浸没式超滤膜在水厂改造中的应用案例与分析

目录 • 一、修水县城市供水现状 • 二、罗桥水厂改造方案 • 三、浸没式超滤膜池运行情况分析 • 四、结论与展望 一、修水县城市供水现状 1.1 供水现状  修水县城区总人口约 25万人 ， 由第三水厂 （ 马家坳水厂 ） 、 第二水厂 （ 罗桥水厂 ） 供水 。  马家坳水厂设计总规模 10万 m3/d， 2010年建成规模 5万 m3/d， 水源为 东津水库 ， 采用浮船取水 ， 原水管线为 23km的 DN1000口径 PCCP管 。  罗桥水厂建于 1980年 ， 两条生产线总规模 3万 m3/d， 2010年停用 ， 2014改造 2万 m3/d的生产线 ， 目前日供水 0.7万 m3/d。 水厂原水取自南崖水电站前池 ， 东津水库 马家坳水厂 蓝崖水电站 罗桥水厂 一、修水县城市供水现状 1.2 城市供水系统存在的问题 01 修水县城市供水量约 7~8万 m3/d。 预计 2020 年城市需水量将达到 9~10万 m3/d。 存在 2万 m3/d 缺口 。 水量问题 02 城市供水安全问题 03 马家坳水厂扩建施工难度问题 （ 1） 从东津水库至马家坳水厂原水管线 23km； （ 2） 修水县为山区 ， 地势起伏较大 ， 沿线县道较窄 ， 管位紧张； （ 3） 现有 DN1000管线爆管频繁 ， 新建管线对原管线有一定影响 。 马家坳水厂 建成后 ， 由于原水管距离较长 ， 山区 地势起伏 较大等多方面原因 ， 爆管事件 时有发生 ， 停水事件影响较大 。 时 间 2013年 2014年 2015年 2016年 2017年 2018年 爆管次数 3次 2次 4次 4次 2次 4次 一、江西省修水县供水现状 修水罗桥水厂进行 增质扩容，并作为 城市备用水厂 马家坳水厂 进行扩建 1.3 解决策略 目录 • 一、江西省修水县供水现状 • 二、罗桥水厂改造方案 • 三、浸没式超滤膜池运行情况分析 • 四、结论与展望 二、罗桥水厂改造方案 2.1 厂区现状情况 清水池旋流反应池 虹吸滤池斜管沉淀池原水 清水池网格絮凝池 无阀滤池斜管沉淀池原水二期 南崖水电站压力前池 罗桥水厂位于 老城区 ，建设时间早，周边楼宇密集 。 厂区内空间狭小， 占地仅为 9.8亩 ,没有扩建 空地。 水厂部分构筑物风化、穿孔、损坏。 水处理工艺落后，难以正常产水。 二期 一期 二、罗桥水厂改造方案 2.2 总体改造方案 旋流絮凝池改造为网格絮凝池 ； 沉淀池采用斜管沉淀池 。 虹吸滤池改造为浸没式超滤膜 池 ， 配套反冲洗 、 膜清洗等附 属设施以及在线监测仪表等 ， 实现自动化控制 。 泵房规模扩建至 4.0万 m 3/d。 液氯消毒更换为次氯酸钠消毒 絮凝沉淀池 浸没式超滤膜池 加氯加药间 送水泵房 原水管 一期生产线扩容至 2万 m3/d 二期保留 管道口径由 DN400扩建 DN500 二、罗桥水厂改造方案 2.3 改造内容 -絮凝池 原絮凝池采用旋流絮凝 ， 池体 尺寸 9.3m× 6.3m × 5.0 m ， 共 6格 ， 絮凝时间 24min。 改造采用网格絮凝 ， 第 1格 安装直径 为 2.0m的垂直桨板式搅拌桨 ， 有效容积 26.4 m3， 水力停留时间 1.81min， 平均速度梯度 G 值为 165-1， GT值为 17900， 第 2~4格设置网 格 ， 每格 3层 ， 第 5~6格不设置网格 ， 计算 絮 凝时间为 10min。 同时 絮凝池 水投损失增加 0.18 m。 二、罗桥水厂改造方案 2.4 改造内容 -沉淀池 原沉淀池为斜管沉淀池 ， 池体平面 尺寸 9.9m× 6.3m， 高 5.0m， 清水区 1.2 m， 斜管区 高 0.87 m， 配水区 1.23 m， 表面负荷为 7.2m 3 /(m 2·h) （ 8.0mm/s） ， 共 6根混凝土集水槽 ， 出水负荷为 166m3/(m·d)， 改造更换斜管 ， 沉 淀区液面负荷取 14.4m 3 /(m 2·h) （ 4.0mm/s） ， 拆除现有 6根混凝土槽 ， 在 池壁内侧四周及中 间安装不锈钢指形槽 ， 控制出水负荷为 227.8m3/(m·d) 。 改造前 改造后 二、罗桥水厂改造方案 2.5 改造内容 -浸没式虹吸膜池 原滤池为虹吸滤池 ， 平面尺寸为 10.3m× 9.25m， 高 4.5m， 共 8格 。 