设计案例 | 水厂压力式超滤膜处理车间工程设计
超滤膜是指膜孔径为5 nm～0.1 μm，截留分子量为1 000～1 000 000 Da的膜，可以分为压力式和浸没式两种形态。
本文将小结已有超滤膜工程流程布置、技术指标、设计参数，并且结合具体工程实例，对压力式超滤膜处理车间设计要点进行归纳和探讨，为今后的设计应用提供参考。
1. 超滤膜应用现状
根据超滤膜截留分子量，是一种精密过滤工艺，一般认为可以替代常规处理中的砂滤池。而超滤膜处理车间单位水量占地略少于砂滤池，许多建造年代较早、用地紧张的净水厂会采用超滤替代砂滤的工艺流程(图1)。如宁波市江东水厂，上海徐泾自来水厂，天津市杨柳青水厂等。
图1 超滤膜替代砂滤池的工艺流程图
国内超滤膜处理工艺并不普及，管理运行经验匮乏，若将超滤膜处理车间代替砂滤池，净水效果无法完全保证，因此，更多工程实例将超滤膜工艺用于深度处理工艺(图2)，如杭州清泰水厂、东营南郊净水厂。甚至将其作为臭氧-生物活性炭处理工艺之后进一步降低浑浊度(图3)，防止生物泄露至清水池的手段，如上海青浦第三水厂，无锡中桥水厂等。
图2 超滤膜替代深度处理的工艺流程图
图3 超滤膜用于O3-BAC后的流程图
2. 技术指标的选择与探讨
超滤膜的技术指标主要包括膜通量、水温、回收率和出水水质控制等。
一般选择采用压力式超滤膜，是为了追求更好的出水水质。有研究表明超滤膜能有效去除水中颗粒物、胶体、大分子有机物，还能控制细菌等微生物，对控制“两虫”也有较好的效果。现有的工程实践表明压力式超滤膜出水水质一般可以满足浊度≤0.1 NTU、“两虫”去除率≥6 log、细菌去除率≥4 log，病毒去除率≥90%(指标生物一般为大肠杆菌噬菌体MS2)。而若出水水质无法做到上述要求，在现有的价格条件下，采用压力式超滤膜技术意义较小。
膜通量是基本的设计参数。其大小直接关系着所需要的膜面积、并影响膜装置的占地和设备的造价。膜通量的选择可以通过中试试验确定，也可以根据现有其他水厂的运行经验进行确定，一般可以为40～80 L/(㎡·h)。
水温对超滤膜系统运行影响巨大。水温越低，水的黏度就越大，膜通量越小，膜产水越困难。水温直接影响膜通量，进而影响膜装置的产水效率。有研究表明，在20 ℃基础上，温度每下降1 ℃，通量约下降2.5%。根据《城镇给水膜处理技术规程》(CJJ/T 251—2017)规定，膜处理工艺的正常设计水温不宜低于15 ℃，最低设计水温不宜低于2 ℃。考虑各系统设计参数时，一定要考虑水温造成的膜通量的变化对各设备参数选取的影响。
压力式超滤膜回收率也是较为主要的技术指标，其决定膜设备的大小水源水的水量。较低的回收率会增加设备的规模及前置构筑物的水力负荷，因此，压力式超滤膜主系统的回收率考虑≥95%。若要保证一定出水规模条件下，前置构筑物的水力负荷的减小，可以考虑将超滤膜处理工艺设置为带回收系统的二级膜处理流程，此时系统设计总回收率可达99.5%。在淡水水源匮乏地区净水厂往往采用二级膜处理流程，以减少原水泵房取水压力。
3. 系统的组成
压力式膜处理设施包括进水系统(进水提升泵、保安过滤器及总管)，过滤系统(膜组件及膜组)，物理和化学清洗系统、排水系统、出水系统(总管及堰)、完整性检测系统、自动控制系统和供电系统,如图4所示。
图4 压力式膜处理设施系统组成
原水经水泵提升后进入超滤系统，超滤进水通过给水泵进入0.1 mm的自清洗过滤器后，再进入公共配水母管，通过流量控制阀进入各个处理膜组。
排水系统是指反冲洗水经膜系统内部回收利用后，废水排放系统。废水可直接排入厂区雨水系统，也可进入水厂其他回用水系统统一利用。
