超滤膜法短流程工艺在南通市芦泾水厂提标改造工程中的应用
1 项目背景
我国颁布新修订的《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006)水质指标由原标准的35项增至106项，江苏省建设厅要求苏中地区2010年7月1日前须全面达标。
南通市芦泾水厂始建于1973年，供水能力为5万m3／d，占地14亩(1亩≈666 m2)，无可供改造的闲置场地。
基于迫切的改造需求，针对长江水的特点，2008年开始在芦泾水厂逐步建立了1 500 m3／d的一系列超滤膜中试装置，持续开展了多项试验研究，形成了一整套以浸没式超滤膜为核心的短流程水处理路线。
2 试验研究
2．1原水水质
芦泾水厂原水取自长江南通段，根据2002～2007年《芦泾水厂水质检验月报表》的统计分析，芦泾水厂原水水质见表1。
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由表1可知，芦泾水厂水源水质较好，相对而言，水中微生物含量较高，对出厂水水质存在潜在威胁。
从历年水质分布来看，浊度较高的时期出现在长江汛期，即8～10月。有机物含量较高的时期出现在7～8月，这可能与汛期内河排涝，将有机物携带至长江中有关。而细菌总数常年分布相对较为均匀。
2．2材料与方法
由于采用超滤膜进行改造具有占地省，改造速度快，可以针对性地解决水厂浊度和“两虫”(隐孢子虫和贾第鞭毛虫)等问题的优点。因此专门针对改造设计中的问题开展了多项试验研究。在研究中使用了两种中空纤维膜，一种为内压柱式超滤膜，一种是外压浸没式超滤膜，两种超滤膜材质均为PVC，膜孔径均为0．01um，截留相对分子质量均为50 000。以此两种膜设计组成了3套中试装置：
(1)用海南立升公司的LH3—1060一V型内压式合金PVC超滤膜组件过滤没有经过任何预处理的长江原水。膜组件的有效膜面积为40m2，运行方式为恒通量过滤30 min，通量为62．4L／(m2·h)，反洗方式为正冲20 S，反冲30 s，再正冲20 s，正冲流量为5 m3／h，反冲流量为7 m3／h。
(2)分别用10帘海南立升公司的LGJlD一1500型浸没式合金PVC超滤膜组件组成的膜单元过滤芦泾水厂的沉淀池出水和絮凝池出水。膜单元的有效膜面积为320 m2，运行方式为恒通量过滤1 h，通量为30 L／(m2·h)，反洗方式为每1 h曝气1 min，曝气流量为40 m3／h，每3h气水同时反洗1 min，水洗流量为19 m3／h，曝气流量为40 m3／h。
(3)用2帘海南立升公司的LGJlD一750型浸没式合金PVC超滤膜组件组成的膜单元过滤经不同混凝剂预处理后的原水。膜单元的有效膜面积为33 m2，运行方式为恒通量过滤1 h，通量为30 L／(m2·h)，反洗方式为每1 h曝气1min，曝气流量为12 m3／h，每3 h气水同时反洗1 min，水洗流量为3 m3／h，曝气流量为12m3／h。
自2008年3月开始在南通芦泾水厂进行超滤膜过滤的试验，原水取自长江。用HACH FT660激光浊度仪监测膜出水水质，监测通量、跨膜压差用以表征膜污染的情况。其中水力反洗时均不加氯。
2．3试验结果与分析
为了具有可比性，将所有的跨膜压差换算成20℃时的等效值(简称为TMP20)，为研究方便，将实际负值的TMP20转化为其绝对值。根据HACH FT660激光浊度仪监测膜出水浊度的结果，膜出水浊度基本稳定在0．05 NTU以下。
2．3．1 PVC膜过滤性能的研究
最初，由于对超滤膜技术了解并不深入，因此首先采用了一套小型由内压柱式超滤膜组件组成的超滤膜试验装置进行超滤膜直接过滤长江原水的试验。在长达2个月的试验中，除了对超滤膜进行例行的物理清洗外并未进行任何化学清洗。试验结果见图1。
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通过图1，可以看出TMP20从26．23 kPa增长到36．39 kPa，增长率为39％。如果采取预处理措施(如混凝，投加高锰酸钾和粉末活性炭)，并选择良好清洗的方式，超滤膜的过滤性能应该会有较大的提升。
2．3．2 PVC膜过滤沉后水和絮凝后水的效果对比为了进一步测试超滤膜性能，考虑到要利用水厂原有工艺构筑物和工作水头，因此又设计了2套采用浸没式超滤膜组件的试验装置，分别用沉后水和絮凝后水作为进水进行平行试验。在试验期间，两套超滤膜装置除了进行例行的物理清洗外均未进行任何化学清洗。试验结果见图2和图3。
