某市浸沒式超濾膜工藝凈水廠設(shè)計

繆晶廣，陳 敏

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

隨著國內(nèi)膜工藝技術(shù)及膜工業(yè)的快速發(fā)展，膜工藝設(shè)備采購價格逐步下降至規(guī)模化應(yīng)用可接受的水平， 這使得超濾膜技術(shù)在飲用水處理方面快速進(jìn)入普及推廣階段。本文擬結(jié)合工程實例，詳細(xì)介紹以浸沒式超濾膜工藝為主體技術(shù)的凈水廠工藝設(shè)計，探討浸沒式超濾膜工藝作為新型實用凈水技術(shù)在城鎮(zhèn)凈水廠的應(yīng)用前景。

1 工程概述

某項目位于環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)某市， 境內(nèi)交通四通八達(dá)，無淺層淡水資源，地面以下均是礦化度大于3 g/L 的微咸水或苦咸水。市區(qū)周邊的農(nóng)村飲用水源多取自深層地下水。 隨著南水北調(diào)配套工程的建成通水，及引水管線工程的實施，市政府?dāng)M抓住發(fā)展契機(jī)，充分利用南水北調(diào)水源，實現(xiàn)地表水與地下水水源置換，實現(xiàn)地下水采補(bǔ)平衡，以便實現(xiàn)地下水良性循環(huán)，同時解決本市農(nóng)村飲水安全，實現(xiàn)城鄉(xiāng)供水一體化。

2 供水水源及產(chǎn)水目標(biāo)

該項目水源為大浪淀水庫，通過引水管道輸送至渤海新區(qū)，以滿足沿途某市部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)生產(chǎn)生活需求。該項目水源直接接自該引水工程的引水管道。 出水水質(zhì)達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2006）需求。

3 服務(wù)范圍及工程規(guī)模

3.1 服務(wù)范圍

該項目服務(wù)范圍涵蓋5 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)共172 個村莊，共17.3 萬人口。

3.2 工程規(guī)模

用水量包括鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民生活用水、公共建筑用水、工業(yè)及其他用水、管網(wǎng)漏失和未預(yù)見水量，經(jīng)測算最高需水量約3.3×104m3/d。 按照適當(dāng)富余的原則，凈水廠設(shè)計規(guī)模確定為3.5×104m3/d。

4 水處理工藝流程

凈水廠設(shè)計工藝流程如圖1 所示。

圖1 凈水廠設(shè)計工藝流程

5 主要凈水構(gòu)筑物設(shè)計

5.1 水處理、調(diào)蓄及加壓外送系統(tǒng)

1）配水井、反應(yīng)沉淀池。配水井與反應(yīng)沉淀池合建，設(shè)置在反應(yīng)沉淀池之前，通過溢流堰分配水量。反應(yīng)沉淀池分成2 個系列，每個系列采用機(jī)械反應(yīng)、機(jī)械絮凝和平流沉淀池，反應(yīng)時間為42 s，反應(yīng)分成3 段，總反應(yīng)時間為20 min，反應(yīng)段G 值分別為70.3 s-1、57.7 s-1、30.0 s-1。 平流沉淀總沉淀時間為2 h，流速11.5 mm/s，有效水深3.5 m，沉淀段長度82 m。

2）膜處理車間。膜處理車間設(shè)5 個膜池，每個膜池設(shè)置5 個模箱位，安裝23 個膜箱，預(yù)留2 個備用膜箱機(jī)位。單個膜箱有效膜面積為2 800 m2，有效膜面積總計6.44×104m2。 設(shè)計正常膜通量24 L/（m2·h），強(qiáng)制最大通量28 L/（m2·h）。 超濾膜截流分子質(zhì)量MWCO=50 000 u。 產(chǎn)水模式有兩種，分別是虹吸產(chǎn)水和抽吸產(chǎn)水。兩種產(chǎn)水模式可以互相切換，虹吸產(chǎn)水跨膜壓差為0.02 MPa，抽吸產(chǎn)水跨膜壓差為0.06 MPa。 膜組設(shè)計使用壽命為5 a。

