何壽平，張國宇，肖 峰，肖 萍

(1. 中國水網(wǎng)，北京 100086;2. 京金澤環(huán)境能源技術(shù)研究有限公司，北京 100101;3. 中國科學(xué)院水資源生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085)

國內(nèi)外專家明確了超濾技術(shù)將為提高飲用水的生物安全性提供可靠的保障［1-3］。李圭白院士提出了“以超濾為核心的第三代凈化工藝”將使城市飲用水凈化工藝產(chǎn)生重大變革［4］。超濾膜在過去的幾十年里得到廣泛的應(yīng)用和推廣［5，6］。

“以超濾技術(shù)為核心的第三代凈水工藝”不是各種凈水處理技術(shù)簡單的疊加，而是將進(jìn)入超濾原水的前處理和充分利用超濾的技術(shù)特性緊密結(jié)合起來。將前處理(包括絮凝、微污染深度處理等)、超濾、濾餅富集濃縮絮體、回收物理清洗水、排泥等集合在一個工藝系統(tǒng)內(nèi)(簡稱短流程)，從而實(shí)現(xiàn)了出水生物安全的可靠和工藝系統(tǒng)的泥量平衡，切實(shí)體現(xiàn)了“以超濾技術(shù)為核心的第三代凈水工藝”的論斷［7］。

1 短流程凈水工藝

短流程凈水工藝如圖1 所示。

圖1 短流程凈水工藝示意圖Fig.1 Schematic of Shortened-Water-Process

2 試驗(yàn)

2.1 中試試驗(yàn)

南通蘆涇水廠為適應(yīng)新飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，擬采用超濾技術(shù)進(jìn)行改造。于2008 年進(jìn)行了超濾凈水工藝為期一年的中試。中試裝置產(chǎn)水能力為1 600 m3/d。研究內(nèi)容包括同一膜池分膜單元運(yùn)行的技術(shù)參數(shù)和變通量運(yùn)行對膜污染的影響;工藝系統(tǒng)內(nèi)自行消納回收物理清洗水的可行性;絮凝水直接進(jìn)膜的運(yùn)行效果。

中試結(jié)果表明超濾膜可以替代常規(guī)工藝中沉淀和過濾功能，并實(shí)現(xiàn)自行回收物理清洗水。

2.2 生產(chǎn)性試驗(yàn)

蘆涇水廠(如圖2)25 000 m3/d 生產(chǎn)性試驗(yàn)改造工程于2009 年啟動，將原有一組斜管沉淀池按短流程進(jìn)行改建。

絮凝后的水經(jīng)細(xì)格柵直接進(jìn)入膜池，如圖3 所示。膜組件分成10 個可以單獨(dú)進(jìn)行物理清洗的膜單元。采用均分物理清洗周期，依次對膜單元進(jìn)行清洗的變通量運(yùn)行。并在系統(tǒng)內(nèi)自行回收物理清洗水。清洗出的濾餅顆粒在重力作用下沉降、濃縮后定時排出。采用離線方式對超濾膜進(jìn)行恢復(fù)性化學(xué)清洗。

圖2 蘆涇水廠圖Fig.2 Schematic of Lujing Water Treatment Plant

圖3 超濾膜池構(gòu)筑物Fig.3 Schematic of Ultrafiltration Cell Structure

(1)設(shè)計運(yùn)行參數(shù)

10 個單元的中空纖維簾式超濾膜組件。設(shè)計通量為30 L/m2·h;跨膜壓差控制在3.2 m 以內(nèi)(系原有工藝系統(tǒng)內(nèi)的工作水頭);物理清洗周期為1.5 h;物理清洗歷時為1 ～1.5 min;物理清洗水強(qiáng)度為60 ～90 L/m2·h;清洗曝氣強(qiáng)度為60 L/m2·h(投影面積);系統(tǒng)排泥周期為3.0 h;系統(tǒng)產(chǎn)水率為98%以上(若扣除原有沉淀池的排泥水量，則超濾部分的產(chǎn)水率可以認(rèn)為達(dá)到了100%);在線維護(hù)性清洗周期為14 d;離線恢復(fù)性清洗周期為4 ～6 個月。

