超濾膜在北京市第九水廠濾池反沖洗廢水處理中的應(yīng)用
姚左鋼
（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院）
2009年夏，北京出現(xiàn)新的供水高峰，最高日供水278.8萬(wàn)m3/d（09年7月3日）。由于規(guī)劃建設(shè)的北京第十水廠和郭公莊水廠項(xiàng)目未能按原計(jì)劃在2010年建成，中心城區(qū)當(dāng)時(shí)的供水能力與需求基本飽和，沒(méi)有任何安全系數(shù)可言，面對(duì)可能的供水高峰，必須增加供水能力，本項(xiàng)目即為增加供水能力的應(yīng)急之舉。
1工程背景
1.1 第九水廠現(xiàn)狀
北京市第九水廠設(shè)計(jì)總凈水規(guī)模為150萬(wàn)m3/d，分三期建成，每期各50萬(wàn)m3/d。其污泥處理設(shè)施主體工程與第九水廠二期工程同步建設(shè)。第九水廠三期于1999年7月正式通水，與三期工程配套的污泥處理設(shè)備安裝于2000年5月完工，從而實(shí)現(xiàn)了與九廠日供水量150萬(wàn)m3/d相適應(yīng)的污泥處理規(guī)模。
第九水廠采用常規(guī)凈水工藝加顆�；钚蕴课降乃幚砉に嚒３恋沓匦问揭黄跒榧铀俪吻宄�，二、三期為側(cè)向流波形斜板沉淀池（其中二期06、07年改造為微砂循環(huán)沉淀池，規(guī)模為64萬(wàn)m3/d）；濾池一期采用虹吸濾池，二、三期采用均質(zhì)濾料濾池。
目前北京市第九水廠凈水能力為164萬(wàn)m3/d。其中水線工藝流程如圖1所示。第九水廠沖洗水及排泥水處理工藝流程如圖2所示。
第九水廠現(xiàn)有一期、三期回流水池各2座，其中一期回流水池總?cè)莘e2688m3，共分2座4格，單格水量672 m3，三期回流水池總?cè)莘e3600 m3。一期、三期回流水池均可接納九廠濾池、炭池反沖洗廢水以及排泥池上清液，并回流至配水井重新進(jìn)行全流程處理。由于三期反應(yīng)沉淀工藝耐沖擊負(fù)荷能力有限，不能接收全部一、二、三期反沖洗廢水及排泥池上清液，為方便運(yùn)行管理，三期濾池反沖洗廢水進(jìn)入一期處理系統(tǒng)。目前，第九水廠一、二、三期濾池、炭池反沖洗廢水以及排泥池上清液均進(jìn)入一期回流水池，回流水量約7萬(wàn)m3/d，后經(jīng)提升泵送至一期加速澄清池前進(jìn)行處理。
1.2 沖洗水系統(tǒng)存在問(wèn)題
第九水廠濾池反沖洗廢水經(jīng)回流水池回流至一期混合井，對(duì)一期處理構(gòu)筑物沖擊較大。降低了一期處理構(gòu)筑物的供水安全性。
目前第九水廠處理能力為164萬(wàn)m3/d，其中一、三期為50萬(wàn)m3/d，二期為64萬(wàn)m3/d。由于一期接納回流水、二期已是高負(fù)荷運(yùn)行、三期混凝沉淀工藝不具備挖潛能力，故第九水廠已暫無(wú)挖潛能力，對(duì)應(yīng)夏季可能的供水高峰乏力。
1.3 工程的提出
鑒于以上原因，如將第九水廠濾池反沖洗廢水單獨(dú)處理至清水，不但可以減少對(duì)一期處理構(gòu)筑物的沖擊負(fù)荷，一期原處理沖洗廢水的能力用來(lái)處理原水后，還可以為第九水廠增加供水能力。
2 技術(shù)方案選擇
2.1 規(guī)模確定
根據(jù)回流水量統(tǒng)計(jì)，2008年1月～2009年7月，平均日回流水量為63861m3/d，逐月平均日統(tǒng)計(jì)中，僅有2008年6月和2009年7月的回流水量大于7萬(wàn)m3/d。故確定濾池反沖洗水單獨(dú)處理規(guī)模為7萬(wàn)m3/d。
2.2 工程地址選擇