3）清水池。清水池容積取值高日用水量的15%，有效容積為5 760 m3，分成2 格。

4）送水泵房。 送水泵房設(shè)計采用4 臺臥式雙吸離心泵，3 用1 備；時變化系數(shù)為1.6，單臺水泵設(shè)計參數(shù)為Q=778 m3/h，H=43 m，N=160 kW。 泵房出水為2 根DN600 管道，分別設(shè)置流量計及檢修閥。

5.2 加藥加氯系統(tǒng)

1）加藥間。 項目采用絮凝藥劑為PAC，投加量15 mg/L，投加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，投加在反應(yīng)段。分別設(shè)置溶解池及溶液池，溶解池配置2 臺礬液提升泵，溶液池配置3 臺隔膜計量泵，2 用1 備。 藥劑貯存量按15 d 考慮。

2）加氯間。項目采用二氧化氯消毒，前加氯投加量1.0～2.0 mg/L，后加氯投加量0.5～1.0 mg/L，二氧化氯制備采用氯酸鈉和鹽酸反應(yīng)。設(shè)置4 臺二氧化氯發(fā)生器，前加氯及后加氯各設(shè)2 臺，1 用1 備。 加氯水射器設(shè)在反應(yīng)室內(nèi)，動力水源壓力不小于0.3 MPa。反應(yīng)室、鹽酸室、氯酸鈉室和化料間設(shè)置快速沖洗設(shè)施。加氯間采用防爆車間標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，鹽酸間、反應(yīng)間、氯酸鈉間、化料間電氣開關(guān)設(shè)置在室外。反應(yīng)室設(shè)置二氧化氯濃度監(jiān)測報警裝置，并接入中控室?？刂剖遗渲霉ぞ呦?、搶修用品箱及2 套防毒面具，以便工作人員快速應(yīng)對突發(fā)事件。

3）應(yīng)急加藥間。 考慮到地表水源在特殊季節(jié)因為富營養(yǎng)化或其他特殊狀況導(dǎo)致水質(zhì)惡化， 項目設(shè)計中設(shè)置應(yīng)急加藥間予以應(yīng)對。 應(yīng)急狀態(tài)投加藥劑主要有高錳酸鉀及粉末活性炭。 高錳酸鉀設(shè)計投加量0.5～2.0 mg/L， 投加點位于廠區(qū)進(jìn)水總管最前端；粉末活性炭設(shè)計投加量40 mg/L，投加點位于反應(yīng)池最前端。 應(yīng)急加藥間采用防爆車間標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。

5.3 污泥處理處置系統(tǒng)

1）排泥池。排泥池主要用于接納反應(yīng)沉淀池排泥，分成2 格，2 格之間設(shè)置閘門連通。 有效水深3.0 m，有效容積330 m3。 每格設(shè)置1 臺立式雙曲面攪拌器及排泥泵。

2）污泥濃縮池。 設(shè)置2 座污泥濃縮池和1 座污泥儲池，污泥濃縮池與污泥儲池合建。污泥濃縮池平面尺寸Φ7 m，有效水深4 m，濃縮池污泥固體通量設(shè)計取值24 kg/（m2·d）；濃縮池進(jìn)泥管設(shè)置PAM 投加口。 儲泥池分成2 格，有效水深4.5 m，有效容積90 m3，每格設(shè)置1 臺潛水?dāng)嚢杵鳌?/p>

3）污泥脫水車間。 濃縮后的污泥采用1 臺疊螺機(jī)脫水，處理干泥能力為100 kg/h，配置2 臺進(jìn)泥螺桿泵及1 套PAM 自動加藥裝置，污泥脫水至含水率80%以下，外運(yùn)處置。

5.4 其他生產(chǎn)輔助構(gòu)筑物

為了滿足其他輔助功能及生產(chǎn)管理需要， 生產(chǎn)輔助構(gòu)筑物設(shè)計還包括：1）變配電間與送水泵房合建；2）倉庫、機(jī)修及地源熱泵房與污泥脫水機(jī)房合建；3）設(shè)置綜合辦公樓及門衛(wèi)。

