浸没式超滤膜在自来水厂中的大规模应用——北京市第九水厂应急改造工程.pdf

城镇供水 浸没式超滤膜在自来水厂中的大规模应用 北京市第九水厂应急改造工程 徐扬 刘永康 陈克诚 泰佳 杨杨 北京市自来水集团有限责任公司 北京1 0 0 0 3 1 摘要 近年来 面对城市用水需求的不断增长及原水水质的变化 北京市自来水集团率先采用浸没式超 滤膜技术 对水厂滤池反冲洗水进行单独处理 以达到提高供水水质安全性 增加供水能力的目的 关键词 超滤膜 浸没式膜 滤池反冲洗水 1 前言 在城市用水需求不断增长 原水水质日益多变 的今天 如何更为科学地调整工艺处置方式 使其 能应对越来越复杂的多水源调水局面 并符合越来 越严格的饮用水卫生标准 是时代赋予给水行业的 挑战 北京市自来水集团坚持内涵式科学发展的道路 在少水中增水 的工作思路 着眼现有水厂的内部 挖潜改造 投资7 0 0 0 余万元 采用浸没式超滤膜技 术处理滤池反冲洗水 并将膜出水接人九厂现有活 性炭滤池 以达到提高供水水质安全性 增加供水 能力的目的 目前 超滤膜技术尚未在国内给水领域普遍应 用 已知案例皆为使用膜技术处理原水的工艺 且 处理水量不大 本工程设计处理水量为7 万m d 水源为滤池反冲洗水 在处理过程中需要采取多种 措施以降低回流水中富集的大量污染物 前端投加 絮凝剂及预处理药剂 增加刮泥设备等 保证出厂 水水质能够达到G B 5 7 5 0 2 0 0 6 的标准 因此 此项工程无论从核心技术的使用还是从 处理水量来说 都处于全国领先水平 2 工程背景 伴随着水源水质的不断污染和饮用水水质标准 的不断提高 使得采用混凝 沉淀 过滤和消毒流 程的常规水处理工艺很难满足新的饮用水水质要求 与此同时 我国有9 5 以上的自来水厂使用传统工 6 城镇侯水增刊7 1 1 1 1 艺 在浊度 藻类 细菌 病毒 消毒副产物等方 面存在诸多问题 以超滤膜为核心技术的自来水净化工艺 被业 内专家誉为 第三代城市饮水净化工艺 该工艺具 有以下优点 一是完全截留水中藻细胞 使水质在 夏秋季节不出现异臭 口感良好 二是完全截留水 中的病原性细菌 消除水源性传染病 保障饮用水 的生物安全性 该工艺还可以减少净水过程中消毒 剂的投加量 降低自来水氯消毒的副产物 北京市第九水厂经过几年来的改造 处理能力 已达1 6 4 万m 3 d 其中一 三期各为5 0 万m 3 d 二期为6 4 万m 3 d 已暂无挖潜能力 目前 九厂 一 二 三期煤滤池 活性炭池反冲洗水以及排泥 池上清液均进入一期回流水池 经提升泵送至一期 机械加速澄清池进行处理 水量约7 万n 1 3 d 对一 期处理工艺冲击较大 降低了一期处理构筑物的供 水安全性 滤池冲洗求 一L 羔婴i 至 劐 I 二塑逗鱼苎 解If 上撇 搏泥水一圃坚固一圃一匦网 呢饼外运 鉴于上述问题 将滤池反冲洗水单独处理 不 但可以减少对一期处理工艺的冲击 还可以为第九 水厂增加7 万m 3 d 的供水能力 此项工程命名为北 一 揣孕 城镇供水 京市自来水集团有限责任公司第九水厂应急改造工 程 拟采用浸没式超滤膜工艺 将滤池反冲洗水单 独处理 结合九厂实际情况 在三期回流泵房北侧 建设集团式膜处理车间及加药间 供水规模7 万 m 3 d o 3 中试试验 按照第九水厂应急改造工程项目的进度安排 中试试验组于2 0 0 9 年l O 月1 9 日成立 针对工程需 要进行试验 试验以一 二 三期煤砂滤池 活性 炭池反冲洗水为原水 在混合池投加混凝剂与预处 理剂 