目前第九水廠一、二、三期濾池、炭池反沖洗廢水水均可以通過(guò)廠區(qū)管道進(jìn)入一期及三期回流水池處，故濾池反沖洗廢水處理設(shè)施宜就近建設(shè)在一期或三期回流水池附近。
因一期回流水池目前正在運(yùn)行當(dāng)中，局部改造將影響整個(gè)水廠的運(yùn)行，經(jīng)綜合比較，本著安全生產(chǎn)，降低對(duì)水廠運(yùn)行影響的原則，確定將廠址就近建設(shè)在三期回流水池北側(cè)。
2.3 工藝流程選擇
2.3.1 進(jìn)出水水質(zhì)特性
第九水廠回流水池承接濾池反沖水和排泥上清液水，水量和水質(zhì)均波動(dòng)很大。由于待處理水均匯入回流水池后加以處理，回流水池受納反沖洗水后對(duì)來(lái)水起到了均衡的作用，因此回流水池的出水水質(zhì)數(shù)據(jù)更具針對(duì)性、代表性。經(jīng)分析，回流水池水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)情況如下。
（1)濁度。回流水池中的顆粒物主要來(lái)自煤濾池、炭吸附池的的反沖洗水，對(duì)回流出水濁度的連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，其值在3～25NTU間變動(dòng)，而原水濁度常年穩(wěn)定在1～5NTU，顆粒物粒徑大多在2um以下，屬于難沉淀顆粒。
（2) 有機(jī)物。根據(jù)表中結(jié)果顯示，隨著原水水質(zhì)的季節(jié)性變化，回流水池出水中的TOC濃度也相應(yīng)變化。但有機(jī)物基本上沒(méi)有在回流水中富集。
（3) 藻類�；炷恋砉に囯y以去除的藻類被濾池截留，導(dǎo)致回流水池藻類含量較高。
主要結(jié)論：反沖洗水濁度在3～25NTU間變動(dòng)，含有較高濃度的鐵、錳、鋁離子和藻類。
回流水池出水經(jīng)擴(kuò)建和現(xiàn)有工藝處理后出水水質(zhì)需達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）要求。
2.3.2流程選擇
新建濾池反沖洗水處理工程，其處理工藝有長(zhǎng)、短流程兩種選擇。
2.3.2.1長(zhǎng)流程
長(zhǎng)流程為新建混合絮凝、沉淀、過(guò)濾處理構(gòu)筑物，處理來(lái)水，產(chǎn)生的污泥排入廠區(qū)現(xiàn)有污泥處理系統(tǒng)。
2.3.2.2 短流程
短流程為，新建強(qiáng)化混合絮凝構(gòu)筑物，加超濾膜處理工藝，膜反沖洗水進(jìn)入廠區(qū)現(xiàn)有污泥處理系統(tǒng)。
膜是一種具有特殊選擇性分離功能的無(wú)機(jī)或高分子材料，它能把流體分隔成不相通的兩個(gè)部分，使其中的一種或幾種物質(zhì)能透過(guò)，而將其它物質(zhì)分離出來(lái)。
超濾能將細(xì)菌、病毒、“兩蟲(chóng)”、藻類、水生生物幾乎全部去除，是目前保障水的微生物安全性的最有效技術(shù)。
本方案考慮用超濾膜作為反沖洗水處理的關(guān)鍵單元，可以高效的去除兩蟲(chóng)、和病毒，經(jīng)膜過(guò)濾的水出水濁度可在0.1NTU以下。其缺點(diǎn)是投資較高。
考慮到膜工藝對(duì)小分子有機(jī)物、嗅味等物質(zhì)基本沒(méi)有處理效果，因此本方案在膜池前增設(shè)混合池，根據(jù)水質(zhì)情況投加PAC、三氯化鐵等藥劑，強(qiáng)化絮凝，提高處理效果。
2.3.2.3 方案對(duì)比
長(zhǎng)流程、短流程各自有其優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1.
