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，中心城區當時的供水能力與需求基本飽和，沒有任何安全系數可言，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 第九水廠現狀
北京市第九水廠設計總凈水規模為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，從而實現了與九廠日供水量150萬m3/d相適應的污泥處理規模。
第九水廠采用常規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、三期為側向流波形斜板沉淀池（其中二期06、07年改造為微砂循環沉淀池，規模為64萬m3/d）；濾池一期采用虹吸濾池，二、三期采用均質濾料濾池。
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。
第九水廠現有一期、三期回流水池各2座，其中一期回流水池總容積2688m3，共分2座4格，單格水量672 m3，三期回流水池總容積3600 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。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，后經提升泵送至一期加速澄清池前進行處理。
1.2 沖洗水系統存在問題
第九水廠濾池反沖洗廢水經回流水池回流至一期混合井，對一期處理構筑物沖擊較大。降低了一期處理構筑物的供水安全性。
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 技術方案選擇
2.1 規模確定
根據回流水量統計，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，經綜合比較，本著安全生產，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。
2.3 工藝流程選擇
2.3.1 進出水水質特性
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數據更具針對性、代表性。經分析，回流水池水質關鍵指標情況如下。
（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監測結果顯示，其值在3～25NTU間變動，而原水濁度常年穩定在1～5NTU，顆粒物粒徑大多在2um以下，屬于難沉淀顆粒。
（2) 有機物。根據表中結果顯示，隨著原水水質的季節性變化，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。混凝沉淀工藝難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。
回流水池出水經擴建和現有工藝處理后出水水質需達到《生活飲用水衛生標準》（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、過濾處理構筑物，處理來水，產生的污泥排入廠區現有污泥處理系統。
2.3.2.2 短流程
短流程為，新建強化混合絮凝構筑物，加超濾膜處理工藝，膜反沖洗水進入廠區現有污泥處理系統。
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能透過，而將其它物質分離出來。
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。
本方案考慮用超濾膜作為反沖洗水處理的關鍵單元，可以高效的去除兩蟲、和病毒，經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、嗅味等物質基本沒有處理效果，因此本方案在膜池前增設混合池，根據水質情況投加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、短流程各自有其優缺點見表1.
經綜合比較，長流程雖然運行管理經驗豐富，但存在生物風險，占地面積大，不可能在九廠現有占地內建設，故選擇技術領先、無生物風險且節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。經核算，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較差，對膜系統抗污性能的要求更高，同時本著節能減耗，節約用地，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，根據前期進行的技術交流，邀請國內外五家公司，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)，規模1～8m³/h(各公司水量不同)。
多數廠家的設備運行情況良好；主要水質指標可以達到：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，出水相對穩定；其中，部分廠家膜孔隙較大，存在粉炭堵塞膜孔隙現象。
2.6 系統設計原則
根據以上方案對比，確定處理工藝流程見圖3，工程設計規模為7 萬m3/d。
現況濾池反沖洗廢水收集后，用回流泵提升至膜處理車間，經混合絮凝、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，根據原水水質在機械混合池投加FeCl3、粉末活性炭。設計膜通量＜40L/（m2·h）（根據中試結果確定）.
全系統為獨立的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
經系統招標后，反沖洗廢水處理工藝總流程見圖4.
膜進水系統：濾池沖洗廢水取自三期回流水池，經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：經管道接入現況三期炭吸附池進水渠。
溢流系統：膜池進水系統中設溢流，接至廠內溢流渠。
排水系統：膜沖洗水排入廠區排泥系統；膜化學清洗中和后廢水，排入廠區污水管。
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（包括水泵、閥門）和控制系統構成（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，進水管設可調節閘板閥，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，經過充分的混合和完善的絮凝，才能脫穩和凝聚成礬花，使這些投加的藥劑充分發揮作用。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，接至廠區排泥系統。
每格膜池出水采用水泵抽吸，水泵采用了轉子式的容積泵，可正反向運轉，正常運行與反沖洗可采用同一臺水泵。反洗時抽吸泵反轉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。集水總管連結抽吸泵和出水總管。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。
膜池運行時由轉子泵低速正轉抽吸，水泵的轉速由膜池的水位控制。膜的反沖由該泵高速反轉，將中央出水管的產水打回膜組進行膜的反洗。
超濾膜反洗系統除了由水沖洗外，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。清洗廢液經中和無害化處理后排放。
化學清洗系統主要由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；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。袋裝粉末活性炭經小包裝破包機破包后通過真空吸料加入料倉，經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。
4 應用總結
第九水廠應急供水工程是國內首次大規模采用超濾膜技術處理濾池反沖洗廢水的工程，由于無先例可尋，缺乏相關經驗，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跟蹤總結。
4.1 總結
4.1.1短流程工藝節約占地
本項目采用短流程工藝，在保障水質的前提下，節約占地。在現況第九水廠用地范圍內，新增7萬m3/d規模供水能力。另外，共占地2360m2，遠低于相關指標，體現了節約用地原則。
4.1.2利用現有水廠資源保障出水水質
本項目中，膜車間出水，接入現況三期炭吸附池，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，體現出水行業中多重屏障理念。
膜車間除可接納濾池反沖洗廢水外，還可接納水廠原水。當回流水水質較差時，啟用原一期回流水池，將回流水接入一期處理構筑物采用長流程處理；膜系統接入原水處理，從而在保障供水能力的同時，保證水質安全。
4.2 系統優化
4.2.1增加前處理構筑物
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，發現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運行，發現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性，其揮發物對清洗環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，膜池液位調節平穩，運行穩定。
