ZeeWeed浸没式超滤膜在大型自来水厂的应用

ZeeWeed浸没式超滤膜在大型自来水厂的应用罗 敏（GE水处理及工艺过程处理，北京 10004）摘要 低压膜过滤系统已经在自来水厂的新建和升级改造中得到广泛的应用。本文介绍了低压膜过滤系统的特点，并对各种形式的低压膜：内压式和外压式、压力式和浸没式进行了深入的分析与比较。浸没式膜系统在大、中型自来水水厂的独特优势，决定了它将是大型低压膜法系统的发展方向。结合ZeeWeed浸没式超滤膜的特点，探讨了浸没式超滤膜系统的组成部分和各组成设备的关键设计因素，并介绍了ZeeWeed浸没式超滤膜在全球的典型应用案例。关键词 浸没式超滤膜 自来水 ZeeWeed 低压膜过滤系统 设计因素 案例1 低压膜过滤技术的现状与发展自来水公司面临更大需水量和更严格标准日益增加的挑战。中国老化的水基础设施存在扩大规模的压力，并且难以满足现在和将来的水质标准。随着自来水公司开始改造传统水处理系统以扩大规模，满足更严格的标准，低压膜系统正变得越来越普及。低压膜包括微滤膜和超滤膜，是一种高级的过滤技术，只能去除水中的颗粒物和微生物，如贾第鞭毛虫和隐孢子虫。所以需要与其他工艺相结合才能更好的解决饮用水的安全卫生问题（见表1所示）。表1 基于不同污染物的低压膜预处理工艺参数微滤（MF）超滤（UF）颗粒物、微生物：浊度原生动物细菌病毒无无无混凝无无无无有机物：TOC消毒副产物前体色度嗅和味农药混凝/PAC混凝/PAC混凝/PAC混凝/PACPAC混凝/PAC混凝/PAC混凝/PAC混凝/PACPAC无机物：铁和锰砷硫化氢氧化混凝氧化氧化混凝氧化注：PAC是指粉末活性炭。低压膜如超滤、微滤多采用中空纤维膜，具有最高的膜装填密度，处理效率高，成本低，是低压膜系统的首选型式。中空纤维膜按进水水流方式不同可分为外压式和内压式，按膜系统制造方式不同可分为压力式和浸没式。1.1外压式与内压式的比较（见图1所示）（1）外压式：系统进水从中空纤维膜丝的外部由外向内通过膜产生产品水（进水在外，产品水在内），所以水流通道没有被固体悬浮物阻塞的风险。对压力式膜而言，纤维间死角易导致堵塞，不易清洗，一般外压式膜厂家会采用有效的端头配水方式解决这个问题。（2）内压式：系统进水从中空纤维膜丝的内部由内而外通过膜产生产品水（进水在内，产品水在外），无死角，适于水质良好的原水。但如果来水水质较差，则较外压式膜而言抗污染能力差，且需要更严格的预处理；此时一般可考虑选择内压式毛细管膜（膜丝内径较中空纤维膜丝粗，通常大于1mm）错流过滤或外压式膜。注：该论文已发表于给水排水, Vol. 35, No. 12, 2009: 17-22产品水（出水）原水 产品水进水 (a) 外压式 (b) 内压式图1 外压式与内压式中空纤维膜1.2 压力式与浸没式膜系统的比较（1）压力式 将大量的中空纤维膜丝装入一圆柱形压力容器中，纤维束的开口端用专用树脂浇铸成管板，配备相应的连接件（包括进水端、产水端和浓缩水端）即形成标准膜组件，通过不同数量的压力式膜组件并联即组装成膜系统，见图2所示。 （a）压力式膜组件 （b）压力式膜系统图2 压力式膜过滤系统（2）浸没式 浸没式膜组件包括固定在垂直或水平框架上的中空纤维膜、设在框架顶部和底部的透过液集水管。每个集水管包含有一层密封膜丝的专用树脂，使得膜的内腔与管道相连以收集产品水，因此浸没式膜组件只有产水端一个连接点。几个或几十个膜组件通过两个硬直角管将其集水管相连接，同时将它们位置固定，形成一个膜箱。周期性反冲洗和平缓温和的空气擦洗可以减少膜面的浓差极化，这种运行方式对应于低的膜污染速率。