膜系统包含配套自动清洗系统，其中包括空气擦洗，水反冲洗，维护性和恢复性化学清洗。空气擦洗系统主要包括鼓风机和配套管配件；水反冲洗系统主要包括水泵和配套管配件；化学清洗系统组成具体见4.5节。
完整性检测系统是指为了保证膜的完整性而使用的相关监测手段和膜完整性测试。国内的判断方法主要分为在线监测和离线检漏两种方式。净水厂设计一般采用一种在线和一种离线方法最终判断哪个膜组件出现漏损。
4. 处理车间的布置
4.1 车间整体布置
压力式超滤膜处理车间一般分为如下功能区：提升泵房、过滤系统车间(包括主系统和回收系统)、化学清洗车间、反冲洗泵房、鼓风机房、废液处理井、配电间、控制室和配套水池。
应尽可能将膜组件布置在同一楼层内，以减少提升设施和管道负荷，避免能量损耗。管道应尽量采用不锈钢材质，有利于减小膜污染负荷和提高出水水质，从而延长膜系统的使用寿命。
化学清洗车间应靠近过滤系统车间，配电间则应靠近用电量较大的提升泵房。清洗车间和配电间对层高要求较低，可考虑临近布置，减少辅助系统所在建筑高度，既减少造价也利于建筑外形美观。
配套水池在场地不足条件下可以考虑下叠至其他车间下方，人孔、通气及溢流设施布置原则同其他下叠水池。由于膜出水的富余压力较大，在进行出水渠道和水池结构设计时，应充分考虑其顶板承压的可能。下叠水池包含膜组提升泵吸水井、膜产品水池、化学废液处理井等，若设置回收系统，应设计二级泵吸水井和回收水池。
钢筋混凝土结构的建筑无法满足膜架设置车间跨度大于15 m内部无柱的空间要求，因此，膜处理系统所在车间应考虑采用钢结构屋顶以保证空间需求。超滤膜处理车间进水泵房有一定的起吊要求，为方便吊车的安装和运行，泵房宜采用钢筋混凝土结构。
4.2 平面布置实例
我国北方某市水厂超滤膜处理车间不同平面布置方案如图5、图6所示。该超滤膜车间用于深度处理工艺之中，流程位于臭氧-生物活性炭处理工艺之后。由于场地条件限制，为充分利用厂区地块，膜车间平面为右上角突出的手枪状建筑。充分利用空间，膜车间非膜进水泵房的下层均为水池，包括吸水井、回收水池、出水渠道等。车间内膜进水泵房为钢混结构，过滤系统车间确定为钢结构屋顶。
由图5可知，方案一过滤系统主系统位于膜车间正下方。膜进水泵房位于整个膜车间中心的位置。膜车间右上角为配电室、控制室和回收系统，车间最左侧为化学清洗系统。其余设施布置如下叠水池、二级提升泵等均如图5所示。
图5 某超滤膜处理车间平面布置方案一
图6 某超滤膜处理车间平面布置方案二
方案二中除过滤系统主系统位置保持不变外，对其他功能区均进行了调整，具体如图6所示。调整后钢筋混凝土结构的进水泵房在车间最左侧，反冲洗水泵与进水泵房合并设置。方案一中进水泵房位置布置配电间及控制室。同样为钢混结构的化学清洗车间同鼓风机等其他设置布置于车间右上角。在右上角突出区块下方布置主系统膜回收水池兼二级膜系统吸水井，并采用潜水泵作为提升装置。
对比方案一及方案二可知，方案二使手枪状平面被分割了成了三个规整的矩形(图6中框选)，三区域不同屋顶结构设计难度降低。进水泵房位置的相对独立使下叠水池集中设置，这对结构布局也十分有利。而在右上角设置回收水池，使得水质较好的一级膜进水泵吸水井(臭氧-生物活性炭处理出水)及出水渠道(超滤膜处理出水)不与回收水池共池壁敷设，也保证了出水水质的安全。
综上，方案二才是本工程较佳的平面布置形式。
4.3 膜进水泵房设计
膜处理车间进水泵房一般是整个超滤膜处理车间最深的厂房，由于膜车间的特殊要求，此处结构形式又与其他车间差别较大。因此，应充分考虑其平面位置，保证建筑美观及结构合理。具体布置实例已在5.2中详细介绍。进水泵房其它设计要点同一般泵房设计。
进水泵房的扬程应根据式(1)确定，一般扬程可达24～35 m。
H=h+Ho+∑h (1)
其中：H—膜进水泵房水泵扬程，m；
h—超滤膜跨膜压差，m；
