超濾膜在北京市第九水廠濾池反沖洗廢水處理中的應用
姚左鋼
（北京市市政工程設計研究總院）
2009年夏，北京出現(xiàn)新的供水高峰，最高日供水278.8萬m3/d（09年7月3日）。由于規(guī)劃建設的北京第十水廠和郭公莊水廠項目未能按原計劃在2010年建成，中心城區(qū)當時的供水能力與需求基本飽和，沒有任何安全系數(shù)可言，面對可能的供水高峰，必須增加供水能力，本項目即為增加供水能力的應急之舉。
1工程背景
1.1 第九水廠現(xiàn)狀
北京市第九水廠設計總凈水規(guī)模為150萬m3/d，分三期建成，每期各50萬m3/d。其污泥處理設施主體工程與第九水廠二期工程同步建設。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備安裝于2000年5月完工，從而實現(xiàn)了與九廠日供水量150萬m3/d相適應的污泥處理規(guī)模。
第九水廠采用常規(guī)凈水工藝加顆粒活性炭吸附的水處理工藝。沉淀池形式一期為加速澄清池，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行全流程處理。由于三期反應沉淀工藝耐沖擊負荷能力有限，不能接收全部一、二、三期反沖洗廢水及排泥池上清液，為方便運行管理，三期濾池反沖洗廢水進入一期處理系統(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入一期回流水池，回流水量約7萬m3/d，后經(jīng)提升泵送至一期加速澄清池前進行處理。
1.2 沖洗水系統(tǒng)存在問題
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m3/d，其中一、三期為50萬m3/d，二期為64萬m3/d。由于一期接納回流水、二期已是高負荷運行、三期混凝沉淀工藝不具備挖潛能力，故第九水廠已暫無挖潛能力，對應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處理至清水，不但可以減少對一期處理構(gòu)筑物的沖擊負荷，一期原處理沖洗廢水的能力用來處理原水后，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，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)計中，僅有2008年6月和2009年7月的回流水量大于7萬m3/d。故確定濾池反沖洗水單獨處理規(guī)模為7萬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廠區(qū)管道進入一期及三期回流水池處，故濾池反沖洗廢水處理設施宜就近建設在一期或三期回流水池附近。
因一期回流水池目前正在運行當中，局部改造將影響整個水廠的運行，經(jīng)綜合比較，本著安全生產(chǎn)，降低對水廠運行影響的原則，確定將廠址就近建設在三期回流水池北側(cè)。
2.3 工藝流程選擇
2.3.1 進出水水質(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來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)更具針對性、代表性。經(jīng)分析，回流水池水質(zhì)關(guān)鍵指標情況如下。
（1)濁度。回流水池中的顆粒物主要來自煤濾池、炭吸附池的的反沖洗水，對回流出水濁度的連續(xù)監(jiān)測結(jié)果顯示，其值在3～25NTU間變動，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濃度也相應變化。但有機物基本上沒有在回流水中富集。
（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，含有較高濃度的鐵、錳、鋁離子和藻類。
回流水池出水經(jīng)擴建和現(xiàn)有工藝處理后出水水質(zhì)需達到《生活飲用水衛(wèi)生標準》（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、短流程兩種選擇。
2.3.2.1長流程
長流程為新建混合絮凝、沉淀、過濾處理構(gòu)筑物，處理來水，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，新建強化混合絮凝構(gòu)筑物，加超濾膜處理工藝，膜反沖洗水進入廠區(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機或高分子材料，它能把流體分隔成不相通的兩個部分，使其中的一種或幾種物質(zhì)能透過，而將其它物質(zhì)分離出來。
超濾能將細菌、病毒、“兩蟲”、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、和病毒，經(jīng)膜過濾的水出水濁度可在0.1NTU以下。其缺點是投資較高。
考慮到膜工藝對小分子有機物、嗅味等物質(zhì)基本沒有處理效果，因此本方案在膜池前增設混合池，根據(jù)水質(zhì)情況投加PAC、三氯化鐵等藥劑，強化絮凝，提高處理效果。
2.3.2.3 方案對比
長流程、短流程各自有其優(yōu)缺點見表1.
