1城市飲水超濾水廠在我國(guó)的發(fā)展
將超濾用于城市飲水凈化是凈水工藝的一大進(jìn)步。超濾能大大提高飲水的生物安全性;是最有效的固液分離技術(shù)，能獲得濁度遠(yuǎn)低于0.1 NTU的用水;與其他水處理技術(shù)組合，能獲得高質(zhì)量的飲水;是利用21世紀(jì)材料科學(xué)的最新發(fā)展來(lái)改造和提高城市飲水凈化技術(shù)的重要成果。超濾水廠近年來(lái)在我國(guó)形成了加速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。到2013年底，規(guī)模>100 m3/d的水廠數(shù)目遠(yuǎn)超過(guò)300座，總體規(guī)模遠(yuǎn)超過(guò)200萬(wàn)m3/d，其中規(guī)模在1萬(wàn)m3/d以上的超濾水廠已超過(guò)30座。
2什么膜適用于城市飲水凈化
膜的品種和規(guī)格很多，但用于城市水廠的膜應(yīng)滿足飲水凈化的要求。對(duì)城市飲水而言最主要的是飲水的安全性，即生物安全性和化學(xué)安全性，其中生物安全性是首要的。
水中致病微生物有病毒、細(xì)菌、原生動(dòng)物等。用于城市飲水凈化的膜應(yīng)能去除水中致病微生物，以提高飲水的生物安全性。水中致病微生物中病毒最小，其尺寸在0.02～0.45 μm之間�？捎糜诔鞘兴畯S去除病毒的有超濾膜和納濾膜。用于城市水廠的納濾膜需進(jìn)口，且能耗較大。所以超濾膜是目前用于城市水廠的主流產(chǎn)品。
對(duì)超濾膜孔徑和病毒去除率的要求。一般認(rèn)為，超濾膜孔徑大于納濾膜的1nm，小于0.1 μm。所以，有的超濾膜孔徑可能大于0.02 μm，不能完全截留病毒。只有孔徑不大于0.02 μm的超濾膜，才能將水中包括病毒在內(nèi)的致病微生物有效去除，大大提高飲水的生物安全性，適于城市水廠采用。
2009年美國(guó)頒布的對(duì)水中病原微生物的指標(biāo)要求見(jiàn)表1，其中病毒的去除率要求達(dá)到99.99%。我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》雖然尚未對(duì)水中病毒去除率提出要求，但國(guó)內(nèi)外已有一些廠家能生產(chǎn)孔徑不大于0.02 μm的超濾膜，其病毒去除率可達(dá)到99.99%。所以要求用于城市水廠的超濾膜對(duì)病毒的去除率達(dá)到99.99%在技術(shù)上是可行的，并且膜價(jià)格并不比孔徑更大、對(duì)病毒去除率達(dá)不到上述要求的超濾膜貴。
根據(jù)城市飲水對(duì)生物安全性的要求，提出上述對(duì)超濾膜孔徑和病毒去除率的要求，是飲水區(qū)別于其他用水的一項(xiàng)重要特點(diǎn)，它將對(duì)用于城市飲水凈化膜材料的發(fā)展起重要引領(lǐng)作用。
3低通量運(yùn)行是超濾水廠發(fā)展的方向
膜通量和膜污染無(wú)疑是超濾應(yīng)用中最重要的問(wèn)題。膜通量就是單位膜面積上過(guò)濾水的流量，常以L/(m2˙h)表示。
膜污染就是在膜濾過(guò)程中膜阻力增加的現(xiàn)象。膜污染常區(qū)分為可逆膜污染和不可逆膜污染。通過(guò)物理方法(氣洗、水洗)可恢復(fù)的稱(chēng)為可逆膜污染;物理方法不能恢復(fù)，只能通過(guò)化學(xué)清洗方法恢復(fù)的稱(chēng)為不可逆膜污染。
膜通量與膜價(jià)格有關(guān)。膜價(jià)格高，設(shè)備投資很大，為降低設(shè)備投資，常采用高的膜通量。膜技術(shù)發(fā)展初期，膜價(jià)格很貴，所以采用高的膜通量，例如：數(shù)百L/(m2˙h)。
膜污染與膜通量有關(guān)。一般膜通量愈高，能耗愈高，膜污染也愈迅速，需采用頻繁的物理和化學(xué)方法來(lái)清除污染，恢復(fù)膜通量，這不僅使膜運(yùn)行費(fèi)用增大，還使操作復(fù)雜，也影響膜的壽命;此外還存在清洗廢液對(duì)環(huán)境的污染，在其處理處置方面需加大投資。所以，高的膜通量只宜在小型設(shè)備中使用。