系統(tǒng)運(yùn)行4 年表明工藝設(shè)計達(dá)到了預(yù)期效果。出水濁度在0.05 NTU 以下，大大提高了水質(zhì)的生物安全性。停止運(yùn)行閑置下來的虹吸濾池，將來擬作為突發(fā)性水質(zhì)污染的應(yīng)急處理構(gòu)筑物。系統(tǒng)產(chǎn)水率達(dá)98%以上。由于使用低跨膜壓差操作，運(yùn)行費(fèi)用較低，主要來自清洗藥劑費(fèi)用、電費(fèi)和膜的折舊費(fèi)用(以5 年折舊計算)，項(xiàng)目每立方米產(chǎn)水比常規(guī)工藝費(fèi)用僅高0.087 1 元。

(2)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題

設(shè)計方案對原斜管沉淀池進(jìn)行改造，保留了原有斜管沉淀池的中心傳動刮泥機(jī)，因此無法將10 個膜單元分別進(jìn)行在線化學(xué)清洗?；謴?fù)性化學(xué)清洗只能采用離線方式進(jìn)行，操作比較麻煩。

膜組件采用整體式框架結(jié)構(gòu)，若發(fā)現(xiàn)某一膜簾斷絲、封膠泄漏，必須將整個膜組框架吊離，進(jìn)行維護(hù)、維修，操作頗為困難。

3 短流程與常規(guī)工藝的比較

短流程充分利用超濾技術(shù)的特性，超濾替代了常規(guī)工藝中的沉淀和砂濾，生物安全性大為提高。與其他膜處理工藝相比，短流程節(jié)省了建設(shè)或改造費(fèi)用，大大節(jié)省了占地，解決了原有水廠改造無空置地塊的問題。絮凝只要反應(yīng)充分，絮體無需很大，節(jié)約了投加的混凝劑費(fèi)用，也減少了泥量和降低了化學(xué)物質(zhì)污染的幾率。兩種工藝的對比如表1 所示。

表1 短流程與常規(guī)工藝的對比Tab.1 Comparisons between Shortened-Water-process and Traditional Process

4 短流程的系統(tǒng)特點(diǎn)

絮凝水直接進(jìn)行超濾，超濾膜承擔(dān)了過濾和在膜表面富集濃縮絮體的雙重功能，在一定條件下替代了常規(guī)工藝中的沉淀和砂濾，并大大提高了出水水質(zhì)的生物安全性。

絮凝水直接進(jìn)行超濾，絮凝階段只要有清晰界面的絮體即可，絮體的成長則通過膜表面的富集濃縮，使之形成較原有絮體更大的濾餅，清洗后在重力作用下沉降。

采用低通量、低跨膜壓差的運(yùn)行方式，無需額外增設(shè)提升泵，節(jié)約能耗，更適用于對原有水廠凈水工藝的改造。如對原有水廠工藝采用超濾技術(shù)進(jìn)行改造時，可以充分利用沉淀池與清水池的水位差(一般情況下在3.0 m 左右)。超濾膜產(chǎn)水僅靠系統(tǒng)中原有的水頭即可運(yùn)行，這樣可以避免使用提升泵或抽吸泵來提高運(yùn)行水頭，在保證產(chǎn)水量的前提下節(jié)約能耗。

采用在同一跨膜壓差的膜系統(tǒng)內(nèi)多膜單元并列運(yùn)行，均分物理性清洗周期的變通量運(yùn)行方式?；竞愣▽Τ瑸V膜的滲透壓，減輕了對膜的深度污染，保證了超濾膜抗污染性能的穩(wěn)定。

在多單元的處理系統(tǒng)內(nèi)，某膜單元物理清洗出帶濾餅顆粒的反洗水，通過正在運(yùn)行的其他膜單元予以回收，大大提高了系統(tǒng)產(chǎn)水率。

膜表面富集絮體形成的濾餅清洗脫離膜表面后，在較為平穩(wěn)的水流環(huán)境下，通過重力作用沉降到污泥濃縮區(qū)加以排除，從而完成了短流程膜系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)出泥量的平衡，確保了膜池在物理清洗過程中不會出現(xiàn)“濃水”，使整個工藝系統(tǒng)得以長時間穩(wěn)定運(yùn)行。

5 短流程的運(yùn)行機(jī)理

沉淀水或?yàn)V后水已經(jīng)將原水中的絕大部分顆粒去除，沉淀水或?yàn)V后水進(jìn)膜的顆粒數(shù)量確實(shí)少了很多，膜運(yùn)行所承受的負(fù)擔(dān)應(yīng)該較輕。而絮凝水絮體較多，經(jīng)膜過濾會不會給超濾膜的運(yùn)行帶來沉重的泥量負(fù)擔(dān)?

