浑浊度和颗粒数
表4为超滤膜进出水浑浊度对比。在日常进水浑浊度波动不大时,超滤膜对于浑浊度有良好的去除效果,且出水浑浊度始终维持在＜0.1 NTU。在台风季短时内浑浊度暴涨时,依然可保证出水浑浊度＜0.1 NTU。2 μm以上颗粒数偶有检出,超滤膜进水浑浊度波动对其出水浑浊度没有影响,说明浸没式超滤膜具有良好的抗冲击负荷能力和长期稳定运行的能力。
表4 超滤膜进出水浑浊度对比
3.2跨膜压差
两水厂均采用恒流过滤方法生产运行,故采用跨膜压差来评判膜污染程度以及膜状态。J水厂经过长达7年的长期运行后,跨膜压差变化情况如图1所示。
图1 J水厂跨膜压差变化
运行期间跨膜压差的变化大致可分为3个阶段。
第一阶段:投产第1～2年,跨膜压差无明显增长趋势,在此期间当超滤膜为恒流运行时,跨膜压差上升到20 kPa左右进行低浓度短时间的维护性化学清洗,未进行恢复性化学清洗;第3年起跨膜压差呈缓慢上升趋势,当跨膜压差超过50 kPa,需定期进行恢复性化学清洗,清洗周期大于6个月,清洗完后跨膜压差可恢复至接近新膜状态。
第二阶段:投产第4～6年,跨膜压差增长速率较前3年有明显升高,推测此时超滤膜已有所老化,在此期间平均3～6个月需进行一次恢复性清洗,但产水通量依然可以满足设计需求。
第三阶段:投产第7年起,跨膜压差上升速率显著加快,恢复性清洗后跨膜压差虽能得到较好恢复,但短时间内会再次上升到清洗前水平,因此,每2～3个月就要进行一次恢复性清洗。从水厂管理运行角度而言,恢复性清洗过于频繁,难以再安排维护性清洗,故该阶段的化学清洗方式仅为恢复性清洗。
自第7年起除跨膜压差急剧上升外,超滤膜通量也呈现快速衰减的趋势,如图2所示。自2021年下半年起,超滤膜通量在大部分时间里已达不到设计通量,虽然通过恢复性化学清洗能短暂恢复,但在运行过程中下降速率较为显著。
图2 2021年—2023年J水厂超滤膜通量变化
3.3物理清洗
与传统的过滤-气洗-气水反洗相对比,两家水厂的超滤膜在一个产水周期(120 min)的半程增加了中间曝气环节(即气洗),气洗过程中不进行产水,此次气洗结束后不排污,直接进入下半个产水周期,下半个产水周期结束后进行气洗+气水反洗环节,此次清洗后进行排污。如图3所示,通过分析一个产水周期内半程无气洗和有气洗超滤膜跨膜压差的变化可知,中间增加一个气洗环节可有效降低跨膜压差,延缓污染。
图3 一个产水周期内跨膜压差变化
3.4化学清洗
化学清洗包括维护性化学清洗与恢复性化学清洗:前者利用较低浓度次氯酸钠短时间浸泡,去除膜丝表面微生物与部分有机污染物,使膜通量与跨膜压差得到一定的恢复;后者利用高浓度的酸、碱、次氯酸钠等药剂进行长时间的浸泡与循环,彻底清洗膜丝表面的无机物、有机物与微生物,经过恢复性化学清洗后,膜通量与跨膜压差一般可恢复至接近新膜的水平。
两家水厂化学清洗方式如表5所示。
表5 化学清洗方式
(1)维护性化学清洗
图4和图5分别为J水厂与T水厂维护性清洗的跨膜压差变化。J水厂和T水厂在进行维护性清洗时跨膜压差下降均不明显,且短期内跨膜压差增长速率明显加快,推测原因为短时间低浓度的维护性清洗难以对膜污染层造成实质性的影响。故两水厂均不采用维护性化学清洗。
图4 J水厂维护性碱洗跨膜压差变化
图5 T水厂维护性碱洗跨膜压差变化
(2)恢复性化学清洗
图6和图7分别为J水厂与T水厂恢复性清洗后跨膜压差变化。相比于维护性清洗,恢复性清洗效果明显。虽然净水工艺相似,但两水厂化学清洗情况存在较大差异,J水厂仅采用柠檬酸清洗效果好,T水厂采用先碱后酸清洗效果好。推测为原水水质、膜老化程度等客观条件的不同导致不同水厂的化学清洗情况有很大的差异。
图6 J水厂恢复性酸洗跨膜压差变化
图7 T水厂先碱后酸恢复性清洗后跨膜压差变化
3.5经济指标
3.5.1 电耗