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从图2和图3中可以看出以沉后水为进水的超滤膜单元TMP20从19．03 kPa增长到23．78 kPa，增长率为24．96％。而以絮凝后水为进水的超滤膜单元的TMP20从18．74 kPa增长到21．99 kPa，增长率为17．34％。两组平行试验的结果表明：沉淀池出水(约5 NTU)并不比絮凝池出水(约100NTU)作为膜进水的运行效果好，相反的是用沉后水作为进水比用絮凝后水作为进水的膜污染更快。
3工程设计
对原有两组工艺构筑物中的一组先行改造，两组丁艺出水勾兑后，出水水质提升达标。由于厂区内无闲置场地，因此要充分利用原有构筑物和原有工作水头，尽可能降低投资成本和运行费用。在工艺设计、设备选用方面力求做到技术先进、工艺可靠、设置合理、性能优越、占地面积小、操作简单和维护方便。
3．1原有工艺及存在的问题
芦泾水厂设有2组2．5万m3／d的净水构筑物，原净水工艺流程见图4，当初是按出厂水不大于5 NTU的标准设计的。
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2000年以来，芦泾水厂全年处于满负荷甚至是超负荷的工作状态。2003年对沉淀池、虹吸滤池进行了恢复性大修，但净水工艺、运行参数未改变，斜管沉淀池跑矾花现象时有发生，沉后水浊度相对较高，而虹吸滤池存在着反冲洗强度不够、冲洗不彻底、初滤水不能外排的问题，出水水质仅能满足原国标3 NTU的要求。
3．2改造方案的选择
芦泾水厂原有工艺主要存在的问题是出水浊度难以达到新国标的要求，而超滤膜技术与传统水处理工艺相比，能有效截留杂质、细菌和病原菌，从而降低后续消毒加氯量，减少消毒副产物的生成量。由于水厂无改造用地，需利用原有工艺构筑物，因此考虑采用以浸没式超滤膜为核心的改造工艺。浸没式超滤膜具有产水量高、能耗低、便于与其他工艺相结合等优势而受到广泛重视。因为可利用的水头有限(3．2～4 mH2O)，而且希望尽可能节约能耗、减轻膜污染，所以选择了低通量低跨膜压差的运行方式。
采用以浸没式超滤膜为核心的丁艺进行改造的方案有3种：混凝-超滤；混凝-沉淀-超滤；混凝-沉淀-砂滤-超滤。因为混凝-沉淀-砂滤-超滤的改造方案需额外占地和二次提升，而水厂不能提供改造用地，因此第三种方案未作考虑。混凝-超滤和混凝-沉淀-超滤的改造方案对比见表2。
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经方案对比，确定了利用原有斜管沉淀池进行改造的方案。方案中将水厂原有一组斜管沉淀池改造为集絮凝、沉淀、超滤膜过滤、反洗水同收、污泥浓缩为一体的短流程处理构筑物。待以后再将原有的虹吸滤池改造成为应对突发性原水水质事故的应急处理构筑物。
改造后的净水工艺流程见图5。
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3．3改造系统组成
3．3．1预处理系统
因为原有管道无法加装自清洗过滤器，原有丁艺构筑物无法加装自动格栅，因此只能在絮凝池出口自制2套半自动格栅。格栅孔径为5 mm，虽然可以有效去除原水中较大漂浮物而保护膜丝，但极小的鱼虾或鱼虾的卵依然可以穿透该孔径的格栅，并在膜池中生长，带来膜丝破损的风险，需要在生产中采取其他措施进行控制。
3．3．2产水系统
超滤系统设计产水能力为2．5万m3／d，分为10组，为方便检修起吊，每组分为2个膜单元，每个膜单元由52帘海南立升公司的LJ1E-2000一v160型PVC超滤膜组件组成，每个膜组件的有效过滤面积为35 m2，超滤膜组件规格参数见表3。膜的设计通量为32 L／(m2·h)，过滤周期为1～3 h。为了利用膜池与清水池最高水位之间3．2 m的水头，在膜池旁边增设容积为50 m3产水渠，一年中的大部分时间都可以虹吸出水。产水渠中超滤后的水，通过管道经加氯消毒自流到清水池中。并且，在产水渠中安装了2台流量为1 250 ITl3／h的变频潜水轴流泵，在水温极低的条件下，可以保证产水量。
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3．3．3物理清洗系统