任何工程都要求技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟(jì)上是合理的。膜通量關(guān)系到工程的建設(shè)費(fèi)，也關(guān)系到工程的運(yùn)行費(fèi)。膜通量越高，建設(shè)費(fèi)越小，但運(yùn)行費(fèi)(電費(fèi)、物理清洗費(fèi)、化學(xué)清洗費(fèi)等)便越高，反之亦然。使在資金償還期內(nèi)建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)之和為最低的膜通量，就是最經(jīng)濟(jì)的膜通量，可稱(chēng)為經(jīng)濟(jì)膜通量(與管道中經(jīng)濟(jì)流速的概念相似)。
隨著膜材料科技的發(fā)展，膜價(jià)格隨之降低，相應(yīng)地設(shè)備投資也隨之降低，現(xiàn)已降至可接受的水平，從而開(kāi)始在城市水廠規(guī)模化使用。如仍采用高的膜通量，運(yùn)行費(fèi)就會(huì)顯得過(guò)高。為了降低運(yùn)行費(fèi)，就要降低膜通量，以減小膜污染及能耗。所以隨著膜價(jià)格降低，降低膜通量將是一個(gè)大趨勢(shì)。
城市大型水廠處理水量大，常達(dá)數(shù)萬(wàn)至數(shù)十萬(wàn)m3/d ，特別要求能安全穩(wěn)定地工作。水廠一旦因故停止供水，對(duì)城市生活影響極大，是絕對(duì)不允許的，所以對(duì)大型水廠工作的穩(wěn)定性要求極高。
對(duì)膜的可逆污染的物理清洗(氣洗、水洗)與傳統(tǒng)砂濾池類(lèi)似，易于操作和進(jìn)行。對(duì)膜的不可逆污染的化學(xué)清洗一般有兩種，一種是維護(hù)性化學(xué)清洗，即定期以200～500 mg/L的次氯酸鈉溶液對(duì)膜浸泡數(shù)小時(shí)，以部分清除膜的不可逆污染，這種化學(xué)清洗雖稍復(fù)雜，但實(shí)踐表明仍可被接受。當(dāng)對(duì)膜的維護(hù)性清洗進(jìn)行多次仍不能防止膜污染過(guò)多積累時(shí)，就要對(duì)膜進(jìn)行恢復(fù)性化學(xué)清洗�；謴�(fù)性化學(xué)清洗涉及多種化學(xué)藥劑，操作復(fù)雜，特別是常使設(shè)備較長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)，對(duì)水廠的穩(wěn)定運(yùn)行影響較大。
在大型水廠中采用高通量，必須要對(duì)膜進(jìn)行頻繁的物理清洗和化學(xué)清洗，對(duì)水廠穩(wěn)定運(yùn)行是不利的，也是不可取的。所以，對(duì)大型水廠，宜采用低通量運(yùn)行策略，以減輕膜污染，減少物理和化學(xué)清洗頻率，有利于保證水廠的穩(wěn)定運(yùn)行。
對(duì)于城市大型水廠，我們關(guān)注的重點(diǎn)是膜的不可逆污染，因?yàn)樗P(guān)系到對(duì)膜的化學(xué)清洗，會(huì)影響到水廠的穩(wěn)定運(yùn)行。
Feild R W發(fā)現(xiàn)，通量降至某低值時(shí)，膜的污染可降至零，稱(chēng)為臨界通量�，F(xiàn)已提出各種臨界通量的概念。筆者感興趣的是不可逆污染，并提出超濾膜不可逆污染為零的零污染通量的概念。采用能使膜的不可逆污染極輕或基本為零的通量(即接近零污染通量)，可以基本上不進(jìn)行或極少進(jìn)行對(duì)膜的恢復(fù)性化學(xué)清洗，將使超濾水廠滿足穩(wěn)定運(yùn)行的要求，并且操作大為簡(jiǎn)化，十分有利于超濾在城市水廠的推廣和應(yīng)用。
山東東營(yíng)南郊水廠常規(guī)工藝升級(jí)改造，在濾后增設(shè)超濾單元(10萬(wàn)m3/d)，設(shè)計(jì)膜通量30 L/(m2˙h)，現(xiàn)工作通量略高于設(shè)計(jì)值。膜組的氣水沖洗周期根據(jù)不同季節(jié)來(lái)調(diào)整，一般冬春兩季采用5 h，夏秋季節(jié)采用8 h一次。南郊水廠投產(chǎn)后，每年進(jìn)行2~3次維護(hù)性化學(xué)清洗;并于投產(chǎn)后3年零8個(gè)月進(jìn)行第一次恢復(fù)性化學(xué)清洗，于4年零7個(gè)月進(jìn)行第二次恢復(fù)性化學(xué)清洗，表明膜的不可逆膜污染是相當(dāng)輕微的。