经混合絮凝后进入超滤系统 3 1 试验流程 本实验采用由成都市信高工业设备安装责任公 司提供的超滤 沉淀池工艺一体化的浸没式超滤膜 试验设备 膜处理池上端放置中空纤维超滤膜 对 絮凝出水进行过滤 下端做为沉淀池 收集自然沉 淀的絮体及反洗中自膜丝外表面脱落的附着物 超 滤产水进入产水箱 供系统反洗使用 如下图所示 3 2 运行参数 本试验采用海南立舁净水科技实业有限公司提 供的中空纤维超滤膜 技术参数为 超滤膜系统技术参数 I P V C 合金1 0 0 1 岬1 2 8 0m 21 3 0L M H l 8 4 t h6 0 r a i n9 5 I q 3 3 出水水质检测 3 3 1 超滤膜工艺对浊度的去除 旋1 t J 乏冲洗术 厂 一 圜呕H 巫H 圃 Il l f f i l o 沈木1 1 为肠l 农 4 1 处斥 j 建入产术l t l I 互冲 l 溅o 5 m 3 由图可见 运行一段时间后出水浊度趋于稳定 1 0 0 小于0 2 N 1 I U 9 5 9 小于0 I N T U 上图所用 数据采集于台式浊度仪检测结果 该浊度仪量程为 0 枷N T U 且受装载水样的玻璃容器清洁度的影 响 检测低浊度的超滤出水时误差较大 试验中配 备在线浊度仪 量程O I O O N T U 且不需要检测容 器 直接检测流动的超滤出水 在检测低浊水方面 相比传统台式浊度仪误差更小 试验中在线浊度仪 表征读数基本在0 0 2 0 0 4 N T U 之间 州缆 雹 一 甜吖嗍嘲 黪鼍 舅 才 C I T Y A N DT O W NW A T E RS U P P L Y 3 3 2 超滤膜系统对粒度的去除 粒径 2 0 m3 t x m5 t i m7 p m l O p m1 5 1 J o i n2 0 p s n 2 5 1 x m 原水 1 8 9 3 3 1 6 4 3 3 l 1 0 4 88 6 4 25 0 2 32 3 1 57 5 62 6 7 膜进水2 1 4 8 9 2 0 1 5 21 6 6 5 5 1 4 7 1 31 1 0 6 5 7 0 6 73 7 2 51 9 4 5 膜出水 5 8 74 2 11 7 51 0 84 31 8 7 3 去除率9 7 3 9 7 9 9 8 9 9 9 3 9 9 6 9 9 7 9 9 8 9 9 8 膜出水浊度分布图 I j瓯 j 山一兹Q LJ 4 7 啊职 r T 一一v 一 w I yr 一 检测频次 由图可见 2 p m 3 t t m 5 p a n 7 p a n l O p a n 1 5 p m 2 0 p a n 和2 5 p m 各粒径级去除率均高于9 7 结合细菌和藻类的性状及出水检测结果证实 超滤 膜系统对细菌和藻类有良好的截留效果 3 3 3 其他水质检测项目去除率 I 检测项目 细菌总数总铁锰铝藻类耗氧量 T O C l 平均去 l 9 7 5 9 9 79 6 95 2 43 9 8 l 除率 经多次检测发现 超滤膜对细菌总数 藻类 总铁 铝去除效果明显 对有机物也有5 0 左右的 去除率 而对锰基本上没有去除 3 4 试验小结 试验中以浸没式超滤膜处理反冲洗水 系统运 行稳定 出水水质良好 其中浊度1 0 0 小于 o 2 N T U 9 5 小于0 1 N T L I 细菌总数乎均去除率 为1 0 0 藻类平均去除率为9 6 9 系统反洗周 期为6 0 r a i n 每次反洗后排泥0 1 5 m 3 产水率高 达9 7 6 4 