就實(shí)際情況而言，以濾后水為例，雖已去除了絕大多數(shù)的顆粒，但留存的細(xì)微顆粒運(yùn)行中在膜表面會形成較薄且密實(shí)的濾餅層，增加了繼續(xù)過濾的阻力，需增加跨膜壓差，或降低膜的通量，將會縮短運(yùn)行周期。物理清洗后，細(xì)微的顆粒分散在水中，無法自行下沉，則會形成“濃水”，不利于繼續(xù)正常運(yùn)行，只能排除。

通過試驗(yàn)和實(shí)踐證明，絮凝水的絮體具有活性，即使?jié)岫容^高，只要充分反應(yīng)(形成的絮體不一定很大)，超濾過程中水被濾過，而具有一定透水性的絮體全部被截留在膜的表面形成濾餅層。保持一定活性的濾餅層可以吸附后續(xù)的絮體，形成更為厚重的濾餅，相比之下，絮體進(jìn)膜的運(yùn)行周期得以延長。這與絮凝過程必須通過顆粒相互碰撞使絮體不斷成長的機(jī)理出現(xiàn)了不一樣的后期濾膜“富集濃縮絮體”的過程，從而保證了清洗下來的濾餅顆粒“大而重”，具有良好沉降特性。因此，短流程絮凝水進(jìn)膜運(yùn)行，整個系統(tǒng)只排“泥”，不排水，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)出泥量的平衡。由于膜池內(nèi)不產(chǎn)生“濃水”，所以工藝系統(tǒng)能夠得以長時間的穩(wěn)定運(yùn)行。

5.1 短流程運(yùn)行的絮體進(jìn)膜的機(jī)理

利用掃描電鏡對兩種工藝的膜表面和截面進(jìn)行了分析，如圖4 所示。

砂濾水進(jìn)膜，殘留的細(xì)微顆粒很小也很少。這些細(xì)微顆粒被膜截留，在膜的表面形成較薄但又較為密實(shí)的濾餅層，細(xì)微顆粒進(jìn)入膜斷面內(nèi)引起深層污染。物理清洗出的細(xì)微顆粒分散且穩(wěn)定，懸浮在水中無法靠重力作用下沉，形成了“濃水”［7，8］。若不排除，膜池內(nèi)水體中的顆粒將會不斷增加而無法繼續(xù)運(yùn)行。

圖4 膜表面和截面照片F(xiàn)ig.4 SEM Analysis of Surface and Cross-Section Membrane

絮凝水中的絮體全都被浸入式中空纖維超濾膜截留在膜絲表面，形成具有一定透水特性的濾餅層。保持活性的濾餅層凝聚吸附后續(xù)的絮體，形成較為厚重的濾餅。物理清洗時，濾餅從膜表面脫落，在重力作用下沉降［7-9］。圖5 為短流程膜在不同階段的實(shí)物照片。由圖5 可知運(yùn)行中膜池水面清澈，而物理清洗時水面較渾濁，清洗結(jié)束池內(nèi)顯現(xiàn)出比進(jìn)水絮體大的絮體顆粒能夠很快下沉，膜池內(nèi)水濁度下降。

圖5 短流程運(yùn)行中膜池Fig.5 Membrane Module in Shortened-Water-Process

人們對絮體結(jié)構(gòu)與濾餅阻力的關(guān)系已經(jīng)形成了一定的認(rèn)識，以Guan 等［10］提出的改進(jìn)的Carman-Kozeny 方程如下:

濾餅比阻抗(αc)理論上會隨著絮體分形維數(shù)(dF)的增大而增加，隨著絮體粒徑(da)的增大而減小。Choi 等［11］研究發(fā)現(xiàn)高腐殖質(zhì)含量地表水混凝所形成的絮體，具有較低絮凝指數(shù)FI 值，較高的分形維數(shù)dF，較小的絮體粒徑，同時較低腐殖酸含量水混凝所形成的絮體，其所形成的濾餅比阻抗更高，也更易壓縮。Barbot 等［12］報道稱絮體抗剪切的能力越強(qiáng)，相應(yīng)的膜通量也越大，這也是絮體進(jìn)膜物理清洗周期較長的原因。