若干个膜箱并联浸没在膜池中组成一个膜列，若干个膜列并联组成不同处理规模的膜处理系统，见图3所示。 （a）浸没式膜组件 （b）浸没式膜系统图3 浸没式膜系统与传统的压力式膜过滤不同，浸没式膜是在较低的负压状态下运行使用，利用虹吸或泵抽吸方式将水由外向内进行负压抽滤（如图4所示），实现低跨膜压差(TMP)、适度膜通量的平稳运行的直流式全量过滤，这使得其整体能耗成本低于压力式膜过滤，一般在0.03-0.06kWh/m3之间。这主要表现为： 膜压差沿中空纤维膜长度方向均匀分布，在膜的进水一侧没有压降损失； 抽吸模式的运行对膜压差和膜通量施加了一个明确的限制，使其保持在过滤曲线的恒压控制区。空气进水排水产水图4 浸没式膜操作原理从系统设计上，浸没式膜可被直接浸入到需要处理的水中，因此系统的占地面积非常小。这也就给现有处理厂的改造提供了条件，可以将膜安装到现有的澄清池或滤池或其它水池中，所以浸没式膜系统无论对新建还是已建处理厂的升级都非常理想：即同样的占地面积下，出水水量提高2-4倍，同时保证优质的产品水。使用成列的浸没式膜流程中需要很少的泵、风机和阀门，在进水泵处，使用配水渠将水输送到各个流程池中，减少了水头损失，使水以重力流形式流动。普通的反冲洗设备也可以使用，这减少了占地面积，降低了系统的复杂性，减少了投资和费用。表2 压力式与浸没式膜系统的比较压力式膜浸没式膜系统密闭式系统设计开放式系统设计过滤方式内压式或外压式设计，为直流式和错流式过滤外压式过滤设计，为直流式过滤膜材料PES，PS，PVDF，PVCPVDF，PVC预处理要求和抗污染能力单根内压式膜组件装填密度高，过流通道小，要求复杂的预处理，抗污堵能力差单根膜组件装填密度中等，过流通道宽，只要求简单的预处理，抗污堵能力强操作压力采用较高压力过滤(0.035-0.3MPa)，能耗高。通过压力调节可应对工艺波动或进水水质、水温变化的影响。采用虹吸或低压真空抽吸(0.02-0.03 MPa)，能耗较低。膜寿命膜的使用寿命相对较短，视不同膜材料和制造方法而定。膜的使用寿命相对较长，视不同膜材料和制造方法而定。安装方式压力式膜需要安装在密封的压力容器内，系统需要更多和复杂的连接件及阀门。浸没式膜只需要安装在土建或金属钢池中，只需要少量的连接件及阀门，方便增容或老水厂改造。混凝土池体价格便宜并耐腐蚀，更适于建设项目需要40100年的使用期。占地面积大小适用处理规模单套系统最多仅能达到40008000 m3/d 的处理规模。对于大型水厂，系统会变得比较复杂。适合中、小型处理规模的水厂。膜组件构型是压力式膜规模效应的制约因素。单套系统产量可到40000m3/d以上, 非常适合大型水厂建设。膜分离法的技术优势通过规模效应得到进一步显示。注：PES：聚醚砜；PS：聚砜；PVDF：聚偏二氟乙烯；PVC：聚氯乙烯 总之，压力式与浸没式膜系统各有优势与适用领域，其技术比较见表2所示。从低压膜发展趋势而言，浸没式膜将是低压膜过滤技术的发展方向。根据表2的比较分析可见，对于大、中型自来水水厂的新建或改造升级，浸没式膜系统显示了其独特的优势，将是最佳实用的低压膜法饮用水净化工艺。2 ZeeWeed浸没式超滤膜过滤系统的工程考虑 为了满足不同进水水质（如悬浮物、有机物）和预处理工艺的处理需要，GE开发出两种级别的ZeeWeed 超滤(UF)膜产品：ZeeWeed500 和ZeeWeed1000，见图5所示。