生产应用 4 1 工艺流程 本工程整体构筑物分为可独立运行的两组 每 组由l 座混合池 2 座絮凝池 2 系列可独立运行的 膜池组成 每系列膜池设3 个膜格 1 个膜格安装6 套膜组件 单系列膜池下部相通并安装刮泥机 可 作为沉淀池使用 滤池反冲洗水经潜水泵提升至膜处理车间 视 水质情况在混合池投加三氯化铁 次氯酸钠 高锰 城镇供水增刊2 1 1 1 17 6 5 4 3 2 l O O O O O O n N 酸钾 粉末活性炭等净水药剂 原水经充分的混合 和絮凝后 从絮凝池出水堰跌落 进入膜池 在抽 吸泵的抽吸作用下 经过超滤膜净化的膜出水进入 集水支管后汇流至产水干管 并进入九厂三期炭滤 池 其工艺流程如图所示 城镇供水 产水周期 反洗过程中从膜丝外表面脱落的截留物 在水中自然沉淀 由膜池底部往复式刮泥机刮入膜 池北侧泥斗中 通过排泥系统排出 反洗并不能完全清除膜丝污染 超滤系统运行 过程中跨膜压差缓慢增加 因此每运行一定时间 盥蛐 膜池纵剖面示意图 击三角激 媵池平面示意图 水中颗粒物在超滤膜的截留作用下 会逐渐积 累在膜丝的外表面 增大系统的跨膜压差 经过一 定时间系统会停止过滤进行反洗 反洗由水洗和曝 气冲刷两部分组成 同时进行 水洗为超滤产水通 过抽吸泵反向透过膜丝 冲洗附着于膜丝外表面的 污染物 气洗为膜组件底部的曝气系统对上方膜组 进行曝气冲刷 反洗结束后 系统自动进入下一个 8 城镇供水增刊2 0 1 1 系统需进行维护性清洗 通过在反洗过程中向超滤 系统中投加次氯酸钠 并进行短时间浸泡的方式 将上述气水反洗未能有效去除的污染物去除掉 维 护性清洗中次氯酸钠设计投加量为1 0 0 2 0 0 m g L 浸泡2 0 r a i n 整个过程通过P L C 控制 全自动进行 随着超滤系统的长时间运行 膜丝逐渐受到深 层污染 仅仅依靠气水反洗及维护性清洗不足以使 超滤膜性能得到有效恢复 系统运行3 6 个月 需 进行化学清洗 由人工将膜组件吊离膜池 依次放 入酸洗池 碱洗池中进行浸泡 浸泡过程中 膜组 件通过快速接头与化学清洗泵连接 根据程序设定 化学清洗泵正 反向交替运转 使清洗液在膜丝内 部进行反复击打冲洗 配以酸 碱 洗池底部曝气 装置的曝气冲刷 消除膜丝深层污染 化学清洗完成后 酸 碱 洗池中废液需进入 中和池进行废液中和处理 经检测符合国家排放标 准后 方可排放 膜处理车间共安装有7 2 组膜组件 每组膜组件 约含1 9 2 0 0 0 根膜丝 膜丝数量巨大 若有少量断 丝 产水水质变化不明显 且膜组件浸没于水下 人工巡视难以发现 故此系统需定期进行完整性检 测 检查有无断丝 4 2 运行参数 本工程5 C 水温条件下设计水量为7 万m 3 d 水黼艄孕 城镇供水 设计运行通量2 4L m 2h 工程通水运行后水温保 持在2 0 以上 因此运行水量维持在84 万m 3 d 膜通量维持在1 59 3 57L m 2 h 过滤周期 6 0 r a i n 产水率达9 85 而普通膜工艺 非沉淀 式膜池构造 其曦系统回收率一般不超过9 5 须 通过外置集水设备提高系统回收率 本工艺可实现 单格反洗 反洗过程中运行水位不变 膜处理车问正式供水以来 根据实际情况及生 产需要 在保证供水的前提下 不断优化运行参数 具体数据见下袁 i g 2 0 m i1 6 0 3 m i v M 2H d 气水i H 目 一 气时目为9 0 洗木 1 f b 1 i5 0 0 1 1d p t m 清 43 出水水质 膜处理车间正式供永以来 