由于膜表面或膜孔内吸附、沉积污染物造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特征的不可逆变化现象。控制膜污染对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。因此超滤膜每运行一段时间需进行反洗，阻止膜污染的进一步加剧。该系统设置了3台(2用1备)流量为160 m3／h的潜水泵，2台(1用1备)流量为387 Nm3／h的罗茨风机。实践表明气水反洗的物理清洗方式，对于减轻膜污染具有良好的效果。
3．3．4化学清洗系统
控制物理性不可逆污染，对降低长期运行膜水厂的运行成本特别重要。物理性不可逆污染采用物理陛清洗的方法无法去除，只能采用化学性清洗的方法。在该系统中，根据清洗药剂、方式的不同，化学清洗又分为维护性化学清洗和恢复性化学清洗两种。
3．3．4．1维护性化学清洗系统
维护性化学清洗是为了延缓超滤膜的深层污染，延长恢复性化学清洗周期。根据设计，超滤膜在运行过程中(7～14 d)应进行维护性清洗。因此，设置了2台35 m3／h的变频离心泵，1台次氯酸钠加药泵，并在水管和药管上均设置了流量计，根据膜污染情况对加药浓度进行调节。
3．3．4．2恢复性化学清洗系统
超滤膜运行一段时间(3～6月)后，单纯的曝气、水力反洗和维护性化学清洗已经很难清除污染物，需要进行恢复性化学清洗，为了避免恢复性化学清洗造成短时产水量的大幅下降，系统采用离线化学清洗。即化学清洗时，将需要化学清洗的膜单元移至离线化学清洗池，用备用膜单元替换进行产水，基本不影响正常生产。
化学清洗由盐酸清洗、氢氧化钠和次氯酸钠清洗两个过程组成。系统设离线化学清洗池4座，根据三种药剂酸、碱、次氯酸钠分别配置3个储药罐和3台加药泵。为了提高恢复性化学清洗效果，还设置耐酸碱循环泵2台，化学清洗时进行药液循环。
为了尽可能充分利用化学药剂，减少化学药剂的排放，该系统还有2台转移泵，可将酸或碱的溶液转移到其他池子，重复利用。考虑到化学清洗的时间较长，运行过程较复杂，恢复性化学清洗系统使用了70余个气动阀门，通过PLC控制实现全自动清洗。
3．3．5完整性检测系统
为了使膜成为隔离病原体和其他颗粒物质的一道有效屏障，超滤膜系统必须具有完整性。在运行过程中，证明这道屏障的完整性尤为关键。膜完整性测试方法分为直接测试和间接测试，其中直接法以压力衰减测试，间接法以浊度监测和颗粒计数监测应用最广[3]。在该系统中，设计了以泡点原理为基础的压力直接完整性测试系统和以HACHPCX2000颗粒计数仪、HACH FT660激光浊度仪为基础的间接性完整测试系统。运行中，例行监测出水浊度和颗粒数组合判断膜的完整性，另外周期性地进行压力衰减法的直接完整性检测，如果压力衰减值大于标准值，则通过气泡法对破损位置进行定位，及时修补。
3．3．6在线监测系统
在线监测系统由10台产水流量计，1台水洗流量计，1台曝气流量计，16个压力变送器。2台水位仪，1台温度传感器，l台颗粒计数仪，1台激光浊度仪组成。为了降低工程造价，该系统设计了对lo组超滤膜分别进行监测的巡检系统，将水样送入颗粒计数仪、激光浊度仪中，监测膜系统出水水质。
3．3．7自动控制系统
自动化系统是以“SIEMENS S7～300”过程控制为基础的集散型控制系统。控制网络采用基于IEE 802．3标准的全双工100 Mbps快速光纤以太环网，传输介质采用多模光缆。监控系统平台软件选用美国Wonderware公司的InTouch 9．0软件。自控系统根据生产过程工艺仪表采集到的数据，生产中设备运行的状态信号和电气数据以及化验数据和其他信息等，协调和管理全厂生产运行，打印生产报表、绘制趋势曲线图，报警及事件记录。监控系统平台软件生成生产工艺流程实时动态图，给生产值班人员提供清晰、友善的人机界面，生动形象地反映生产工艺流程的实时数据、完成报警、历史数据、历史趋势曲线的存储、显示和查询。生成各类生产运行管理的班报、日报、月报和年报表。
4 改造后的运行情况
芦泾水厂提标改造膜丁程2009年6月开工，边生产边改造，仅用15天时间停水对接，12月投产运行，与另一组常规工艺勾兑出水，出水水质达到新国标要求，出厂水浊度在0．6 NTU以下，达到了改造的预期目标。超滤膜系统电耗为6 kW·h／103 m3，产水率达98％以上，每2周一次的维护性清洗效果较好，未进行化学清洗，采用虹吸出水，TMP20小于26kPa(见图6)，距极限值还有较大余量，设计产能为2．5万m3／d，扣除反洗水量后的实际产水量超过2．5万m3／d(见图7)。
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4．1 超滤工艺的出水水质