ZeeWeed500采用加强型膜丝，具有无比的耐受性和使用寿命，适用于复杂波动的高悬浮物水源；ZeeWeed1000采用高效膜组件和膜箱设计，具有最小的占地面积和生命周期成本，适用于低悬浮物的水源（如地下水、地表水及三级处理），是滤池升级改造和大型膜过滤系统的最佳选择。 a) ZeeWeed500 膜箱 b) ZeeWeed1000 膜箱图5 ZeeWeed浸没式超滤膜ZeeWeed浸没式超滤膜系统包括预处理系统（自清洗过滤器，或强化混凝或粉末炭）、膜池、膜箱、产水泵（反洗泵）、鼓风机和化学清洗系统。典型工艺流程如图6所示。浸没式超滤膜池产水泵膜箱膜列1膜列 2进水排水反冲洗进水清水池P膜列4膜列3PPP图6 ZeeWeed浸没式膜系统 在正常运行过程中膜系统生产透过液（产水），原水通过进水管和进水控制阀进入膜池。膜浸没在膜池中的原水中，透过液泵从膜内侧将水负压抽吸过膜壁。每个膜列的所有膜箱产生的透过液通过透过液泵收集到共用的透过液抽吸管后，再到所有膜列共用的透过液母管中，最后进入下一步的处理。 进水中固体物质积累在膜的表面，会逐渐增加跨膜压差（TMP）值。反洗过程可以去除膜表面的固体物质，从而使TMP恢复到前一个产水周期中TMP值。多数反洗是每天进行的，有助于保持TMP且延长清洗周期，降低平均能耗。反洗过程包括将透过液反向透过膜、曝气擦洗膜去除沉积物，防止它们沉积在膜表面，并且将膜池中的液体排到废液池或污水管。在反冲洗时，空气进入了超滤膜箱的底部在超滤膜的表面形成紊流，上升中的气泡擦洗并清洁超滤膜丝的外表面，提高超滤膜的处理效率。然后，重新将进水注入膜池，开始产水。产水还需周期性地停止以对膜进行化学清洗，以去除膜的有机污染或是结垢物质。恢复性清洗的频率根据处理厂的水质和运行条件而变化。 当浸没式膜系统越来越普及，很有必要了解该系统的组成和运行，并注意支持系统或配套设备的设计。尽管膜系统设计的重点是与膜有关的参数，比如膜的种类、纤维数、膜元件配置、通量和性能等。成功的膜系统的真正挑战是系统运行所需配套设备的设计。成功的设计离不开由设计院、膜供应商和最终用户组成的小组，该小组保证一体的设计，考虑系统水力条件、整个水处理厂、现场约束条件、规范要求、成本、运行、维修、系统冗余以及膜系统成功运行所需的其它条件。膜系统配套设备包括泵、鼓风机和空压机等，负责日常运行，包括过滤、反洗、清洗和完整性测试等工艺过程。表3列出ZeeWeed浸没式超滤膜系统的组成部分和各组成部分的关键设计因素。表3 浸没式膜系统组成部分和关键设计因素膜系统组成部分关键设计因素影响因素进水渠道或管道进水调节阀控制进入各膜池的流量原水过滤器系统布置进水控制超滤膜膜通量回收率运行与清洗周期抽吸方式冗余性（N-1，N-2，）完整性测试进水水质出水水质系统运行与管理系统灵活性系统可扩展性水力膜池池型结构池子材质池子涂层池子尺寸母管隔离膜池的阀门配水，反冲洗，在线化学清洗，排水成本耐久性能力防腐蚀产水泵泵材质和密封泵的配置相对于膜池的位置能力（适应膜池的扩充）扬程（适应变化的水头损失）汽蚀余量抽真空变频控制汽蚀余量建筑物尺寸和布置过滤时产生的空气携带量反洗系统反洗泵的材质和配置反洗水源反洗水排放空气擦洗系统同时进原水和反洗水的能力利用透过液母管减少泵扬程排放反洗水至水厂前端鼓风机放在单独的房子内减少噪音和振动。清洗系统清洗溶液转移泵的材质和配置清洗水源和水量药液的排放化学中和的位置药剂的储存和投加循环/排空泵的多种用途在膜池中中和溶液的能力排放药剂溶液到下水道。膜完整性系统空压机的类型压力衰减测试的频率法规要求满足1个膜系列内膜箱完整性测试的空气储存量完整性测试所需时间相邻完整性测试之间的时间间隔。