以奥运公园废水再生为例论浸没式膜系统的设计与优化
膜系统是高度集成的工程技术。需要丰富扎实的工程知识和经验进行设计优化。在早期，由于未能全面掌握膜及工艺集成优化，人们经受了许多挑战和教训，也获得了宝贵的开发高效可靠膜系统的经验。本文以作为北京绿色奥运象征之一——清河奥林匹克废水再生工程为例，探讨膜系统的近代发展及工艺设计优化中的三个关键因素——膜和通量的选择，系统集成优化及污堵控制以及对膜寿命和性能的影响。
经优化设计，清河使用六列ZW1000V3膜系列，全自动在线清洗和全部膜池排空工艺膜式。20多个月的运行进一步证明，优化的膜系统不仅性能高效可靠，而且能明显提高膜使用寿命，降低生命周期总成本。更重要的是，膜运行TMP和不可逆污堵比设计值低，即使进水TSS较低，膜系统仍然可去除高达80%的浊度和30%COD，从而在任何情况下系统都能可靠地为奥运提供高质量的产水。
一、膜法再生水技术与绿色奥运
水资源匮乏、节约用水、更严格的环保法律法规和人民生活质量的提高加速了我国发展深度水处理的研发与应用。
膜法水处理技术己成为世界先进的深度水处理的主流技术。近几年，我国开始将膜技术应用于再生水处理。与传统工艺相比，膜法水处理技术具有占地面积小、操作简便、易于扩容等优点，特别是其出水水质好而且稳定，经其处理的再生水可用于市政杂用、景观、工业补水等方面。
“绿色奥运”是北京奥运会的三大理念之一，作为绿色奥运的重要组成部分，北京建成了10座再生水厂，2007年利用再生水的规模已经达到4.8亿立方米。清河再生水厂是北京市规划的国内供水规模最大、采用了最先进的浸没式超滤技术的再生水厂，其再生水直接回用于奥运公园景观水体等，相当于每天节约50万人的日均用水。
本文将以奥运清河再生水厂的设计和运行维护为例，探讨膜法再生水系统的工艺设计和优化。
二、膜系统与废水再生和再利用
近几十年来，用于废水再生和再利用的膜技术在北美和欧洲得到迅速发展；当前中国水处理工业如同十多年前的北美和欧洲一样，正经历着相似的变革。更加突出的是，膜技术的创新更快，竞争更激烈。促使膜系统技术更成熟，成本大幅度降低，使膜处理技术变成广为关注的、经济实用的方法。
但是，膜技术在北美和欧洲的快速发展中也经受了许多挑战和教训！例如，由于早期膜制造及工程技术不够成熟，膜系统容易出现断裂，淤堵，污堵等许多问题，结果导致换膜频繁和系统运行不稳定！有时，即使膜系统可以运行，但是能耗高，化学品消耗高，而且需要经常仔细的维护。工程界曾经一度对膜系统在废水再生和再利用中的推广和应用相当谨慎。因此为了改进和加强膜系统的性能和可靠度，对膜系统进行了大量的技术工程优化研究，积累了大量成功的经验。
在考虑25年的生命周期成本时，膜系统和传统系统以及不同的膜系统之间存在着巨大的差别；膜系统的生命周期总成本更多取决于长期运行成本-膜更换成本及能耗。当合适的膜知识和最新的膜系统集成的工程经验不能被恰当的应用到膜的制造、系统的设计和优化中时，业主就会面临极大的投资和运行风险。例如，选择恰当的高质量膜，且经过优化的膜系统的生命周期可以长达十年甚至更长；相反，差质量的膜系统的生命周期短至三年甚至更短。在25年的运行周期内，作为系统的主要部分，膜更换成本可以有三倍多的差别！另外，工程效果差的膜系统还有能耗和化学品消耗高以及维护频繁的弊端。
因此，基于以往成功的工程优化经验来对膜系统进行优化非常重要。无容置疑，北美和欧洲的经验对中国的水处理工业将有着重要的参考价值！用于废水再生和再利用的膜系统有三种类型：1)从外向内中空纤维膜，2)从内向外中空纤维膜，3)平板膜。平面图见图1。
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在不同的应用中，这三种膜各有优缺点。最近对于全球已知的膜装置统计表明，已安装的浸没式中空纤维膜日总处理能力超过了2000ML/天，超过了其他膜系统总处理能力的两倍。这清楚地表明了低压浸没式中空纤维滤膜的优势已经使它正在成为废水再生应用中的领导者。
三、浸没式中空纤维膜系统的设计和优化
膜系统的设计优化受许多因素影响，本文将集中关注有着重大影响的三个关键因素：膜和膜通量选择，系统设计和优化，以及膜污堵控制。
1、膜和膜通量选择
膜元件，作为膜系统的核心，直接决定其性能和可靠性。选择最适合应用目的的膜元件是开发一个优化膜系统的基础。
在浸没式中空纤维膜的应用中，膜丝经受到很强的冲击应力，膜丝断裂通常是限制其成功应用，特别是废水再生应用中的主要影响因素。