6 浸沒式超濾膜工藝設(shè)計

6.1 超濾膜形式

項目采用的超濾膜為浸沒式PVDF 復(fù)合超濾膜，以簾式組件組合成膜箱作為一個整體安裝單元。

6.2 超濾膜工藝設(shè)計

超濾膜凈水工藝包含產(chǎn)水系統(tǒng)、反洗系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、化學(xué)清洗系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、酸堿中和系統(tǒng)、壓縮空氣及膜組氣檢系統(tǒng)。

1）產(chǎn)水系統(tǒng)。 膜池產(chǎn)水系統(tǒng)由虹吸產(chǎn)水和水泵抽吸產(chǎn)水兩種產(chǎn)水模式組成。 兩種產(chǎn)水模式之間可自動切換運(yùn)行， 抽吸產(chǎn)水管路作為虹吸產(chǎn)水的旁路進(jìn)行安裝。 當(dāng)虹吸產(chǎn)水液位差達(dá)到設(shè)定值且出水量滿足設(shè)計要求時， 在抽真空系統(tǒng)作用下以虹吸模式產(chǎn)水，通過出水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)出水量，確保膜池液位控制在設(shè)計標(biāo)高。真空系統(tǒng)由真空形成裝置、真空抽吸閥和真空管路，配置2 臺液環(huán)真空泵及真空罐、氣水分離罐各1 套， 液環(huán)真空泵選型參數(shù)為：Q=227 m3/h，最大真空度為-90 kPa，N=7.5 kW。 當(dāng)液位差小于設(shè)定值或膜池出水量不能滿足要求時切換至抽吸產(chǎn)水模式，啟動抽吸泵進(jìn)行抽吸產(chǎn)水。 與膜池數(shù)量配套，共設(shè)置5 臺產(chǎn)水抽吸泵，產(chǎn)水抽吸泵選型參數(shù)為：Q=340 m3/h，H=10 m，N=18.5 kW，汽蝕余量≤5 m，產(chǎn)水泵設(shè)置變頻調(diào)速控制產(chǎn)水流速及流量。

2）反洗系統(tǒng)。為了維持膜通量穩(wěn)定，確保膜系統(tǒng)正常運(yùn)行，通常需要周期性反洗，反洗周期約1～3 h，可以根據(jù)實際運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整。 反洗強(qiáng)度為80 L/（m2·s），反洗歷時約1～2 min。 反洗操作以膜池為單元，且每次僅對1 個膜池進(jìn)行反洗操作。反洗操作前應(yīng)對待反洗膜池進(jìn)行“降液位”操作，關(guān)閉膜池進(jìn)水閘，繼續(xù)產(chǎn)水至設(shè)定液位后，關(guān)閉產(chǎn)水系統(tǒng)，開啟反沖洗系統(tǒng)。 設(shè)置2 臺反洗泵， 反洗泵選型參數(shù)為：Q=1 120 m3/h，H=23 m，N=110 kW，設(shè)置變頻調(diào)速控制反沖洗強(qiáng)度。

3）曝氣系統(tǒng)。 為了提高膜反洗效果，設(shè)置曝氣系統(tǒng)，曝氣強(qiáng)度為膜組件有效投影面積50 L/（m2·s）。設(shè)置2 臺鼓風(fēng)機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)選型參數(shù)為：Q=2 000 m3/h，H=0.49 MPa，N=45 kW，鼓風(fēng)機(jī)設(shè)置變頻控制曝氣強(qiáng)度。

4）化學(xué)清洗系統(tǒng)。超濾膜清洗有兩種：定期維護(hù)性化學(xué)清洗和恢復(fù)性化學(xué)清洗。 項目設(shè)計全部采用就地在線清洗。 設(shè)置2 臺IHF 型耐腐蝕化工泵作為化學(xué)清洗循環(huán)泵，以單個膜池為化洗單元，每次僅對1 個膜池進(jìn)行化洗操作。 化洗循環(huán)泵從操作膜池單元出水管抽水，出水返回操作膜池單元，在化洗循環(huán)泵出水口設(shè)置化洗藥劑投加接口?；幢眠x型參數(shù)：Q=340 m3/h，H=10 m，N=18.5 kW，汽蝕余量≤5 m，化洗泵設(shè)置變頻調(diào)速控制化洗強(qiáng)度?；催^程中，同時開啟化洗單元的曝氣閥， 確保化洗膜池單元內(nèi)化洗藥劑的均勻。 維護(hù)性化學(xué)清洗周期約7～15 d，清洗歷時30 min，使用藥劑為200 ×10-6NaClO 溶液。

