浸沒式超濾膜系統(tǒng)虹吸改造及運(yùn)行工序優(yōu)化

袁少鵬，師宴榮，石 潔，陳 翔，謝喜平

(1.北京碧水源科技股份有限公司，北京 102206；2.太倉(cāng)市水務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇太倉(cāng) 215400)

隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，飲用水水質(zhì)指標(biāo)日趨嚴(yán)格，膜法處理工藝在飲用水處理行業(yè)愈加得到廣泛關(guān)注[1]。

浸沒式超濾對(duì)渾濁度去除率高，對(duì)細(xì)菌、病毒、“兩蟲”(隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲)去除效果好，產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)具有占地面積小、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，超濾膜工藝在老舊給水廠升級(jí)改造和新給水廠建設(shè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2-3]。

虹吸浸沒式超濾膜工藝可實(shí)現(xiàn)在無(wú)泵、低液位差條件下膜長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，保證產(chǎn)水能力的同時(shí)，大大節(jié)省了電能消耗。江西羅橋水廠改造工程采用浸沒式超濾膜工藝，將原有產(chǎn)水量為1×104m3/d 的砂濾池原位改造成產(chǎn)水量為2×104m3/d 的虹吸超濾膜濾池，噸水電耗0.005 kW·h/m3。上海某水廠工程采用浸沒式超濾膜工藝，產(chǎn)水規(guī)模為3×104m3/d的虹吸超濾膜濾池，噸水電耗0.02 kW·h/m3[4-5]。

1 項(xiàng)目背景

1.1 水廠現(xiàn)狀

原泰安市某凈水廠于2013年12月建成通水，設(shè)計(jì)規(guī)模為5×104m3/d，主體工藝為“混凝沉淀+浸沒式超濾”。由于城市化進(jìn)展及居民生活水平的提高，現(xiàn)狀凈水廠規(guī)模已無(wú)法滿足用水量需求；同時(shí)，該凈水廠已經(jīng)運(yùn)行6年，膜絲達(dá)到使用壽命，膜絲老化斷絲嚴(yán)重，產(chǎn)水通量下降，且部分時(shí)段產(chǎn)水渾濁度>0.2 NTU，不能滿足產(chǎn)水水質(zhì)要求。綜上，需對(duì)該凈水廠進(jìn)行換膜擴(kuò)容改造。

1.2 改造需求

(1)用水需求增大，在膜池預(yù)埋和容積不變的情況下，通過增大膜絲裝填面積進(jìn)行擴(kuò)容改造，原規(guī)模5×104m3/d需擴(kuò)容為10×104m3/d。

(2)膜系統(tǒng)老化斷絲嚴(yán)重，膜通量下降，產(chǎn)水渾濁度超標(biāo)，需進(jìn)行換膜改造。

(3)因原膜池產(chǎn)水方式為產(chǎn)水泵抽吸產(chǎn)水，運(yùn)行電耗較高，需在利舊原有產(chǎn)水管道的基礎(chǔ)上，進(jìn)行虹吸改造，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

(4)原膜池自動(dòng)運(yùn)行工序落后，產(chǎn)水周期短，排水頻次高，產(chǎn)水回收率較低，需優(yōu)化運(yùn)行工序，提高系統(tǒng)回收率[6]。

2 改造方案

2.1 換膜擴(kuò)容方案

2.1.1 原膜池規(guī)格

原浸沒式超濾膜池設(shè)6格，單格膜池面積為10.6 m×5.5 m，單格膜池有16個(gè)膜組器，單組器有32支膜元件，單支元件膜面積為35 m2，6格膜池的總產(chǎn)水量為5×104m3/d，名義膜通量為19.4 L/(m2·h)。

2.1.2 換膜擴(kuò)容后膜池規(guī)格

采用某公司生產(chǎn)的新型浸沒式超濾膜組器，新型膜組器的膜絲裝填密度更大，單支膜元件面積為70 m2，單格膜池有16個(gè)膜組器，單組器有30支膜元件，更換6格膜池的膜絲后總產(chǎn)水量達(dá)到10×104m3/d，名義膜通量為20.7 L/(m2·h)。

2.2 節(jié)能降耗改造

2.2.1 浸沒式超濾系統(tǒng)虹吸改造

原浸沒式超濾系統(tǒng)產(chǎn)水方式為產(chǎn)水泵抽吸產(chǎn)水，產(chǎn)水泵功率N=45 kW，數(shù)量n=6臺(tái)，日運(yùn)行時(shí)間t=22.1 h，功率系數(shù)α=0.8。經(jīng)核算，產(chǎn)水泵抽吸噸水電耗P=N×n×t×α÷Q=45×6×22.1×0.8÷50 000=0.096 kW·h/m3，噸水電費(fèi)為0.058元/m3(以電價(jià)0.65元/kW·h計(jì)算)。