上层结构取出和替代池中膜箱的能力膜系统设备维修的空间膜车间净空高度3 典型工程案例分析3.1 新加坡CCK自来水厂CCK自来水厂是新加坡最大的自来水厂，总处理规模为364,000m3/d，分别于1975年（182,000m3/d）和1981年（182,000m3/d）投产运行。水源为水库水，采用混凝、Pulsator澄清、V型滤池与消毒工艺。随着水库水藻类和原生生物的污染，饮用水的微生物安全问题被提上日程。ZeeWeed浸没式膜系统设计中显著的优势是当翻新已建池体时独特的灵活性。这里包括沉淀池、滤池、清水池、泥水池等。因此通过技术经济综合比较，最后选择ZeeWeed1000浸没式超滤膜来升级改造现有的一期V型滤池，即在保持处理规模不变的前提下，提高处理后水质，并为二期提高处理水量和水质提供工程依据。图7 CCK自来水厂膜池平面布置CCK膜系统于2008年4月建成投产，产水规模为182,000m3/d，只占用了9个滤池中的4个，并把3个滤池改造成配套设备间、药剂间及反冲洗、清洗水箱等，其它2个滤池空间为预留空地，见图7所示。整个膜系统分为8列膜池，每列膜池选用5个ZeeWeed1000-60M膜箱（并预留1个膜箱空间），总共2400膜组件，设计瞬时最大膜通量为77LMH（所有列运行）和90LMH（1列离线运行），系统回收率为96%。同时采用了虹吸和泵抽吸联合运行模式，即在系统运行初期可利用膜池和清水池的液位差（4.65m）来实现跨膜压差，而当膜污染加剧或者需要增加处理规模时才启动产水泵抽吸产生额外的跨膜压差，所以整个膜系统的能耗仅为0.0178kWh/m3。膜系统处理效果见表4所示。表4 CCK自来水厂典型膜出水水质澄清池出水（膜进水）膜处理后出水 浊度(NTU) 0.91.3 0.1 色度 (黑曾单位) 4.71.6 2 藻类(个/mL)6876未检出原生生物(个/m3)39215265未检出3.2 加拿大Lakeview自来水厂Lakeview自来水厂是目前世界上已运行的最大的超滤膜饮用水厂之一，产水规模为363,000m3/d，2013年将扩建到1,150,000 m3/d。水源水为微污染的湖水，平均浊度为5NTU、TOC为2.7-3.7mg/l，采用臭氧-生物活性炭-浸没式超滤膜组合工艺，于2007年6月建成投产。图8 Lakeview自来水厂膜池平面布置整个超滤膜系统分12列膜池设计（平面布置效果见图8），膜系统占地面积900m2，其中膜池占地505 m2。每列膜池选用7个ZeeWeed1000-96M膜箱，总共7560膜组件，系统回收率为95%，超滤膜出水的浊度0.1NTU、TOC 4 log去除率。3.3 美国Olivenhain自来水厂 Olivenhain自来水厂设计处理量129,000m3/d，建成投产于2000年。处理厂还包括了一套3个膜列的ZeeWeed500二级处理系统用来处理一级处理中的反冲洗废水排放，这样的设计使得整个处理厂的回收率能够达到99.5%以上。 水库水（典型浊度为0.84-4.9NTU）经过细格栅和加氯消毒后进入ZeeWeed超滤膜池。通过产水泵使中空纤维膜中产生-6.9到-55 kPa负压，从而把水从超滤膜外过滤出来，然后进入总产水管中。超滤膜出水的浊度 6 log去除率，对病毒 2 log去除率。 膜系统通过间歇曝气和反冲洗保持超滤膜表面的清洁。同时，还包括了一个可变逻辑控制器和相应的用作数据记录的SCADA系统，用来监控整个膜系统，调节泵的转速和阀门的开关，从而保证系统的最优化运行。 这个处理厂一个特有的设计是选用一个与离心鼓风机配在一起的能量回收涡轮和感应电机。