Ho—水泵吸水处水位与出水水位的几何高差，m；
∑h—水泵吸水管以及送水到出水口的沿线和局部阻力损失的综合，m。
一般各膜系统的阻力损失和几何高差差距不大。扬程的高低主要取决于额定跨膜压差。额定跨膜压差主要受设计水温影响，水温越低，跨膜压差越大。膜的额定使用寿命也将决定跨膜压差的大小，一般额定使用寿命越长，额定跨膜压差越大。进水泵房水泵额定扬程采用了最不利工况下的计算结果，与实际工作扬程差距较大，因此，水泵应考虑变频，并充分计算水泵变频曲线后确定水泵型号。
二级膜处理提升系统可考虑采用潜水泵，此时回收水池和二级吸水井可合并使用。
4.4 物理清洗系统布置
在运行过程中，进水中固体物质会逐渐积累在膜的表面，从而增加透膜压差。物理清洗能有效地去除膜表面的固体物质，包括反冲洗泵、鼓风机，甚至控制系统所需空压机和空气罐。
一般超滤膜系统物理清洗系统间隔时间为30～60 min，每次清洗时间为30～60 s。由于反冲间隔时间较短，若膜组较多或有回收系统，应根据膜组总数量选择是否需要设置多套物理清洗装置。
考虑到本车间出水可能与下游未经膜处理的产品水混合，为保证超滤膜反冲洗水的水质和膜使用寿命，反冲洗水泵宜采用膜处理出水母管吸水的方式。且出水母管与下游产品水池之间应有空气隔断设施。
4.5 化学清洗系统布置
化学清洗系统包括次氯酸钠、柠檬酸、亚硫酸氢钠、氢氧化钠和混凝剂原液储罐、清洗储罐、循环泵和废液处理井，主要服务于膜系统的维护性清洗和恢复性清洗。
维护性清洗是指用低浓度化学清洗来恢复膜透过率的方法，使用的化学药剂为柠檬酸和次氯酸钠，间隔时间为每个膜列一天一次，每次清洗时间约15～30 min。恢复性清洗是指用较高浓度化学清洗来恢复膜透过率的方法，使用的化学药剂与维护性清洗相同，间隔时间为每个膜列一月一次，每次清洗时间约4～6 h。清洗完毕的化学废液将会进入废液池，由氢氧化钠与亚硫酸氢钠进行中和或氧化还原反应后，再进行统一处置。化学清洗流程如图7所示。
图7 化学清洗流程图
次氯酸钠和亚硫酸氢钠为氧化还原性较强的化学品，盐酸、氢氧化钠为强酸强碱，腐蚀性较强，若相互混合将会发生化学反应。无论是氧化还原或中和反应均会产生热量，热量若无法及时释放，轻则导致配套设置损坏，重则将会导致危险。因此，应在储罐布置区域设置联通所有原液储罐的药液集水槽，保证即使会反应的两种药剂不慎泄露，也能在集水槽中反应完毕，反应产生热量的扩散之后，再排放至管道中。固体柠檬酸为可燃物，建议在车间内存储柠檬酸溶液，而车间内的化学药剂应尽可能采用低浓度储存。
4.6 消防及安全
超滤膜处理车间建筑等级一般为丁类厂房、耐火等级为一、二级，根据《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)规定，可以不设消火栓。但仍应根据当地消防部门的具体要求确定超滤膜处理车间的消防设施。
超滤膜处理车间中，危险源主要是用于化学清洗的药剂，具体安全措施详见4.5节。在调试和运行时，为保证安全不可将两种不同化学清洗药剂的同时放空。
5. 结论
(1)超滤膜处理系统在净水工艺流程中可作为砂滤池替代工艺，也可用于深度处理工艺。
(2)超滤膜通量受水温影响较大，出水水质一般较好，主系统回收率在95%以上，若要提高回收率，可考虑增设二级膜回收系统。
(3)超滤膜系统组成复杂，应充分考虑车间内部布置和与外部衔接的设计。
(4)超滤膜处理车间布置时，应根据不同区块特点选择合理的结构形式，相似建筑结构车间及功能区域应集中布置。
(5)物理和化学清洗系统设计应方便膜处理系统的运行，化学清洗系统设计应考虑药剂储存及混合的安全性。
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