膜池正常運(yùn)行液位為168.2 m，清水池設(shè)有產(chǎn)水堰，堰上液位為165.6 m，虹吸產(chǎn)水剩余水頭為2.6 m，超濾膜正?？缒翰顬?～15 kPa，滿足虹吸產(chǎn)水要求。在系統(tǒng)產(chǎn)水抽吸干管上部設(shè)旁通管，改造為虹吸產(chǎn)水，產(chǎn)水旁通管設(shè)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過膜池液位來(lái)控制產(chǎn)水調(diào)節(jié)閥的開度，以控制產(chǎn)水流量。虹吸管路改造如圖1所示。同時(shí)，原產(chǎn)水泵保留，在冬季進(jìn)水溫度過低、膜通量下降時(shí)，提供一定的輔助抽吸作用。

圖1 虹吸管路改造照片F(xiàn)ig.1 Photo of Siphon Pipeline Reconstruction

采用虹吸重力產(chǎn)水方式，與產(chǎn)水泵抽吸方式相比，噸水電費(fèi)可減少0.058元/m3，大大節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。

2.2.2 反洗系統(tǒng)運(yùn)行工序優(yōu)化

(1)原反洗運(yùn)行工序

原超濾系統(tǒng)產(chǎn)水周期為45 min，每日32個(gè)周期，每周期的實(shí)際過濾時(shí)間為38 min。反洗時(shí)先降低水位0.5 m，之后進(jìn)行氣水反洗2 min，靜置沉淀2 min，排水1/4，隨后打開進(jìn)水閥門補(bǔ)水，進(jìn)入下個(gè)產(chǎn)水周期(圖2)。每日最后1個(gè)周期反洗結(jié)束后排空膜池。每日共計(jì)排空膜池(1/4×31)+1=8.75次。

圖2 優(yōu)化前運(yùn)行工序Fig.2 Operation Process before Optimization

原反洗工序的缺點(diǎn)：產(chǎn)水周期過短，膜系統(tǒng)反洗頻繁；水反洗時(shí)間較長(zhǎng)，反洗消耗系統(tǒng)產(chǎn)水較多；每個(gè)產(chǎn)水周期都需排水，排水量大，導(dǎo)致系統(tǒng)回收率較低。

(2)優(yōu)化后運(yùn)行工序

針對(duì)產(chǎn)水周期過短，系統(tǒng)回收率下降的問題，對(duì)反洗運(yùn)行工序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。延長(zhǎng)超濾系統(tǒng)產(chǎn)水周期至90 min，每日16個(gè)周期，每周期的實(shí)際過濾時(shí)間為87 min。反洗時(shí)首先降低水位0.5 m，隨后關(guān)閉產(chǎn)水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行氣水反洗，將水反洗時(shí)間減少為40 s；反洗結(jié)束后直接進(jìn)入下一個(gè)周期產(chǎn)水，不再排水。每4個(gè)產(chǎn)水周期排空膜池1次，每日排空4次(圖3)。

圖3 優(yōu)化后運(yùn)行工序Fig.3 Operation Process after Optimization

優(yōu)化后反洗工序的優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)水周期延長(zhǎng)，膜系統(tǒng)反洗頻次降低；每日僅排空膜池4次，反洗用水量降低為原工序的1/24，原水更多地被轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)產(chǎn)水，系統(tǒng)回收率大幅提高。

(3)優(yōu)化前后系統(tǒng)回收率對(duì)比

反洗運(yùn)行工序優(yōu)化后，產(chǎn)水周期數(shù)由32次/d下降為16次/d，反洗水泵與膜擦洗鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間顯著減少，節(jié)省能耗；同時(shí)，系統(tǒng)排水量減少，水反洗時(shí)間由2 min縮短為40 s，反洗用水量減少；系統(tǒng)總產(chǎn)水量提升，總進(jìn)水量降低，從而系統(tǒng)回收率得到大幅提高。優(yōu)化前后膜系統(tǒng)回收率對(duì)比如表1所示。

表1 優(yōu)化前后膜系統(tǒng)回收率對(duì)比Tab.1 Contrast of Membrane System Recycling Rate before and after Optimization