利用 原池体作为膜池土建主体 ， 采用热法 PVDF中空纤维膜 ， 改造为 浸没式虹吸 超 滤 膜 ， 单格膜池产水量为 2500m3/d， 膜上淹没水深 0.3m， 膜单元高度 2.7m。 每格膜池设 1个膜单元 ， 有 100帘膜件 ， 设计膜通量为 33.93L/（ m2/h)。 二、罗桥水厂改造方案 2.5 改造内容 -浸没式虹吸膜池 虹吸 膜池产水方式为 无动力 虹吸出水 ， 作用水头为 1.5m， 运 行过程中 能有效利用 膜池 与 清水 池之间的液位差 ， 通过虹吸效果 进行系统产水 ， 膜池出水管 不设置 产水 泵 ， 省去了 传统的产水 泵 ， 首次 实现了 安全 的虹吸产水 。 h=1.89m h=1.5m 反应沉淀池 浸没式超滤膜池 清水池 传统虹吸膜池需要 产水 泵 不停的工作进行产水 真空泵造虹吸后即可停止 智能 CIP装置 二、罗桥水厂改造方案 2.6 改造内容 -膜池附属设施 附属设施包括： 真空系统 、 反冲洗系统 （ 气冲和水冲 ） 、 药液 循环系统 、 维护性 /恢复性 清洗系统 、 智能 CIP装置 。 能实现全 自动化控制膜池的制水 、 反洗 、 药洗 、 污染膜检测等功能 。 清洗药剂投加装置一体化曝气装置 反洗泵、药洗泵、 药输送泵 药液回收 /循环罐 真空系统 二、罗桥水厂改造方案 2.7 消毒及送水泵房 水厂离居民区距离很近， 考虑安全、膜的清洗等因 素， 将液氯消毒更换为次 氯酸钠消毒。 对水泵机组进行更换 ， 相关配电设施进行更 新 ， 将送水泵房扩容 至 4万 m3/d。 目录 • 一、江西省修水县供水现状 • 二、罗桥水厂改造方案 • 三、浸没式超滤膜池运行情况分析 • 四、结论与展望 三、浸没式超滤膜池运行情况分析 3.1 制水工况  膜池运行方式为产水 —曝气 —产水 —气水反冲 。 1个产水周期 包含产水 90min和 1次气反冲洗 ， 完成 5个产水周期后 ， 进行 一次膜池排空和气水混合反冲洗 。  清洗包含维护性清洗及恢复性清洗系统 ， 清洗药剂主要为次 氯酸钠及柠檬酸 。 设计维护性清洗一般 1～ 2周进行１次；恢 复性化学清洗视膜污染情况而定 ， 一般为 6-12个月 。  罗桥水厂改造项目 ， 达到设计产水量 2万 m3/d的要求 ， 高峰 期产水量能达到 3万 m3/d以上 。 三、 浸没式超滤膜池运行情况分析 3.2 水处理效果 本项目 原水浊度波动较大 ， 最高浊度可达 80NTU， 同时改 造后反应沉淀负荷提高一倍 ， 沉淀池出水浊度较高 ， 最高值 可达 33NTU。 虽然膜池进水水质较差 ， 但经过超滤膜处理后 ， 出水浊度 一直 维持在 0.04NTU及以下 。 水质检测结果均优于国家标准 。 超滤产水 项目（浊度） 最大值 最小值 原水 70 5 沉淀池出水 33 1.5 膜池出水 0.04 0.02 单位： NTU 沉淀池出水 三、浸没式超滤膜池运行情况分析 3.3 膜污染情况 ——维护性清洗周期 维护性清洗用到化学药剂有：次氯酸钠；柠檬酸；氢氧化钠；硫代硫酸钠 。 在水厂正常运行 过程中 ， 改变清洗周期 ， 探索最佳的维护性清洗周期 。 0 5 10 15 20 25 3/16 3/21 3/26 3/31 4/5 4/10 4/15 4/20 4/2 5 4/30 5/5 5/10 5/15 5/20 5/25 5/30 6/4 6/9 6/14 6/19 6/24 6/29 7/4 7/9 7/14 7/19 7/24 7/29 8/3 8/8 8/13 8/18 8/23 8/28 9/2 9/7 9/12 9/17 9/22 9/27 10/2 10/7 10/12 10/17 10/22 10/27 11/1 11/6 11/11 11/16 11/21 11/26 12/1 12/6 12/11 12/16 12/21 12/26 12/31 1/5 1/1 0 1/15 1/20 1/25 1/30 2/4 2/9 2/14 2/19 2/24 2/29 3/5 3/10 3/15 3/20 3/25 3/30 4/4 4/9 4/14 4/19 4/24 跨膜压差（ KPaa ) 时间（ d) 第一阶段 第二阶段 第三阶段 第四阶段 试验阶段 清洗周期 最大 TMP 清洗后 TMP 第一阶段 7天 5KPa 5KPa 第二阶段 30天 10KPa 5KPa 第三阶段 60天 20KPa 5KPa 第四阶段 30天 10KPa 5KPa 清洗周期 30天最佳 三、 浸没式超滤膜池运行情况分析 3.3 膜污染情况 ——截留污染物分析 截留物颗粒粒径分析 10%含量的污染物颗粒粒径在 2.86μm 以下 ， 50%含量的颗粒粒径 为 8.62μm 以下 ， 证明了超滤膜的优异截留性能 。 