由于浸没式超滤膜运行期间需要频繁物理清洗,鼓风机与反冲洗水泵开启频繁,电耗高于传统滤池。产水方式上,采用泵吸式产水的J水厂电耗高于采用虹吸式产水的T水厂。两家水厂的电耗情况如表6所示。
表6 浸没式超滤膜电耗
注:包括与超滤膜运行相关的所有设备(鼓风机、反冲洗水泵、加药设备、照明及通风设备等)的电耗。
3.5.2 药耗
超滤膜在进行化学清洗时会消耗大量化学药剂,两个水厂进行化学清洗时的药剂消耗如表7和8所示。
表7 J水厂化学清洗药剂消耗
表8 T水厂化学清洗药剂消耗
化学清洗药耗与化学清洗工艺、膜丝老化程度等均有关。在超滤膜运行初期,膜污染较少,基本以维护性化学清洗为主,恢复性化学清洗周期较长,药耗相对较低;在超滤膜运行后期,恢复性化学清洗周期缩短,药耗明显提高。
4 运行管理建议
4.1减少进水量波动,保障膜运行稳定
进水量波动会直接影响浸没式超滤膜的最高运行通量。J水厂清水池容积仅为设计水量的8%,如图8所示,由于调蓄能力不足,水厂的原水量波动较大,超滤膜在供水高峰期长时间超负荷运行,最高运行通量可达到设计通量的136%。如图9所示,每天超负荷运行时间达7～8 h。超负荷运行使水厂在供水高峰期时跨膜压差迅速上升,膜污染快速积累,缩短了化学清洗周期。T水厂在设计时进行了优化,清水池容积取值为设计水量的15%,如图10所示,水厂在实际运行中也注重利用清水池的调蓄能力,尽量减少水厂进水量的波动,保证了超滤膜的稳定运行。
图8 J水厂1 d内原水量变化
图9 J水厂单格膜池1 d内产水量变化
图10 T水厂1 d内原水量变化
4.2增设膜前加氯点,控制藻类滋生
J水厂在运行过程中发现部分膜池产水管上有藻类滋生现象。图11为超滤膜进出水余氯,膜池出水余氯比进水余氯有明显下降,尤其是当沉淀池出水余氯较低时,膜池出水几乎无余氯检出。推测原因为超滤膜在运行时每天只进行一次彻底排污,沉积物在膜池中消耗了大部分余氯,对控制藻类在壁面滋生的作用减弱从而导致藻类滋生现象。
图11 超滤膜进出水余氯对比
为解决这个问题,水厂提高了前加氯的比例从而提升了沉淀池出水余氯,在一定程度上改善了膜池内余氯不足的现象,但实际运行中发现大部分前加氯在沉淀池中被消耗,药剂浪费严重。为提高药剂使用效率,水厂在膜池的进水管上增设了膜前加氯点,通过投加约5%有效氯浓度的次氯酸钠使膜池出水余氯质量浓度稳定在0.2 mg/L左右。经此改造后,膜池内藻类生长得到了有效的抑制,同时后加氯的稳定性也得到了提升。
4.3隔离化学药剂与产水系统,保障水质安全
如图12所示,浸没式超滤膜进行在线化学清洗时,化学清洗循环管从产水管引出,因此,循环管有一段管道与产水管共用。化学清洗时产水阀前的产水管中充满化学药剂,一旦产水阀无法完全关闭,化学药剂通过产水阀直接渗漏至产水系统,造成严重的水质安全事故。以T水厂为例,水厂的产水阀为气动阀,无操作手盘,无法通过手动方式确保阀门完全关闭,在化学清洗时有极大的药剂渗漏隐患。因此,水厂在产水管上新增了电动蝶阀,在进行化学清洗前将该阀门完全关闭确保在清洗过程中化学药剂与产水系统完全隔离,保障化学清洗过程中的水质安全。
图12 产水管上新增电动阀
5 结论
(1)浸没式超滤膜运行前2年跨膜压差上升速率缓慢,虽然第4年开始跨膜压差上升速率明显提高,但其对浑浊度仍具有良好的去除效果,在沉淀池出水浑浊度波动情况下,膜出水浑浊度仍稳定在0.1 NTU以下。
(2)随着超滤膜使用时间的延长,抗污染能力减弱,相比于新膜,老化膜更容易出现污染情况,而在产水周期半程进行一次气洗可有效缓解膜污染。J、T两水厂的化学清洗效果有很大差异,两水厂维护性清洗均无显著作用,恢复性清洗J水厂仅酸洗效果较好,T水厂碱洗与酸洗联合清洗效果最好。
(3)浸没式超滤水厂设计时应充分利用清水池的调蓄能力,尽量减少进水量波动,避免超滤膜长时间超负荷工况运行;同时设置膜前加氯点,使膜池出水余氯质量浓度稳定在0.2 mg/L左右,可以有效抑制膜池中藻类滋生。