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

3.1 主要性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果

浸沒式超濾系統(tǒng)換膜改造后，于2020年4月每日多個(gè)時(shí)段依次分別對(duì)膜系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄及采樣測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可知：膜系統(tǒng)在4月的平均單日產(chǎn)水量達(dá)到10.39×104m3/d，高于設(shè)計(jì)產(chǎn)水量(10×104m3/d)；系統(tǒng)運(yùn)行膜通量平均值為21.97 L/(m2·h)，高于設(shè)計(jì)名義膜通量[20.7 L/(m2·h)]；跨膜壓差平均值為7.7 kPa，低于設(shè)計(jì)跨膜壓差值(20 kPa)；6個(gè)系列平均水回收率為96.75%，高于設(shè)計(jì)回收率(96.66%)。超濾系統(tǒng)平均產(chǎn)水渾濁度≤0.08 NTU，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 產(chǎn)水量與跨膜壓差之間的關(guān)系

跨膜壓差指超濾膜產(chǎn)水過程中膜兩側(cè)的壓力差，是表征超濾膜運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，在相同的膜通量下，跨膜壓差越低，表明膜的透水能力越強(qiáng)。膜的產(chǎn)水量不同，跨膜壓差也不同，跨膜壓差與產(chǎn)水量之間的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，產(chǎn)水量增大，跨膜壓差也相應(yīng)增大。水廠的設(shè)計(jì)平均產(chǎn)水量為695.8 m3/h時(shí)，跨膜壓差平均值為7.7 kPa，離設(shè)計(jì)跨膜壓差值20 kPa還有很大余量，說明虹吸產(chǎn)水工藝適用于該水廠的提標(biāo)擴(kuò)容改造。在保證膜池出水水質(zhì)的前提下，膜池出水水量穩(wěn)定，且跨膜壓差較小，可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)和水量同時(shí)提升。

表2 膜系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test Results of Membrane System

圖4 產(chǎn)水量及跨膜壓差變化曲線Fig.4 Variation Curve of Water Production and Transmembrane Pressure

3.3 跨膜壓差及產(chǎn)水量隨運(yùn)行時(shí)間的變化

該凈水廠已投產(chǎn)的6格膜池中，每格膜池運(yùn)行工況稍有不同，以6#膜池為例，取1個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)跨膜壓差進(jìn)行分析?？缒翰罴爱a(chǎn)水量隨運(yùn)行時(shí)間的變化曲線如圖5所示。

圖5 跨膜壓差及產(chǎn)水量隨運(yùn)行時(shí)間的變化Fig.5 Change of Transmembrane Pressure and Water Production with Operation time

由圖5可知，當(dāng)水廠設(shè)定的平均產(chǎn)水量為695.8 m3/h時(shí)，在一個(gè)維護(hù)性清洗周期內(nèi)(14 d)，跨膜壓差穩(wěn)定在7～9 kPa，跨膜壓差始終處于較低的水平，說明虹吸式超濾膜系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，膜污染程度較輕，設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)合理。

4 結(jié)論

該凈水廠換膜改造項(xiàng)目的成功實(shí)施，為浸沒式超濾虹吸改造提供了一定的借鑒和指導(dǎo)。

(1)本項(xiàng)目在膜池容積不變的情況下，通過增大膜絲裝填面積進(jìn)行換膜擴(kuò)容改造。采用新浸沒式膜組件，單支膜元件面積為70 m2，原膜組件單支膜面積為35 m2；擴(kuò)容后產(chǎn)水規(guī)模為10×104m3/d，原產(chǎn)水規(guī)模為5×104m3/d。

(2)系統(tǒng)產(chǎn)水方式由泵抽吸式改造為虹吸式，停用6臺(tái)產(chǎn)水泵，噸水降低電耗0.096 kW·h/m3，噸水節(jié)省電費(fèi)0.058元/m3(以電價(jià)0.65元/kW·h計(jì)算)。

(3)優(yōu)化反洗運(yùn)行工序，減少系統(tǒng)排水量及反洗水量，系統(tǒng)回收率從86.67%提升至96.66%。

(4)浸沒式超濾膜系統(tǒng)產(chǎn)水水質(zhì)好，換膜后產(chǎn)水渾濁度穩(wěn)定≤0.08 NTU，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)標(biāo)準(zhǔn)。

(5)虹吸浸沒式超濾膜工藝可實(shí)現(xiàn)在無(wú)泵、低液位差條件下膜長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)產(chǎn)水能力大幅提升。一個(gè)維護(hù)性清洗周期內(nèi)，跨膜壓差始終維持在7～9 kPa的較低水平，膜的污染程度較輕，維護(hù)性清洗后膜通量迅速恢復(fù)到正常水平。