为了克服膜丝的弱点，浸没式中空纤维膜已经从早期的断裂率较高的“常规膜”演变为强化膜，以及能够承受超过50kg拉力的加强型膜（参见图2）。今天，在经济技术可比的情况下，应尽量选用耐冲击应力高的膜。
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在废水再生和再利用中有许多不同类型的浸没式膜。ZW中空纤维膜是这一领域的领导者。ZW膜包含有ZW500和ZW1000系列，每一系列有各种不同的膜产品来满足不同进水质量及处理的要求。
对清河项目，进水为优质二级出水，ZW1000系列投资省，运行经济可靠，细小的微孔可保证高质量的出水。
通量的选择对于投资、运行和生命周期成本有着直接影响。膜系统的长期运行性能不仅取决于高品质的膜元件，同时也强烈依赖于设计／运行通量。设计过高通量（常发生在激烈竞标中），使初期投资成本低而具有吸引力。但是膜污堵高、使用寿命缩短，能耗和化学品消耗也增加，反而造成膜系统生命周期总成本增高。不必要的低通量，又会使初期投资成本明显增高。遗憾的是，可靠的设计通量难以通过短期的中试获得，因为需要长时间才能看到许多关键因素对不可逆污堵的综合累积效应，包括进水水质及变化、最低进水温度、允许的最小产水量（一列膜停机时）及高峰流量的影响等。
因此，最终的通量选择必须在保证满足所有的处理要求条件下，对各种因素进行全面平衡。实践证明，可靠的通量只能基于相似大规模膜系统的长期运行数据来确定—工程数据库
2、浸没式中空纤维膜系统的集成和优化
图3是浸没式中空纤维膜系统的工艺流程示意图。
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与传统系统不同，进水水质，温度及其流量等的动态变化对于膜系统设计和运行的影响相对要严重得多。在任何情况下，膜系统所有的进水必须通过膜，即使在高峰流量／最小通量（膜使用寿命晚期）条件下。因此，膜系统的工艺设计，集成和优化比任何时候都更加重要！对于动态条件分析不足常常会导致膜系统设计效果出现很大的偏差。比如，在工程早期，一些项目的细节问题被遗漏，或假设的最具挑战的水质或高峰流量太偏，经多个环节采用的保守设计，导致膜系统设计过于保守，投资成本过高。另一方面，设计激进的膜系统不仅会有产水量不足问题，而且在高峰流量下可能出现严重的污堵等运行问题。
优化的关键是动态条件的全面分析，膜池和运行模式。从动态条件来看，膜系统的设计优化必须考虑以下因素：浸没式膜的种类及运行模式，预处理，温度变化/最低温度，悬浮固体／污物负荷和高峰持续时间，系统水力负荷，流量变化程度和持续时间等。
根据进水特性和膜的种类不同，膜系统可以依照两类主要操作模式来设计：
1、部分膜池排空/溢流模式。
2、全部膜池排空/膜池排空模式。
在早期阶段，膜系统经常按照部分膜池排空/溢流模式进行设计。最近，对于新的ZW500和ZW1000系列产品开始使用膜池排空模式来进行优化设计如图4所示。
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这种设计不仅继承了部分膜池排空设计的优点，而且还有许多其他优点。
(1)悬浮固体耐受度较高—絮凝剂添加量提高到20～30mg/L(ZWl000)。
(2)最大膜压（TMP）可达≈13psi，通量增加可高达≈40%。
其中一个关键好处就是膜系统可获得较高的TMP而不会增加成本，这样就可以使滤膜在较高优化通量下运行。
三、膜污堵的降低及控制
膜污堵有两种类型：可逆和不可逆污堵。可逆污堵可以通过适当的清洗工艺被完全恢复，而不可逆污堵很大程度上不能被恢复，且具有累积性。不可逆污堵主要依赖于膜质量，即时运行通量，进水特性，峰值因素，清洗模式和频率等。
在相似的进水特性和其他条件下，即时运行通量越高，峰值因素越大，污堵速率越高。图5和6表明，如果通量从40LMH增加到54LMH（仅仅增加25%），总体膜污堵速率增加2.7倍。这样污堵速率增加的很大一部分都是不可逆污堵，进一步证明了即时运行通量选择不当、长期在高即时运行通量下运行可导致膜系统不可逆污堵大幅度上升，膜的有效使用寿命大幅度缩短。
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进水中的化学物质如胶体和有机物、膜池中颗粒物负荷及类型同样对总体污堵速率和不可逆污堵速率有影响。为了保证膜可靠运行，最终总悬浮物浓度/负荷量要受到最大浓度的限制。（详情将会在以后的出版物中讨论）
清洗工艺、模式和频率是工程优化设计中控制不可逆污堵的关键。