5.2 短流程運(yùn)行的泥量平衡機(jī)理

超濾屬物理篩濾，沉淀、過濾后的水所存留的細(xì)微顆粒，經(jīng)膜處理被截留下來，在膜表面形成較薄且密實(shí)的濾餅層，物理清洗后則會增加膜進(jìn)水側(cè)的懸浮固體濃度。該濃度以體積濃度因子VCF表示(如式(2))，即膜進(jìn)水側(cè)懸浮固體濃度與膜過濾進(jìn)水懸浮固體濃度的比率［13］。常規(guī)膜處理工藝若不排除“濃水”，VCF會隨著物理清洗次數(shù)增加越來越高，將使整個系統(tǒng)難以為繼。

其中VCF——體積濃度因子(無量綱);

Cm——膜進(jìn)水側(cè)懸浮固體濃度(數(shù)量或質(zhì)量/體積);

Cf——膜系統(tǒng)進(jìn)水的懸浮固體濃度(數(shù)量或質(zhì)量/體積)。

短流程運(yùn)行中，在膜過濾和膜表面富集絮體的雙重作用下，物理清洗下來的濾餅顆粒大且易于沉降。清洗后絕大部分的顆粒會以比原來“絮體”還要大的形態(tài)出現(xiàn)在水中，在相對靜止的狀態(tài)下沉降到污泥區(qū)，濃縮后排除。少量破碎了的顆粒在超濾回收過程中被其他膜表面的濾餅層吸附。此時系統(tǒng)內(nèi)的VCF保持在略大于1。整個系統(tǒng)排除的泥量相當(dāng)于原水進(jìn)入膜池的泥量(懸浮顆?？偭?，從而完成了在膜系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)出泥量的平衡，因此不會因膜單元的反復(fù)進(jìn)行物理清洗并在自行消納回收物理清洗水的情況下出現(xiàn)“濃水”。

5.3 短流程的變通量運(yùn)行

采用同一跨膜壓差下，均分物理清洗周期，屬變通量方式運(yùn)行，如圖6 所示。運(yùn)行中膜的滲透壓在較小的范圍內(nèi)波動，有利于減輕膜的深層污染。

6 短流程的應(yīng)用要點(diǎn)

采用低跨膜壓差、大通量，具有良好抗污性能的超濾膜，有利于延長運(yùn)行周期。

圖6 短流程變通量運(yùn)行膜通量與跨膜壓差的對應(yīng)曲線Fig. 6 Relationship between Flux and TMP under Variation FluxOperation

應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)和超濾膜性能，通過試驗(yàn)獲取設(shè)計和運(yùn)行參數(shù)，并提出與之相適應(yīng)的前處理方案。

絮凝系短流程前處理的必備手段。絮體的大小對膜過濾并不重要，只要水中的界面清晰具有一定的活性即可，可以節(jié)約混凝劑的耗用，減輕化學(xué)物質(zhì)的污染。

短流程采用多膜格、多膜單元在同一跨膜壓差下并列變通量運(yùn)行，能夠有效地緩解物理清洗及回收清洗水對膜系統(tǒng)處理水量負(fù)荷的沖擊。

膜系統(tǒng)進(jìn)水及物理清洗時，應(yīng)盡可能防止在膜組件和膜池內(nèi)產(chǎn)生劇烈紊流，以免影響物理清洗出來泥餅顆粒的沉降。

為防止漂浮物和雜物進(jìn)入膜池，在絮凝池出口需設(shè)置普通除污格柵。

管路系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)盡量降低沿程和局部水頭損失，以節(jié)約運(yùn)行能耗。

考慮到運(yùn)行溫度對超濾膜通量的影響，在水廠系統(tǒng)設(shè)計時可考慮采用調(diào)整清水池的水位來變化跨膜壓差，滿足產(chǎn)水量的要求，并節(jié)約能耗。