經(jīng)綜合比較，長(zhǎng)流程雖然運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)豐富，但存在生物風(fēng)險(xiǎn)，占地面積大，不可能在九廠現(xiàn)有占地內(nèi)建設(shè)，故選擇技術(shù)領(lǐng)先、無(wú)生物風(fēng)險(xiǎn)且節(jié)約占地的短流程方案。
另外，膜池出水接入三期炭吸附池前，靠炭吸附可能的小分子有機(jī)物和嗅味，從而保障出水水質(zhì)。經(jīng)核算，原炭池的接觸時(shí)間為9.85 min；增加7萬(wàn)m³/d水量之后，炭池接觸時(shí)間平均為8.06 min。
2.4 超濾膜類型的選擇
膜工藝按其膜組件的設(shè)置位置可分為浸沒(méi)式（一體式或浸沒(méi)式）和內(nèi)壓力式2種。浸沒(méi)式和壓力式膜的比較見(jiàn)表2。
綜合考慮浸沒(méi)式和壓力式膜的優(yōu)缺點(diǎn)，由于本工程待處理水為濾池、炭池反沖洗水，相對(duì)飲用水源水來(lái)說(shuō)水質(zhì)較差，對(duì)膜系統(tǒng)抗污性能的要求更高，同時(shí)本著節(jié)能減耗，節(jié)約用地，降低運(yùn)行成本的原則，工程推薦采用浸沒(méi)式超濾膜。
2.5 中試實(shí)驗(yàn)
2009年10月，根據(jù)前期進(jìn)行的技術(shù)交流，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外五家公司，進(jìn)行了中試實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)采用回流水池出水，工藝流程為：機(jī)械混合-械絮凝-處理裝置（其中混合絮凝部分由第九水廠統(tǒng)一提供），投加藥劑主要是粉末活性炭、三氯化鐵等。全部采用浸沒(méi)式超濾膜(見(jiàn)表3)，規(guī)模1～8m³/h(各公司水量不同)。
多數(shù)廠家的設(shè)備運(yùn)行情況良好；主要水質(zhì)指標(biāo)可以達(dá)到：濁度≤0.2NTU(100%);水回收率≥95%；細(xì)菌去除率≥99.99%；藻類去除率≥70%。膜通量較小的廠家，出水相對(duì)穩(wěn)定；其中，部分廠家膜孔隙較大，存在粉炭堵塞膜孔隙現(xiàn)象。
2.6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則
根據(jù)以上方案對(duì)比，確定處理工藝流程見(jiàn)圖3，工程設(shè)計(jì)規(guī)模為7 萬(wàn)m3/d。
現(xiàn)況濾池反沖洗廢水收集后，用回流泵提升至膜處理車間，經(jīng)混合絮凝、精細(xì)過(guò)濾后進(jìn)入浸沒(méi)式膜池，膜池出水接至炭吸附進(jìn)水渠，經(jīng)炭吸附后進(jìn)入清水池。
為去除反沖洗水中的濁度、嗅味等，根據(jù)原水水質(zhì)在機(jī)械混合池投加FeCl3、粉末活性炭。設(shè)計(jì)膜通量＜40L/（m2·h）（根據(jù)中試結(jié)果確定）.
全系統(tǒng)為獨(dú)立的2個(gè)系列，單系列檢修時(shí)其余系列可滿足全部水量的70%以上。另外，系統(tǒng)附屬設(shè)備（如抽吸泵等）亦應(yīng)有足夠備用，以保證在維修及事故時(shí)正常運(yùn)行。
預(yù)留水廠原水接入膜處理車間條件。
3 工程設(shè)計(jì)
經(jīng)系統(tǒng)招標(biāo)后，反沖洗廢水處理工藝總流程見(jiàn)圖4.