实践证明，清洗模式II能够有效的降低污堵速率，可以最大程度的保护膜以避免不可逆污堵。清洗模式II必须自动在线进行。因此使用合适的控制系统来控制不可逆污堵非常重要。
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四、清河膜法再生水系统应用案例
1、项目背景
清河再生水厂是北京市为2008奥运会规划的规模为8万吨/日、高品质的再生水厂。该项目已于2006年8月建成，目前系统运行稳定，产水完全符合国家中水回用标准。其再生水直接回用于奥运公园景观水体，每年可节约清洁水源3千万立方米；从而缓解北京日益严重的缺水问题并改善和提升奥运村的形象。
2、工艺过程优化及特点描述
清河再生水厂采用了新一代ZW1000V3膜元件，膜箱和新的膜集成工艺。关键系统主要包括：0.5mm细格栅，ZW1000膜系统，全自动在线膜清洗系统，在线絮凝剂添加系统，活性炭滤床并配有臭氧系统，最终出水经CIO2消毒后送到奥运湖。图8给出了整体处理工艺过程。
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基于设计要求和进出水变化特性，同时考虑到前文提到的所有因素，对膜系统经过全面优化设计包括：
(1)ZW1000膜系统设计采用了优化的膜运行控制系统和膜池全排空模式（见图4）。膜系统含有6个膜列，每个膜列含9个ZW1000膜箱，每个膜箱含有60个膜元件。在任何一列膜处于清洗或维修状态下，膜系统都可100%满足80,000立方米/天的供水量。
(2)ZW1000膜和通量的选择——优化的膜系统的运行净通量不超过30LMH，即时运行通量不超过40LMH，运行膜压不超过-80kPa。
(3)可进行模式II的全自动在线清洗。必要时，还可自动在线在膜池前添加絮凝剂以去除进水中总磷（TP）。当添加絮凝剂时，优化的膜运行控制系统可控制膜池中TSS负荷量以100%满足TSS的优化设计要求。不会明显对膜增加不可逆污堵（见运行数据）。
3、清河膜系统操作性能分析
(1)膜进出水变化特性
清河膜系统的进水是来自于清河污水生物处理厂的二级优质出水，表3总结了近期膜进出水的特性，
(2)膜的总回收率和TMP变化特性
图9给出了运行TMP的变化情况，图10显示流量变化对水总回收率的影响。
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(3)膜系统对浊度及COD的去除性能
膜系统于2006年8月调试，从2006年11月开始正常运行，运行超过了20个月。截至2008年6月30日，在设计产水量（每天八万立方米）和设计回收率（90%）条件下，平均TMP位于-10至-15kPa的范围内，低于正常设计TMP。运行结果证明：
(1)在优化设计条件下，运行引起的膜污堵是可恢复的。这也同时表明配置有自动在线清洗的优化膜系统性能可靠，膜的使用寿命能被明显延长。而且在低TMP运行条件下，能耗和药耗相对减少。
(2)在不超过最大流量条件下，优化膜系统可耐受进水流量大幅变化，其运行TMP受进水流量大幅变化的影响小而稳定，并保持高的总水回收率（平均＞90%的设计值）。
(3)即使进水浊度较低（＜2NTU），ZW膜系统对浊度去除效率高于60%，在大多数情况下，可以接近80%的去除率。相比来说，传统的多介质过滤器去除浊度的效率要低得多。在这样的浊度去除水平下，膜系统的出水从外观来看已经非常接近自来水。
(4)ZW膜可以有效的脱除胶体/色度COD。COD脱除率在20%至30%，可明显改善下游诸如臭氧和碳过滤的处理效率。
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五、总结
膜系统包含两个关键要素：膜元件和系统集成优化。清河再生水厂近两年的成功运行再一次证明了膜的质量和通量、系统集成优化和降低污堵是决定膜系统整体性能的三个最关键因素。经过优化的ZW浸没式中空纤维膜系统可在稳定的低TMP（-10至-15kPa）、低污堵速率下长期可靠运行。从而，延长膜的有效使用寿命，明显降低生命周期总成本。即使进水TSS/COD极低，优化的ZW膜系统也能获得高达80%的浊度去除率、20%至30%的COD去除率。从而，极大地改善了下游臭氧和碳过滤等的处理效率；降低高级废水再生系统的总体成本，使出水能可靠的满足各种废水再生和再利用的目的。
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