綜上所述，超濾通量選擇的重要影響因素有：膜工程的建設(shè)費(fèi)用、膜工程的運(yùn)行費(fèi)用、膜工程運(yùn)行的穩(wěn)定性。目前在工程投標(biāo)中存在只重視建設(shè)費(fèi)，忽視運(yùn)行費(fèi)和穩(wěn)定運(yùn)行的傾向，結(jié)果膜工程投產(chǎn)后造成運(yùn)行費(fèi)過(guò)高，不能穩(wěn)定運(yùn)行等不良后果。國(guó)外膜一般價(jià)格較高，常采用提高通量的方法來(lái)降低建設(shè)費(fèi)以中標(biāo)，結(jié)果有運(yùn)行效果不佳甚至失敗的案例。對(duì)于大型城市水廠，運(yùn)行的穩(wěn)定性至關(guān)重要，宜采用接近零污染通量的工藝參數(shù)。在我國(guó)現(xiàn)有體制下，城市水廠特別要求降低運(yùn)行費(fèi)用，也宜采用較低的膜通量。
我國(guó)90%以上的現(xiàn)有水廠仍采用傳統(tǒng)水處理工藝，面臨升級(jí)改造。用超濾技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行升級(jí)改造，將是超濾應(yīng)用的一個(gè)重要方向。用超濾取代砂濾池，并能利用原工藝的過(guò)濾水頭(2~3 m)而不設(shè)加壓設(shè)備，將使改造方案更加經(jīng)濟(jì)可行，這就要求采用低水頭低通量的膜濾技術(shù)。
當(dāng)用柱式超濾膜(外壓式或內(nèi)壓式)時(shí)，常采用較高的膜通量。其優(yōu)點(diǎn)是由于可為柱式膜提供較大的工作水頭(0.1 MPa左右)，從而使物理清洗(氣洗、水洗)周期較長(zhǎng)，頻率較低，可在物理清洗中節(jié)能節(jié)水。但它的缺點(diǎn)是用于膜濾的能耗較高(遠(yuǎn)大于物理清洗中的節(jié)能效果);其次，由于采用了較高的通量，膜的不可逆污染會(huì)加重，從而使化學(xué)清洗周期縮短，頻率增加，繼而增加運(yùn)行費(fèi)用，運(yùn)行的穩(wěn)定性降低，所以柱式膜采用較高通量并非是最佳選擇。
柱式膜采用較大的膜通量，可能是源于對(duì)壓力濾池和重力濾池過(guò)濾特征的傳統(tǒng)觀念。一般重力濾池的工作水頭為2~3 m，而壓力濾池的工作水頭為5~10 m，所以壓力濾池采用較高濾速也能使濾池工作周期處于常規(guī)范圍。但壓力濾池只存在濾層堵塞現(xiàn)象(相當(dāng)于可逆膜污染)，氣水反沖洗即可恢復(fù)其過(guò)濾能力;相反地，超濾則不僅有可逆膜污染，還有不可逆膜污染，僅靠氣洗和水反沖洗無(wú)法完全恢復(fù)膜的過(guò)濾能力，而需要定期進(jìn)行化學(xué)清洗，極大地影響超濾的穩(wěn)定運(yùn)行，這是兩者的根本差別。所以，以傳統(tǒng)觀念看待柱式膜和浸沒(méi)式膜的差別，將會(huì)造成設(shè)計(jì)缺陷，影響超濾的推廣和應(yīng)用。
4降低超濾工程建設(shè)費(fèi)用的若干新思路
有些人認(rèn)為，超濾是一項(xiàng)好的凈水技術(shù)，但膜價(jià)格太貴。其實(shí)，這是一種誤解!據(jù)統(tǒng)計(jì)，超濾凈水工藝建設(shè)費(fèi)單價(jià)為250～300元/(m3˙d)，與常規(guī)工藝或臭氧—活性炭深度處理工藝相當(dāng)。
我國(guó)大型水廠(>5萬(wàn)m3/d)應(yīng)用超濾凈水技術(shù)迄今只有5～6年。隨著膜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，膜性能不斷提高，膜價(jià)格不斷降低，膜工程建設(shè)費(fèi)還會(huì)不斷降低。降低膜工程建設(shè)費(fèi)，對(duì)超濾在城市水廠中的推廣應(yīng)用顯然十分重要。