膜進(jìn)水系統(tǒng)：濾池沖洗廢水取自三期回流水池，經(jīng)回流水泵提升通過(guò)廠平面連接管道進(jìn)入機(jī)械混合池。同時(shí)，該管道留有接入水廠原水條件。
膜出水系統(tǒng)：經(jīng)管道接入現(xiàn)況三期炭吸附池進(jìn)水渠。
溢流系統(tǒng)：膜池進(jìn)水系統(tǒng)中設(shè)溢流，接至廠內(nèi)溢流渠。
排水系統(tǒng)：膜沖洗水排入廠區(qū)排泥系統(tǒng)；膜化學(xué)清洗中和后廢水，排入廠區(qū)污水管。
3.1 膜處理車間
膜處理車間主要由混合池、絮凝池、膜沉淀池、化學(xué)清洗池、原液池、配套設(shè)備及管路系統(tǒng)（包括水泵、閥門）和控制系統(tǒng)構(gòu)成（見(jiàn)圖5～圖7）。
膜處理車間共分為2個(gè)系列，每系列設(shè)混合池1座、絮凝池2座、膜池1座（分6格）、酸洗池1座、堿洗池1座、中和池1座，車間另設(shè)酸洗原液池1座、堿洗原液池1座。
混合池2座，單池設(shè)計(jì)能力3.5萬(wàn)m3/d，每座設(shè)DN800進(jìn)水管1條，進(jìn)水管設(shè)可調(diào)節(jié)閘板閥，每格設(shè)一臺(tái)攪拌機(jī)，混合時(shí)間61.9s。
每2座絮凝池與1座混合池對(duì)應(yīng)。投加藥劑后的原水，經(jīng)過(guò)充分的混合和完善的絮凝，才能脫穩(wěn)和凝聚成礬花，使這些投加的藥劑充分發(fā)揮作用。每座膜池設(shè)兩格絮凝池，絮凝時(shí)間13.07min，每座絮凝池設(shè)一套帶絮凝套筒的絮凝攪拌機(jī)。
每座膜沉淀池分為可獨(dú)立運(yùn)行的兩組。每組膜池分為三格（共12格），安裝膜組的部位由混凝土墻分割，隔墻以下部分貫通。每格膜池設(shè)6個(gè)膜組，膜組底下設(shè)穿孔曝氣管。
采用PVC膜，每個(gè)膜組膜面積1680㎡，膜有效過(guò)濾孔徑：0.01μm，設(shè)計(jì)膜通量24LMH，反洗周期及歷時(shí)：冬季：過(guò)濾1h，反洗1min，夏季過(guò)濾1.5h,反洗1min，反洗強(qiáng)度 70 L/（m2·h）。
每組膜池池底設(shè)有1套往復(fù)式池底刮泥機(jī)，將底泥刮制位于端部的集泥槽，由排泥泵抽出，接至廠區(qū)排泥系統(tǒng)。
每格膜池出水采用水泵抽吸，水泵采用了轉(zhuǎn)子式的容積泵，可正反向運(yùn)轉(zhuǎn)，正常運(yùn)行與反沖洗可采用同一臺(tái)水泵。反洗時(shí)抽吸泵反轉(zhuǎn)將濾后水反向透過(guò)中空纖維膜、同時(shí)在膜底部曝氣，通過(guò)氣沖擦洗中空纖維膜絲表面去除沉積物。
每格膜池設(shè)有集水總管，與每組膜的集中出水管通過(guò)快速接頭連結(jié)。集水總管連結(jié)抽吸泵和出水總管。在膜池與抽吸泵之間的集水總管上設(shè) DN400氣動(dòng)蝶閥，抽吸泵與出水總管之間設(shè) DN400手動(dòng)檢修蝶閥。
膜池運(yùn)行時(shí)由轉(zhuǎn)子泵低速正轉(zhuǎn)抽吸，水泵的轉(zhuǎn)速由膜池的水位控制。膜的反沖由該泵高速反轉(zhuǎn)，將中央出水管的產(chǎn)水打回膜組進(jìn)行膜的反洗。
超濾膜反洗系統(tǒng)除了由水沖洗外，還需要進(jìn)行間隙性曝氣擦洗。每格膜池設(shè)一組穿孔曝氣管，進(jìn)氣管上設(shè) DN200氣動(dòng)蝶閥，在膜池進(jìn)行反沖洗時(shí)，輔助以鼓風(fēng)曝氣。反洗后不排水，轉(zhuǎn)子泵正傳，開(kāi)始出水抽吸。