短流程可以直接在工藝系統(tǒng)內(nèi)自行消納回收物理清洗水，提高系統(tǒng)產(chǎn)水率，省卻了額外設(shè)置的回用設(shè)施。

7 短流程的運(yùn)行

由于超濾屬物理篩分，去除不了小分子和溶解性物質(zhì)，因此應(yīng)根據(jù)對原水水質(zhì)試驗(yàn)的結(jié)果，采取針對超濾膜特性的前處理手段(包括絮凝、生化處理、氧化、活性炭吸附等等)尤顯重要。

當(dāng)膜系統(tǒng)裝置的硬件固化以后，運(yùn)行管理(軟件)則變得極為重要，所以必須根據(jù)實(shí)際運(yùn)行效果，不斷探索、優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)。

當(dāng)進(jìn)水量產(chǎn)生較大波動時，應(yīng)自動根據(jù)膜池水位調(diào)整物理清洗周期，防止出現(xiàn)膜池溢流或水位降低，將膜絲露出水面。

研究探討提高物理清洗和維護(hù)性化學(xué)清洗效果，盡可能延長恢復(fù)性化學(xué)清洗的周期，可以減輕恢復(fù)性化學(xué)清洗過程中高濃度清洗藥劑對膜的損傷，以延長超濾膜的使用壽命。

物理清洗時應(yīng)注意避免已經(jīng)脫離膜表面的濾餅顆粒受到劇烈沖擊。雖然一些被沖散的濾餅顆?？梢酝ㄟ^與源源不斷進(jìn)入的絮體進(jìn)行二次絮凝，或被膜表面的仍具活性的濾餅層吸附，但仍應(yīng)通過調(diào)整物理清洗參數(shù)，盡可能地減少此類現(xiàn)象的發(fā)生。

8 短流程應(yīng)用中的問題及思考

浸沒式簾子膜組件在短流程應(yīng)用中，膜簾下方的死角易產(chǎn)生積泥現(xiàn)象。采用膜絲上方單向出水，膜絲下方為自由端的柱狀膜元件，可以有效防止膜間積泥，如圖7 所示。

圖7 柱狀膜組件Fig.7 Module of the columnar membrane

整體組裝的膜箱如出現(xiàn)膜斷絲或封膠問題，需將膜箱整體吊出進(jìn)行維護(hù)或維修，操作較為麻煩。若對膜系統(tǒng)和膜單元進(jìn)行整合優(yōu)化設(shè)計，既保持膜系統(tǒng)在同一跨膜壓差下分單元運(yùn)行，又可以對出現(xiàn)問題的膜元件，定向在小范圍內(nèi)進(jìn)行拆卸、維護(hù)和維修，不會對系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生大的影響，將有利于運(yùn)行管理。

化學(xué)清洗(包括維護(hù)性清洗和恢復(fù)性清洗)采用離線清洗操作工作量大，拆卸、起吊均比較麻煩。在線清洗可以實(shí)現(xiàn)自動控制操作，運(yùn)行管理較為方便，但系統(tǒng)內(nèi)所有的膜格必須進(jìn)行全方位的防腐處理，需分別對各個膜格配置全套的化學(xué)清洗管道和閥門，且清洗藥劑消耗量較離線清洗大。

目前超濾膜的完整性檢測較為麻煩。采用間接檢測產(chǎn)水濁度、水中顆粒數(shù)及直接氣檢相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)自動檢測，并提供圖像定位，能夠迅速對出現(xiàn)損傷的膜元件進(jìn)行維修，將會大大提高運(yùn)行管理水平和工作效率。

9 結(jié)語

超濾作為第三代凈水工藝的核心技術(shù)，是凈水工藝的進(jìn)步，為水質(zhì)的生物安全可靠性提供了保障。

短流程是超濾技術(shù)在凈水工藝應(yīng)用方面的創(chuàng)新。在一定條件下替代了沉淀、砂濾，并在工藝系統(tǒng)內(nèi)自行回收物理清洗水，是一條體現(xiàn)第三代凈水工藝的新型技術(shù)路線。

短流程的應(yīng)用雖然取得了一些成果，仍需不斷地深入探討，特別是針對超濾的前處理技術(shù)的研究，去除原水中的小分子有機(jī)物，提高超濾的抗污性能尤顯重要!

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