據(jù)分析，目前工程中超濾膜組件的費(fèi)用一般只占工程總費(fèi)用的一小部分(約為30%)。例如，膜價(jià)格即使降低20%，整個(gè)膜工程的建設(shè)費(fèi)只不過(guò)降低6%，貢獻(xiàn)是很少的。所以有必要探討設(shè)計(jì)中降低除膜組件以外的其他費(fèi)用的途徑。
膜工程中除膜以外的其他費(fèi)用有配套管件和閥門(mén)、機(jī)電設(shè)備、計(jì)量檢測(cè)儀表和裝置、電控系統(tǒng)和設(shè)備、膜池膜架和廠房等。以下可能是降低其他費(fèi)用的有效途徑：增大膜堆單元的容量，減少膜堆單元的數(shù)量;簡(jiǎn)化超濾工藝;超濾工程設(shè)備化;超濾工程模塊化設(shè)計(jì);超濾工程無(wú)廠房化等等。
4.1增大膜堆單元容量、減少膜堆單元數(shù)量
每個(gè)膜堆單元，都需要全部配套設(shè)備和裝置，例如一般需設(shè)置6個(gè)閥門(mén)(進(jìn)水、出水、排水、水洗、氣洗、藥洗)甚至更多、水量計(jì)量和控制裝置、水位水壓計(jì)量裝置、真空系統(tǒng)及裝置、水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)及裝置、斷絲檢測(cè)裝置、配電自控系統(tǒng)及裝置等等。水廠膜組單元愈多，配套的設(shè)備和裝置也愈多，建設(shè)費(fèi)也會(huì)愈高。
一般一支柱式膜的膜面積最大不超過(guò)40～60 m2,對(duì)大型水廠需要的柱式膜常達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千支;數(shù)十支膜柱組成一個(gè)膜堆單元，膜堆單元數(shù)可達(dá)數(shù)十個(gè)，其配套的設(shè)備和裝置數(shù)量也會(huì)相當(dāng)多。例如，國(guó)內(nèi)某大型30萬(wàn)m3/d膜水廠，使用柱式膜，僅閥門(mén)就有五百多個(gè)，平均每萬(wàn)m3/d有閥門(mén)近20個(gè)。
浸沒(méi)式外壓膜的膜堆單元容量可以設(shè)置得比較大�，F(xiàn)國(guó)內(nèi)一個(gè)浸沒(méi)式膜堆單元的膜面積可達(dá)15 000 m2，膜堆單元的處理水量可達(dá)1萬(wàn)m3/d，只需設(shè)置6個(gè)閥門(mén)，與柱式膜比較減少了數(shù)倍。
增大膜堆單元的容量，減少膜堆單元及其配套設(shè)備和裝置的數(shù)量，不僅可以降低建設(shè)費(fèi)用，并且也提高了運(yùn)行的安全性。
從降低膜工程的建設(shè)費(fèi)用和提高運(yùn)行的安全性兩方面綜合考慮，中、小型水廠比較適宜采用柱式膜，大型水廠比較適宜采用浸沒(méi)式膜。
4.2簡(jiǎn)化超濾工藝
為了控制不可逆膜污染，超濾膜的零不可逆污染通量會(huì)越來(lái)越多的在生產(chǎn)中使用。如能采用零污染通量或接近零污染通量運(yùn)行，則在膜使用壽命期間可只進(jìn)行維護(hù)性化學(xué)清洗，而不進(jìn)行恢復(fù)性化學(xué)清洗，從而使工藝設(shè)計(jì)得到一定程度地簡(jiǎn)化，并使清洗廢液無(wú)害化處理也得以大幅降低。
據(jù)研究在采用低通量運(yùn)行策略條件下，對(duì)超濾膜同時(shí)進(jìn)行氣洗和水反洗并非一定是必要的，如能只采用一種(如水反洗)方式，則也可簡(jiǎn)化工藝。
將超濾與前處理有機(jī)結(jié)合，形成一體化(如將超濾膜置于澄清池清水區(qū))，則若干工藝操作可同時(shí)進(jìn)行(如將膜反洗與澄清池排泥結(jié)合進(jìn)行)，使整個(gè)工藝系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化。
目前采用普通的中空纖維膜的問(wèn)題之一是斷絲，為此需設(shè)置檢測(cè)斷絲的系統(tǒng)和設(shè)備�，F(xiàn)已可制作出加筋結(jié)構(gòu)的中空纖維膜，從而使斷絲率大大降低，這樣就有可能簡(jiǎn)化檢測(cè)斷絲的系統(tǒng)和設(shè)備。