設(shè)2臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)（1用1備）滿足氣洗條件。
設(shè)壓縮空氣系統(tǒng)滿足氣動(dòng)閥門控制及氣檢（斷絲檢測(cè)）。
化學(xué)清洗包括在線維護(hù)性清洗和離線化學(xué)清洗。
維護(hù)性清洗在線進(jìn)行，通過(guò)反洗時(shí)加入濃度較高的次氯酸鈉，以100mg/L濃度次氯酸鈉浸泡。
離線化學(xué)清洗需要人工移動(dòng)和連接。清洗的過(guò)程由人工完成，包括浸泡、鼓風(fēng)曝氣和清洗液的來(lái)回抽吸。清洗廢液經(jīng)中和無(wú)害化處理后排放。
化學(xué)清洗系統(tǒng)主要由2臺(tái)清洗水泵（Q=60~80m3/h H=10m n=400rpm N=5.5kw）、4格清洗水池（26m3/格）、2格原藥儲(chǔ)存池（1格30%氫氧化鈉23.5 m3、1格31%鹽酸9.5m3）、2個(gè)中間儲(chǔ)液罐（Φ1560×900）等組成，并設(shè)蝶閥、液位計(jì)、pH計(jì)、流量計(jì)等配套設(shè)備。
根據(jù)時(shí)間和跨膜壓差來(lái)決定何時(shí)進(jìn)行化學(xué)清洗。
3.2 膜加藥間
膜加藥間分為兩處：粉末活性炭投加間在三期回流泵房東側(cè)；三氯化鐵和次氯酸鈉加藥間設(shè)在膜車間的附屬設(shè)施的一層。
三氯化鐵原液加藥泵投加，最大設(shè)計(jì)投加量30mg/L。
次氯酸鈉原液加藥泵投加，最大設(shè)計(jì)投加量20mg/L。膜清洗用次氯酸鈉亦由此提供。
粉炭采用半自動(dòng)投加，最大設(shè)計(jì)投加量50mg/L。袋裝粉末活性炭經(jīng)小包裝破包機(jī)破包后通過(guò)真空吸料加入料倉(cāng)，經(jīng)螺旋給料機(jī)輸送給濕化槽，之后由水射器投加至機(jī)械混合池內(nèi)。
4 應(yīng)用總結(jié)
第九水廠應(yīng)急供水工程是國(guó)內(nèi)首次大規(guī)模采用超濾膜技術(shù)處理濾池反沖洗廢水的工程，由于無(wú)先例可尋，缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)施過(guò)程中遇到了一些困難和問(wèn)題，對(duì)此采取了一系列處理方式。并在工程完工后繼續(xù)跟蹤總結(jié)。
4.1 總結(jié)
4.1.1短流程工藝節(jié)約占地
本項(xiàng)目采用短流程工藝，在保障水質(zhì)的前提下，節(jié)約占地。在現(xiàn)況第九水廠用地范圍內(nèi)，新增7萬(wàn)m3/d規(guī)模供水能力。另外，共占地2360m2，遠(yuǎn)低于相關(guān)指標(biāo)，體現(xiàn)了節(jié)約用地原則。
4.1.2利用現(xiàn)有水廠資源保障出水水質(zhì)
本項(xiàng)目中，膜車間出水，接入現(xiàn)況三期炭吸附池，充分考慮到單獨(dú)膜工藝對(duì)可溶有機(jī)物的去除率低的局限性，體現(xiàn)出水行業(yè)中多重屏障理念。
膜車間除可接納濾池反沖洗廢水外，還可接納水廠原水。當(dāng)回流水水質(zhì)較差時(shí)，啟用原一期回流水池，將回流水接入一期處理構(gòu)筑物采用長(zhǎng)流程處理；膜系統(tǒng)接入原水處理，從而在保障供水能力的同時(shí)，保證水質(zhì)安全。