經(jīng)綜合比較，長流程雖然運行管理經(jīng)驗豐富，但存在生物風險，占地面積大，不可能在九廠現(xiàn)有占地內(nèi)建設，故選擇技術(shù)領先、無生物風險且節(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物和嗅味，從而保障出水水質(zhì)。經(jīng)核算，原炭池的接觸時間為9.85 min；增加7萬m³/d水量之后，炭池接觸時間平均為8.06 min。
2.4 超濾膜類型的選擇
膜工藝按其膜組件的設置位置可分為浸沒式（一體式或浸沒式）和內(nèi)壓力式2種。浸沒式和壓力式膜的比較見表2。
綜合考慮浸沒式和壓力式膜的優(yōu)缺點，由于本工程待處理水為濾池、炭池反沖洗水，相對飲用水源水來說水質(zhì)較差，對膜系統(tǒng)抗污性能的要求更高，同時本著節(jié)能減耗，節(jié)約用地，降低運行成本的原則，工程推薦采用浸沒式超濾膜。
2.5 中試實驗
2009年10月，根據(jù)前期進行的技術(shù)交流，邀請國內(nèi)外五家公司，進行了中試實驗。
實驗采用回流水池出水，工藝流程為：機械混合-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。全部采用浸沒式超濾膜(見表3)，規(guī)模1～8m³/h(各公司水量不同)。
多數(shù)廠家的設備運行情況良好；主要水質(zhì)指標可以達到：濁度≤0.2NTU(100%);水回收率≥95%；細菌去除率≥99.99%；藻類去除率≥70%。膜通量較小的廠家，出水相對穩(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)設計原則
根據(jù)以上方案對比，確定處理工藝流程見圖3，工程設計規(guī)模為7 萬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、精細過濾后進入浸沒式膜池，膜池出水接至炭吸附進水渠，經(jīng)炭吸附后進入清水池。
為去除反沖洗水中的濁度、嗅味等，根據(jù)原水水質(zhì)在機械混合池投加FeCl3、粉末活性炭。設計膜通量＜40L/（m2·h）（根據(jù)中試結(jié)果確定）.
全系統(tǒng)為獨立的2個系列，單系列檢修時其余系列可滿足全部水量的70%以上。另外，系統(tǒng)附屬設備（如抽吸泵等）亦應有足夠備用，以保證在維修及事故時正常運行。
預留水廠原水接入膜處理車間條件。
3 工程設計
經(jīng)系統(tǒng)招標后，反沖洗廢水處理工藝總流程見圖4.
膜進水系統(tǒng)：濾池沖洗廢水取自三期回流水池，經(jīng)回流水泵提升通過廠平面連接管道進入機械混合池。同時，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)況三期炭吸附池進水渠。
溢流系統(tǒng)：膜池進水系統(tǒng)中設溢流，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、化學清洗池、原液池、配套設備及管路系統(tǒng)（包括水泵、閥門）和控制系統(tǒng)構(gòu)成（見圖5～圖7）。
膜處理車間共分為2個系列，每系列設混合池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，車間另設酸洗原液池1座、堿洗原液池1座。
混合池2座，單池設計能力3.5萬m3/d，每座設DN800進水管1條，進水管設可調(diào)節(jié)閘板閥，每格設一臺攪拌機，混合時間61.9s。
每2座絮凝池與1座混合池對應。投加藥劑后的原水，經(jīng)過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。每座膜池設兩格絮凝池，絮凝時間13.07min，每座絮凝池設一套帶絮凝套筒的絮凝攪拌機。
每座膜沉淀池分為可獨立運行的兩組。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6個膜組，膜組底下設穿孔曝氣管。
采用PVC膜，每個膜組膜面積1680㎡，膜有效過濾孔徑：0.01μm，設計膜通量24LMH，反洗周期及歷時：冬季：過濾1h，反洗1min，夏季過濾1.5h,反洗1min，反洗強度 70 L/（m2·h）。
每組膜池池底設有1套往復式池底刮泥機，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，可正反向運轉(zhuǎn)，正常運行與反沖洗可采用同一臺水泵。反洗時抽吸泵反轉(zhuǎn)將濾后水反向透過中空纖維膜、同時在膜底部曝氣，通過氣沖擦洗中空纖維膜絲表面去除沉積物。
每格膜池設有集水總管，與每組膜的集中出水管通過快速接頭連結(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 DN400氣動蝶閥，抽吸泵與出水總管之間設 DN400手動檢修蝶閥。