水质监测部门对超 滤膜产水水质一直进行跟踪检测 数据显示 超滤 膜产水各项卫生检测指标均达到我厂滤后木水质要 求 431 超滤膜对水中浊度 藻类 细菌总数的 去除效果良好 如下表所示 使月口 自 但 m 水使月在拽索 有 检m 4 32 其他柱测指标 a 粒度 本工程中使用的超滤膜孔径为0O I m 对粒度 的去除有良好的效果 各粒径缠的去除率均大于 9 55 可有效截留水中藻类 细菌等微生物 如 下图所示 蚤Iiiliil b C O D 超滤膜对C O D 有较好的去除效果 取原水 静 沉2 0 r a i n 的絮凝出水以及超滤出水 分别检测其中 C O D 含量 如下图所示 l 口 可以发现絮凝沉淀对原水中C O D 基本无去除 而超滤膜的截留作用则对C O D 有较好的去除效果 检测中去除率晟高可达7 4 44 存在问题 第九水厂超滤膜池设置为2 鹰 每座处理池与2 格絮凝弛和l 格混合池合建 j 己分为能独立运行的2 组 每组处理弛设3 个下部相通的膜格 上部由挡 墙隔开 共用一个刮泥机 将膜池底部沉淀污泥刮 至北侧泥斗内 絮凝出水通过出水堰跌落 从膜池 底部进人超滤系统 在生产过程中发现 膜池跨膜 压差的增长随距离进水端的远近呈现规律性变化 即距离进水端最近 北端 的膜池跨膜压差增长速 度最慢 中间膜池次之 距离进水端最远 南端 的膜池跨膜压差增长速度最快 随着超滤系统运行 各膜池跨膜压差不均衡增 长愈发明显 长期如此 势必将影响生产 为找出 此现象产生原因及解决办法 工作人员进行了一系 列观察 试验 441 运行过程中发现 在同样的运行参数 孕黼 下 膜丝的污染程度 参照跨膜压差的增长 自北 向南趋于严重 以l 3 5 膜池为例 膜通量在3 2 3 3 L M H 之问时 一个周期内各膜池压力变化情况 1 鞠 翻脯 十反洗 艉内触压差壹化对比 盔盯町即 1 膜池处于进水上游 跨膜压差在一个周期内 变化很小 为1 6 1 8 k p a 3 膜池 处于整个膜处理池的中部 跨膜压差 在一个周期内压力变化较大 为1 8 2 5 k p a 5 膜池处于进水下游 跨膜压差在一个周期内 压力变化很大 为2 2 5 5 k p a 4 4 2 取同一组膜池中3 个膜格 1 3 撑 5 过滤3 0 r a i n 后膜池顶部上清液进行分析 水质指 标如下表所示 水质参数原水l 膜池3 膜池5 膜池 C O D I n g L 2 2 41 2 82 3 24 4 4 铁 m e L O 1 5O 3 9O 5 9O 7 0 锰 m g L O 1 1 90 0 4 5O 0 6 00 0 6 4 铝 m g L 0 5 7 90 0 8 10 0 7 00 1 6 7 通过上表可以看出 在该组最南端5 膜池内 水中污染物富集程度最严重 4 4 3 将其中一组膜池 8 静 1 0 1 2 放 空 排放后补充絮凝出水 按原有运行参数运行 发现该组膜池跨膜压差得到不同效果的恢复 其中 位于该组最南端的1 2 膜池恢复效果最好 如下图 所示 l 豁 械空 后 十蜃洗一期内跨 压I J e C t l 比 运行时何 处于中间位置的1 0 膜池跨膜压差也得到较好 的恢复 如下图所示 1 0 城镇供水增刊2 0 1 1 城镇供水 t 行 帽 该组最北端的8 膜池跨膜压差也有所恢复 但 效果不如1 2 膜池 1 0 膜池明显 如下图所示 m m 经上述试验分析 此现象的产生可能是由膜池 的进水方式引起的 工程中南北向3 个下部相通的 膜格构成1 