4.2 系統(tǒng)優(yōu)化
4.2.1增加前處理構(gòu)筑物
在工程方案論證階段，苦于用地緊張，在混合、絮凝后直接接膜池。工程實(shí)施后，膜池來(lái)水濁度雖然不非常高（＜20NTU），出水也達(dá)標(biāo)，但直接后果是需要頻繁化學(xué)清洗。雖然化學(xué)清洗后膜通量及跨膜壓差均有很好的恢復(fù)，但增加了維護(hù)、管理的工作量（受場(chǎng)地限制，化學(xué)清洗最多可同時(shí)清洗兩組膜架）。如有條件，增加1座沉淀池，將使膜池的進(jìn)水濁度降低到3NTU以下，其化學(xué)清洗的次數(shù)將有可能減少。
4.2.2膜池獨(dú)立分格并以配水堰配水
本項(xiàng)目為3格膜池組成一組膜池可單獨(dú)運(yùn)行，該布置方式雖然減少了管道連接，但運(yùn)行不便，不利于膜的維護(hù)、維修。
單組膜池內(nèi)膜架較多，造成配水均勻性難以保障，單池化學(xué)清洗時(shí)，一組膜池（三格）停水，增加了其它池的負(fù)擔(dān)。
如采用獨(dú)立分格，并每格設(shè)置獨(dú)立配水堰配水，配水均勻可以保障，運(yùn)行靈活性亦將提高。
4.3. 運(yùn)行優(yōu)化
4.3.1排泥問(wèn)題
運(yùn)行初期，一組膜池每小時(shí)排泥1次，每次5min，幾乎對(duì)膜反洗水不進(jìn)行排放。運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)反洗后跨膜壓差恢復(fù)幅度較小。
針對(duì)該問(wèn)題，試著膜池進(jìn)行排空，進(jìn)水之后按原運(yùn)行參數(shù)運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)反洗后跨膜壓差得到很好恢復(fù)。放空前后膜池的跨膜壓差發(fā)生明顯變化，說(shuō)明沖洗水不排放，導(dǎo)致水中污染物富集對(duì)膜絲運(yùn)行產(chǎn)生了較大影響。
目前，排空為每周兩次，上述問(wèn)題得到解決。
4.3.2化學(xué)清洗
根據(jù)膜廠家建議，采用鹽酸作為化學(xué)清洗酸洗藥劑。由于鹽酸具有很強(qiáng)的揮發(fā)性，其揮發(fā)物對(duì)清洗環(huán)境人員健康及設(shè)備均不利，設(shè)置了單獨(dú)的通風(fēng)裝置亦作用不大。
解決方式：采用檸檬酸代替鹽酸作為酸洗藥劑。
5 運(yùn)行效果
膜處理車間自2010年7月14日起投入運(yùn)行至今，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求，其中濁度滿足≤0.2NTU的標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表4）。
從表4可見(jiàn)，過(guò)濾精度高，濾后水濁度≤0.2NTU（100%），對(duì)水中顆粒物、藻類、細(xì)菌、病毒均有優(yōu)良的截留效果。實(shí)際運(yùn)行中，混凝劑投加量低， FeCl3投加量為10mg/L；耗電量低，為0.041kw·h/m3。
膜車間處理濾池反沖洗水，大大降低對(duì)一期處理工藝的沖擊。此外，工程自動(dòng)化程度較高，膜池液位調(diào)節(jié)平穩(wěn)，運(yùn)行穩(wěn)定。