注：图中 C、 F元素为膜材料本身所含有的元素 污染物成分分析 其主要污染物为含 铝 、 铁 、 钙 元素的化合物 。 含铝的 污染物为混凝剂聚合氯化铝水解 ， 经混凝沉淀后的残留 ， 含铁 、 钙污染物则为原水中含有的铁 、 钙引起的污染 。 产水量与 TMP关系 TMP随产水量增大而增大 ， 用水高峰期时 ， 产水量可达 3.3万 m3/h， 此时 跨膜压差保持在 10kPa左右 ， 离 1.5m 的虹吸水头值还有余量 ， 产水量还可进 一步增大 。 说明 该工艺适用于老水厂扩容改造 ， 实现水质和水量同时提升 。 h 三、 浸没式超滤膜池运行情况分析 3.4 经济性分析 根据反洗及曝气的电耗进行计算 ， 电耗仅为 0.005 kW·h /m3［ 电价按 0.75 元 /( kW·h)计 ］ ， 折合电费为 0.004元 /m3。 药耗费用2 包括维护性清洗的药耗及恢复性清洗的药耗 。 a． 维护性清洗药耗 次氯酸钠的浓度为 100mg/L， 维洗周期为 1次 /30d， 则 维护性清洗药剂成本为 0.00105元 /m3。 b． 恢复性清洗药耗 设计的恢复性清洗周期为 1 次 /a， 清洗所用次氯酸钠浓 度为 1000 mg /L， 柠檬酸浓度为 2000mg /L， 则 恢复性清 洗药剂成本为 0.000 1元 /m3。 膜折旧费用3 膜使用寿命按 设计年限计算 ， 固定折旧费用约为 0.1元 /m3。 TOTAL（ 日常运行维护 ） = 2=0.00515元 /m3 TOTAL（ 总成本 ） = 2+3=0.10515元 /m3 目录 • 一、江西省修水县供水现状 • 二、罗桥水厂改造方案 • 三、浸没式超滤膜池运行情况分析 • 四、结论与展望 四、结论与展望 4.1 结论 改造过程历时４个月。 絮凝时间缩短一半 ， 仅 10min， 沉淀区液面 负荷 增加一倍 ， 为 14.4m3 /(m2·h) ， 设计 膜 通 量 为 33.93L/ （ m2/h) 。 产水浊度稳 定在 0.04NTU以下 ， 同 时水回收率超过 96%。 设立多个 PLC子站 ， 对膜池运行进行在线 监控 ， 实时调整运行 参数 ， 确保安全制水 。 从进水到产水全过程无 泵运行；清洗药剂循环 利用 。 作用水头为 1.5m， 首次实现了无抽吸 泵产水的虹吸膜滤 池 。 四、结论与展望 4.2 展望 ——虹吸膜池运行工艺优化（ RSM优化） 以 减缓膜污染为目标 ， 将 △ TMP（ 冲洗周期内的 TMP增长量 ） 作 为膜污染表征参数 ， 利用 RSM法 （ 响应曲面模型 ） 对浸没式超滤工艺 运行参数进行优化 ， 选择 水冲强度 、 曝气强度 和 冲洗周期 这三种最 为显著影响 △ TMP的因素进行分析 ， 最终达到对工艺运行参数优化 、 减缓膜污染的目的 。 水冲强度 曝 气 强 度 1.00.50.0-0.5-1.0 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 冲洗周期 0 保持值 – – – – – – – – – – – – 0.50 0.50 0.75 0.75 1.00 1.00 1.25 1.25 1.50 1.50 T M P 增长量 ）代表冲洗周期（ ）代表曝气强度（产水量）、代表水冲强度（倍其中 h mm R     23 2 22 // 022 2.005.0009 7.0142.0 13.018.0481.0028.0036.0846.0   对方程求解 ， 得出最小 △ TMP的水冲强度 、 曝气强度和冲洗周期 工况组合 。 经优化后得出 水冲强度在 2.11倍产水量 、 曝气强度在 71.9m3/m2、 冲洗周期为 1h时 △ TMP值最小为 0.492kpa。 RSM模型多元回归方程 四、结论与展望 4.2 展望 ——下一步实现无人值守，为偏远农村提供解决方案 目前在 我司的 新建县唐山镇 、 铁河乡 、 瑞金农村饮水工程中 均 采用外压式 膜组件 ， 并配置自动化控制设备 。 基于罗桥水厂 膜系统 改造获取的经验与 优势 ， 下一步 尝试将 膜系统升级为无人值守 ， 为偏远农村 探索 一种新的解 决方案 ， 保障农村饮水安全 。 谢谢大家！