组独立运行的膜池 絮凝出水自膜池下 部由北端膜格流向南端膜格 垂直方向上水流自下 向上流动 与膜池上部污染物沉降方向相反 如下 图所示 膏I U P 此进水方式有可能导致 进水水流携带行进过 程中膜池上部沉降下的污染物 自北向南 自下而 上重新分配 水中污染物的富集程度 自北向南明 显增大 针对此问题 工程参与各方正积极进行研究 已有初步解决方案 5 结论 以浸没式超滤膜处理回流水 在试验过程中及 生产运行期间 超滤膜系统运行稳定 出水水质优 良 相比常规处理工艺 以第九水厂三期综合池为 例 采用混合 絮凝 沉淀 煤砂滤池 活性炭吸 附池工艺 超滤膜工艺具有如下特点 舢 奢一 供黔眦镇嚣揣黥孕 舢 蚍 舢 口捌田蕾譬 城镇供水 5 1 过滤精度高 第九水厂三期综合池采用煤砂滤池 滤后水浊 度基本在O 1 4 0 2 5 N T U 之间 第九水厂应急改造工程所使用的超滤膜孔径为 0 0 1p a n 滤后水浊度1 0 0 O 2 N T U 对水中颗粒 物 藻类 细菌 病毒均有优良的截留效果 5 2 混凝剂投加量低 第九水厂三期综合池选用碱式氯化铝作为混凝 剂 投加量为1 8 2 0 r a g L 第九水厂应急改造工程选用相比碱式氯化铝价 格更低的F e C l 作为混凝剂 且投加量为1 0 m g L 5 3 产水率高 第九水厂三期综合池产水率为9 6 9 第九水厂应急改造工程中超滤膜工艺产水率为 9 8 5 5 4 电耗 惴弋一雹 饼嗍露 霭一尹 弓 C I T Y A N DT O W NW A T E RS U P P L Yq W 第九水厂三期综合池处理1 吨水平均耗电 0 0 1 3 K W H 含活性碳池电耗 第九水厂应急改造工程使用1 2 台功率3 7 K W 的 抽吸泵作为过滤动力 故而耗电量高 处理1 吨水 平均耗电O 0 4 1 K W H 第九水厂应急改造工程于2 0 1 0 年3 月1 5 日开 始施工 同年7 月1 4 日正式通水运行 运行稳定 出水水质良好 虽然其出水进入九厂三期炭滤池后 使炭滤池负荷增长1 6 但仍能保证滤池原有的反 冲频率及出水水质 同时 由于反冲洗水单独处理 后不再作为九厂一期工艺原水 因此一期机加池工 艺目前运行条件得到大大改观 提高了九厂工艺稳 定性 降低了水质风险 保障了水质安全 通过工程实践 证明超滤膜工艺可大规模应用 于净水行业 作为新兴技术 将越来越多的被水厂 所采用 以保障人民生活饮用水的安全 AE x t e n s i v eU s eo fI m m e r s e do fT e c h n o l o g yi nD r i n k i n gW a t e r P l a n t st h eE m e r g e n c yP r o j e c ti nN o 9W a t e r w o r k s X uY a n g L i uY o n g k a n g C h e nK e c h e n g T a iJ i a Y a n gY a n g B e i j i n gW a t e rW o r k 8G r o u pC o l t d B e i j i n g1 0 0 0 3 1 A b s t r a c t I nr e c e n ty e a r 8 t h ec i t i e s r e q u i r e a e n to fw a t e rd e m a n dh a sb e e ni n c r e a s e