膜池運行時由轉(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)水打回膜組進行膜的反洗。
超濾膜反洗系統(tǒng)除了由水沖洗外，還需要進行間隙性曝氣擦洗。每格膜池設一組穿孔曝氣管，進氣管上設 DN200氣動蝶閥，在膜池進行反沖洗時，輔助以鼓風曝氣。反洗后不排水，轉(zhuǎn)子泵正傳，開始出水抽吸。
設2臺羅茨風機（1用1備）滿足氣洗條件。
設壓縮空氣系統(tǒng)滿足氣動閥門控制及氣檢（斷絲檢測）。
化學清洗包括在線維護性清洗和離線化學清洗。
維護性清洗在線進行，通過反洗時加入濃度較高的次氯酸鈉，以100mg/L濃度次氯酸鈉浸泡。
離線化學清洗需要人工移動和連接。清洗的過程由人工完成，包括浸泡、鼓風曝氣和清洗液的來回抽吸。清洗廢液經(jīng)中和無害化處理后排放。
化學清洗系統(tǒng)主要由2臺清洗水泵（Q=60~80m3/h H=10m n=400rpm N=5.5kw）、4格清洗水池（26m3/格）、2格原藥儲存池（1格30%氫氧化鈉23.5 m3、1格31%鹽酸9.5m3）、2個中間儲液罐（Φ1560×900）等組成，并設蝶閥、液位計、pH計、流量計等配套設備。
根據(jù)時間和跨膜壓差來決定何時進行化學清洗。
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在膜車間的附屬設施的一層。
三氯化鐵原液加藥泵投加，最大設計投加量30mg/L。
次氯酸鈉原液加藥泵投加，最大設計投加量20mg/L。膜清洗用次氯酸鈉亦由此提供。
粉炭采用半自動投加，最大設計投加量50mg/L。袋裝粉末活性炭經(jīng)小包裝破包機破包后通過真空吸料加入料倉，經(jīng)螺旋給料機輸送給濕化槽，之后由水射器投加至機械混合池內(nèi)。
4 應用總結(jié)
第九水廠應急供水工程是國內(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，由于無先例可尋，缺乏相關(guān)經(jīng)驗，在實施過程中遇到了一些困難和問題，對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m3/d規(guī)模供水能力。另外，共占地2360m2，遠低于相關(guān)指標，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，充分考慮到單獨膜工藝對可溶有機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。當回流水水質(zhì)較差時，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，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。工程實施后，膜池來水濁度雖然不非常高（＜20NTU），出水也達標，但直接后果是需要頻繁化學清洗。雖然化學清洗后膜通量及跨膜壓差均有很好的恢復，但增加了維護、管理的工作量（受場地限制，化學清洗最多可同時清洗兩組膜架）。如有條件，增加1座沉淀池，將使膜池的進水濁度降低到3NTU以下，其化學清洗的次數(shù)將有可能減少。
4.2.2膜池獨立分格并以配水堰配水
本項目為3格膜池組成一組膜池可單獨運行，該布置方式雖然減少了管道連接，但運行不便，不利于膜的維護、維修。
單組膜池內(nèi)膜架較多，造成配水均勻性難以保障，單池化學清洗時，一組膜池（三格）停水，增加了其它池的負擔。
如采用獨立分格，并每格設置獨立配水堰配水，配水均勻可以保障，運行靈活性亦將提高。
4.3. 運行優(yōu)化
4.3.1排泥問題
運行初期，一組膜池每小時排泥1次，每次5min，幾乎對膜反洗水不進行排放。運行一段時間后，發(fā)現(xiàn)反洗后跨膜壓差恢復幅度較小。
針對該問題，試著膜池進行排空，進水之后按原運行參數(shù)運行，發(fā)現(xiàn)反洗后跨膜壓差得到很好恢復。放空前后膜池的跨膜壓差發(fā)生明顯變化，說明沖洗水不排放，導致水中污染物富集對膜絲運行產(chǎn)生了較大影響。
目前，排空為每周兩次，上述問題得到解決。
4.3.2化學清洗
根據(jù)膜廠家建議，采用鹽酸作為化學清洗酸洗藥劑。由于鹽酸具有很強的揮發(fā)性，其揮發(fā)物對清洗環(huán)境人員健康及設備均不利，設置了單獨的通風裝置亦作用不大。
解決方式：采用檸檬酸代替鹽酸作為酸洗藥劑。
5 運行效果
膜處理車間自2010年7月14日起投入運行至今，各項水質(zhì)指標均滿足國家標準及設計要求，其中濁度滿足≤0.2NTU的標準（見表4）。
從表4可見，過濾精度高，濾后水濁度≤0.2NTU（100%），對水中顆粒物、藻類、細菌、病毒均有優(yōu)良的截留效果。實際運行中，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，大大降低對一期處理工藝的沖擊。此外，工程自動化程度較高，膜池液位調(diào)節(jié)平穩(wěn)，運行穩(wěn)定。