4.3膜工程設(shè)備化
我國(guó)城市飲水凈化工程以及城市污水處理工程多年來(lái)一直大量使用鋼筋混凝土建造池體等工藝構(gòu)筑物，被歸于土木工程學(xué)科之一。這是由于建國(guó)后很長(zhǎng)一段時(shí)間，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量比較低，價(jià)格較貴，為節(jié)省鋼材，采用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量世界第一，價(jià)格不貴。鋼筋混凝土構(gòu)筑物則需現(xiàn)場(chǎng)施工，耗費(fèi)人力大，工作條件差，施工時(shí)間長(zhǎng)，且易受氣候、環(huán)境等因素的影響，特別是近幾年我國(guó)人力費(fèi)用上漲數(shù)倍，使得鋼筋混凝土構(gòu)筑物建設(shè)成本大幅上升，現(xiàn)已接近或超過(guò)鋼結(jié)構(gòu)，所以現(xiàn)在已到了以鋼結(jié)構(gòu)替代鋼筋混凝土的轉(zhuǎn)變期。
膜工程采用鋼結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)膜工程設(shè)備化，走上工廠制作，現(xiàn)場(chǎng)安裝的現(xiàn)代化建設(shè)道路。工廠制作可以利用工廠的現(xiàn)代化裝備，不但速度快，質(zhì)量高，且可全年生產(chǎn)，不受氣候、環(huán)境等因素的限制�，F(xiàn)場(chǎng)安裝，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，施工時(shí)間短，耗費(fèi)人力少，成本低，且能保證質(zhì)量。
現(xiàn)已有小型超濾水廠集裝箱化的實(shí)例，將全部設(shè)備在工廠裝于一個(gè)集裝箱內(nèi)，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)落地就位，即可投產(chǎn)。
北京水司2014年建成一座4萬(wàn)m3/d超濾水廠，將超濾膜與澄清池有機(jī)結(jié)合成一體構(gòu)筑物，采用鋼結(jié)構(gòu)池體，實(shí)現(xiàn)了工廠制作現(xiàn)場(chǎng)安裝，現(xiàn)場(chǎng)安裝只用了80天即行投產(chǎn)，是萬(wàn)m3/d以上規(guī)模膜水廠現(xiàn)代化建設(shè)的一個(gè)范例。
4.4膜工程模塊化設(shè)計(jì)
新建膜工程的處理水量一般是逐年增加的，而常規(guī)設(shè)計(jì)都是一次建成，建設(shè)費(fèi)用都是一次性投資。
膜裝置是由若干膜堆單元并列組裝而成。每個(gè)膜堆單元的工作具有相對(duì)獨(dú)立性，所以膜工程的膜堆單元數(shù)可以隨著處理水量的增加逐步增加，即在膜工程中可采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，每個(gè)模塊由若干膜堆單元構(gòu)成，隨著處理水量的增加，相應(yīng)地建設(shè)新的模塊，從而減少初期建設(shè)費(fèi)用的投資。
膜工程的設(shè)備化更有利于模塊化設(shè)計(jì)。過(guò)去，以鋼筋混凝土凈水構(gòu)筑物為主的水廠，因其需現(xiàn)場(chǎng)施工，工程施工場(chǎng)地大，輔助建筑多，施工周期長(zhǎng)，難以實(shí)行分期施工分期投產(chǎn)，故常采用一次性建成的方案。而以鋼結(jié)構(gòu)為主的膜工程，采用工廠制作現(xiàn)場(chǎng)安裝的方法施工，則便于實(shí)行分期施工分期投產(chǎn)，為模塊化設(shè)計(jì)和建設(shè)創(chuàng)造了條件。
超濾與前處理能有機(jī)地實(shí)現(xiàn)一體化，則使模塊化設(shè)計(jì)和建設(shè)更具生命力，更便于推廣應(yīng)用。
原標(biāo)題:城市飲水凈化超濾水廠設(shè)計(jì)若干新思路