超滤工艺出水水质达到设计要求，其中出水浊度＜0.05NTU（见图8），颗粒数＜20/mL(见图9）。其他主要出水指标见表4。
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4．2 运行成本分析
该提标改造工程运行以后，对该系统增加的费用进行了测算。超滤膜系统单位水运行成本仅增加0．12元／m3(电费按0．7元／(kW·h)计算)，即电费(主要是反洗和曝气的电耗，利用原有T艺3 m工作水头的电耗未计入)0．004元／m3，设备折旧0．11元／m3(包括超滤膜的5年更新费用)，药剂费(维护性和恢复性化学清洗用药)0．005元／m3。如果使用抽吸泵，运行成本还将会增加0．02元／m3，但该系统投人运行至今约6个月，尚未使用抽吸泵。
5改造工程特点
5．1工艺特点
采用混凝一超滤的短流程工艺，简化了工艺流程；超滤膜采用低通量、低跨膜压差的运行方式，减轻了膜污染；同一膜池内分单元运行的方式具有较强的抗冲击负荷能力，不但减轻了膜污染，而且在不增加构筑物和设备的情况下运行中的膜回收了膜反洗水，整套系统具有较高的产水率(98％以上)。
5．2运行特点
利用成熟的自控技术实现产水、反洗、化学清洗和完整性检测等运行过程的全自动，有效减轻值班人员的劳动强度；工艺运行参数可在InTouch 9．0软件中设定，生产报表、运行数据由计算机软件自动记录并输出，方便对该系统进行监测、分析和管理；短流程处理工艺使用的设备相对较少，维护保养工作量也相对较轻。
5．3经济特点
遵循价值T程理念，以水厂提标改造功能需求为出发点，对所需的功能进行分析，系统地研究了功能与成本之间的关系，充分利用超滤膜的特性解决了实际的问题。在改造工程中，充分利用原有工艺构筑物和丁作水头，占地面积少无征地成本，改造费用(约400元／m3和运行费用(增加0．12元／m3)均较低。
6存在问题及后续研究
改造工程运行到现在已有半年时间，期间通过例行的反洗和两周一次维护性清洗，并未进行化学清洗，使超滤膜的污染程度维持在较低的水平，已经取得了一定的突破。但是由于该类型的改造并无先例，且改造很大程度上受制于原有构筑物和场地，该提标改造1=程难免存在一些问题，因此还将继续开展后续研究并提出对策。
(1)混凝一超滤的短流程工艺中，混凝的作用极其重要，研究最适用于长江水源水质条件和PVC超滤膜的混凝剂与最优投加量对该工艺的应用推广具有重要的意义。
(2)膜污染程度在生产运行中尤其值得重视。对于水厂来说，这不仅关系到运行成本，还关系到产水量。但膜污染是超滤膜运行过程中无法避免的，因此控制膜污染程度，进而减少清洗尤其是化学清洗的频率是十分重要的。研究膜污染的形成机理就成了控制和减少膜污染的一项重要课题。
(3)化学清洗是控制膜污染的必要手段。但是重复的化学清洗可能会减少膜的寿命，并且处理用过的化学药剂是另一难题。因此研究化学清洗的最优方法、最优药剂，甚至开发新型药剂均是后续研究中的重要组成部分。
(4)完整性检测是保证水质的一项重要措施。
虽然目前有很多完整性检测的方法，但是在生产中运用则需进一步研究。
(5)超滤膜工艺运行时物理清洗较常规工艺频繁得多，对水泵、鼓风机、阀门都有极高的要求，而且一旦物理清洗系统不能运行，超滤膜系统就不能长时间运行(超过24 h都将是极大的考验)，因此尤其需要重视各种电气、自控、设备的维护保养。
(6)混凝一超滤的短流程工艺在处理长江水时与传统工艺相比具有较大优越性，但对有机物的去除效果有限。为了更好地应用超滤膜工艺，对短流程的超滤膜水厂来说，应该考虑开展各种组合工艺去除有机物的研究。
(7)需继续观察长期运行中水生动物对浸没式超滤膜侵害的潜在危险。
(8)由于超滤膜系统与常规工艺系统运行有很大区别，运行管理不仅复杂而且经验不足，因此运行管理维护规章制度的建立健全需进一步深入研究。
7 结语
半年来，芦泾水厂提标改造膜丁程运行简单、经济、稳定，出水水质优良。采用常规工艺与超滤膜工艺出水勾兑的方法，既达到了供水标准，又降低了运行成本。低通量、低跨膜压差、同一膜池内分单元运行的运行方式对于减轻膜污染具有良好效果。适合于水厂长期、稳定、低费用的运行。该技术不仅适用于新建水厂，而且特别适用于老水厂的提标改造。但这只是一项新技术在工程中应用的尝试与创新，应充分利用现有的系统深入开展后续研究，为今后其他大型水厂的提标改造储备技术和奠定基础。
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