恢復(fù)性化學(xué)清洗周期約6～12 個月，清洗歷時6 h，堿洗藥劑為質(zhì)量濃度25%NaOH+10% NaClO 溶液，酸洗藥劑為質(zhì)量濃度30%稀鹽酸溶液。

5）排水及回用水系統(tǒng)。 膜池常規(guī)反洗排水進(jìn)入排水池，因此排水池與膜處理車間合建。將排水池設(shè)置在膜處理車間配電間底部，為排水池設(shè)置回用水泵及攪拌曝氣管，排水通過回用水泵均勻輸送至反應(yīng)沉淀池前端的配水井進(jìn)行回用。 設(shè)置3 臺回用潛水泵，回用水泵選型參數(shù)：Q=50 m3/h，H=12 m，N=4.0 kW。

6）酸堿中和系統(tǒng)。 膜池化學(xué)清洗廢水進(jìn)入中和池，中和池與膜處理車間合建，設(shè)置在膜處理車間加藥間底部，中和池設(shè)置PH 計、中和循環(huán)及外排的耐腐蝕化工泵及攪拌曝氣管，在中和池投加中和藥劑，確保廢水外排之前進(jìn)行充分中和。 設(shè)置2 臺耐腐蝕化工泵，耐腐蝕化工泵選型參數(shù)：Q=120 m3/h，H=12 m，N=11.0 kW。 設(shè)置1 臺鼓風(fēng)機(jī)用于排水池及中和池攪拌曝氣，鼓風(fēng)機(jī)選型參數(shù)：Q=500 m3/h，H=0.49 MPa，N=11 kW。

7）壓縮空氣及膜組氣檢系統(tǒng)。 壓縮空氣系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、儲氣罐、空氣干燥機(jī)、氣路分配器以及管路系統(tǒng)組成。 壓縮空氣系統(tǒng)用于氣動閥門啟閉以及膜組件完整性檢測。 配置2 臺空壓機(jī)及空氣干燥機(jī)、儲氣罐各1 套，空壓機(jī)選型參數(shù)：Q=1.6 m3/min，供氣壓力為0.80 MPa，N=7.5 kW。 空氣干燥機(jī)選型參數(shù)：Q=2.6 m3/min，入口壓力1.0 MPa。 為了保證高效產(chǎn)水，有效截流水中各類污染物，需定期對超濾膜組件進(jìn)行完整性檢測，向膜絲內(nèi)部充入壓縮空氣，觀察壓力衰減速率以及膜池氣泡情況判斷膜組件的完整性。 膜池氣檢時進(jìn)氣壓力最高值不得超過膜廠家設(shè)定的限值，如不能滿足，進(jìn)氣端應(yīng)設(shè)置減壓裝置。

8）化學(xué)藥劑投加系統(tǒng)。 根據(jù)超濾膜化學(xué)清洗需要，設(shè)置化學(xué)藥劑投加系統(tǒng)，分別有NaOH、NaClO、稀鹽酸溶液存儲罐，上料泵及投加計量泵。

9）超濾膜生產(chǎn)工藝控制系統(tǒng)。 超濾膜生產(chǎn)工藝采用可編程序控制器和微機(jī)（PLC+IPC）組成的實時多任務(wù)集散型控制系統(tǒng)，實現(xiàn)膜池生產(chǎn)自動控制運(yùn)行。

7 結(jié)語

與傳統(tǒng)工藝相比， 以浸沒式超濾膜工藝為主體的凈水工藝，在優(yōu)化凈水廠出水指標(biāo)、提高排水回用率等方面具有明顯優(yōu)勢。隨著國內(nèi)膜工業(yè)快速發(fā)展，膜設(shè)備價格不斷降低， 以超濾膜工藝為主體的技術(shù)在凈水廠建設(shè)項目中具有良好的應(yīng)用前景。