这些涡轮可以利用比处理厂高46米、面积约2230平方米的水库的静水压头，通过感应电机把势能转化为电能大大降低处理厂的能耗。 3.4 中国澳门大水塘（MSR）水厂澳门大水塘（MSR）水厂水源为大水塘水库水，典型水质为：浊度3-10 NTU，CODMn 3.5 mg/l，TOC 3.2 mg/l，藻类峰值为120 M个/L，平均 35 M个/L。因此采用混凝-Aquadaf 高速气浮- ZeeWeed1000浸没式超滤膜工艺。设计处理规模为60,000 m3/d(二期将增加至120,000 m3/d), 浸没式超滤膜系统共设有9列膜池，其中一期为5列膜池，每列膜池选用3个ZeeWeed1000-96M膜箱，总共1350膜组件，系统回收率为95%。膜系统处理效果见表5所示。表5 澳门大水塘（MSR）水厂典型出水水质高速气浮出水（膜进水）膜处理后出水藻类（个/L）5000 4.5 log去除率浊度 (NTU)5 4 log去除率贾第鞭毛虫N/A 4 log去除率3.5 新加坡Chestnut自来水厂 这是一个强化混凝与ZeeWeed超滤膜组合工艺处理微污染水源水的案例，处理规模为273,000 m3/d(二期处理规模达478,000 m3/d)。 原有的Chestnut水厂是新加坡最大的自来水厂之一，它采用传统的砂滤工艺。但是Chestnut水厂对满足政府规定的出水水质感到很困难，急需升级目前的设施。因为和一个自然保护区临近，水厂需要用最小的占地面积来升级系统，所以水厂可提供的面积比已有的传统技术所要求的要小很多。 Chestnut水厂工艺流程如图9所示。反冲洗泵 鼓风机供水泵水库出厂水强化混凝清水池浸没式超滤系统细格栅图9 Chestnut水厂工艺流程 与传统工艺相比，强化混凝-ZeeWeed膜工艺去除色度和总有机碳(TOC)效率高（典型出水水质见表6），所用絮凝剂量也更低，这也显著地降低了处理浓水的费用。与一般采用产水泵的抽吸方式不同，水厂采用虹吸式的设计形成真空压从而获得过滤后的出水。因为虹吸设计仅依靠膜池和清水池的液位差，所以整个水厂的设计更简单，占地和运行费用（能耗）都极大地降低。 表6 Chestnut饮用水厂典型膜出水水质水库水膜处理后出水 浊度(NTU) 5.4 0.3 色度 (黑曾单位) 22 5 UV254(cm-1)0.140.014铝 (mg/L) 0.1 0.05 4 结论使用超滤膜处理饮用水已经越来越普遍，主要是因为有关微生物和浊度的标准越来越严格。技术的进步、成本的降低、增加的专家顾问和终端用户对超滤膜的熟悉程度将会导致超滤膜在大型自来水厂中的应用。同时，基于占地面积、能耗、药耗、配套通用设备与配件数量、系统复杂性及与常规工艺的衔接性、膜使用寿命和产品生命周期成本等综合分析，浸没式超滤膜将是大型自来水厂低压膜法工艺的最佳选择。根据中国的国情，可以预见浸没式超滤膜系统将会在以下领域得到长足的发展和应用：l 现有滤池的升级改造：提高出水水质和处理规模l 滤池反冲洗废水的回收利用或高回收率（99%）的低压膜系统l 与现有深度处理工艺相结合，如强化混凝、臭氧、活性炭（包括粉末炭、颗粒炭、生物活性炭）等的组合应用参考文献1 American Water Works Association. AWWA Manual 53: Microfiltration and Ultrafiltration Membranes for Drinking Water. First edition. Denver: Glacier Publishing Servi