超滤净水工艺在低温寒冷地区的应用与研究

超滤净水工艺在低温寒冷地区的应用与研究沈斌吴艳王磊（成都市信高工业设备安装有限责任公司，四川成都，610000）摘要：乌鲁木齐市红雁池水厂在传统工艺改造中采用中置式高密度沉淀池+浸入式超滤膜池的组合工艺，设计供水规模10万吨/天。通过近一年多来的运行结果表明，整个膜系统运行稳定，出水水质明显优于传统工艺。同时，膜系统跨膜压差随着运行时间的增加而缓慢上升，化学清洗可以有效地缓解膜污染和恢复膜通量。温度对膜通量的影响较大，当温度降至5摄氏度以下时，其通量衰减率为30%左右。关键词：中置式高密度沉淀池；浸没式超滤膜；膜污染；跨膜压差；温度TheresearchandapplicationofultrafiltrationwaterpurificationprocessatlowtemperatureincoldareaShenBinWuYanWangLei(ChengduXingaoindustrialequipmentinstallationCo.,Ltd.ChengduSichuan,610000）Abstract：UrumqiHongyanchiwaterworksusingcombinedprocessofintermediatehighdensitysedimentation＆immersedultrafiltrationmembranetankinthetransformationofthetraditionalprocess,thedesignofthewaterworkssupplyscaleof100000tons/day.Afternearlyayearofoperationshowsthatthemembranesystemoperatedstablely,theeffluentqualityisbetterthanthetraditionalprocess.Atthesametime,themembranesystemoftransmembranedifferentialpressurewiththerunningtimeincreasedwhilerisingslowly,chemicalcleaningcaneffectivelyalleviatemembranefoulingandrecoverthemembraneflux.Effectoftemperatureonmembranefluxislarger,whenthetemperaturedroppedbelow5degreesCelsius,thefluxdeclinerateisabout30%.KeyWords：high-efficency-high-densitysedimentationtank;submergedultrafiltrationmembrane；membranefouling；Transmembranepressure;temperature一、水厂概况乌鲁木齐市红雁池水厂地处西北寒冷地区，也是我国西北五省区建成投产的第一座超滤膜处理水厂。水厂位于乌鲁木齐市南郊，紧邻红雁池水库。原水取自距水厂约4.3km的乌拉泊水库与红雁池水库之间的引水渠二建闸处，通过一根DN1200管道将原水输送至净水厂内。净水厂原产能为6.8万吨/天，采用机械搅拌澄清池+V型滤池的净水处理工艺。2012年通过对原有水厂工艺改造及产能扩建，新建一组处理规模为10万吨/天的超滤膜净水处理工艺系统，扩建后日产水总规模为16.8万吨/天。超滤膜系统工程设计单位为上海市政工程设计研究总院，膜系统设备集成工程单位为成都市信高工业设备安装有限责任公司，超滤膜组件由海南立升净水科技实业有限公司提供。二、原水特点乌鲁木齐市红雁池水厂的原水主要采用乌拉泊水库水，其主要特点表现为平时低温低浊（夏季水温约10℃，冬季水温约4℃），夏季和汛期会出现浊度骤然上升的特点。根据乌鲁木齐市水质监测站多年对乌拉泊水库水质的监测数据表明，水库水浊度随季节变化幅度较大，历史记录的浊度最低值为1.74NTU，最高峰值为63600NTU。2012年内从进厂水检测数据可看出，最高瞬时浊度为613NTU，最低为2.21NTU。通过每月的原水水质分析报告可以看出，原水中CODMn的平均值约在2～3mg/L，最低值时小于1mg/L，监测到的最高值为4.4mg/L。原水的氨氮及溶解氧等指标也较好，均能达到国家Ⅱ类地表水质标准。随着近几年来工业的发展和人畜活动对水库周边环境的影响，水库水质受到有机物及工业污染物影响的风险越来越大。由于乌拉泊水库水主要是汇集的天山融化雪水，所以原水呈现出常年低温的状态，一年内通常在2℃～12℃之间波动。常年的低温状况以及干燥的空气环境，使得原水中几乎检测不到藻类。三、工艺流程及特点3.1工艺流程乌鲁木齐市红雁池水厂超滤膜系统处理工艺流程采用中置式高密度沉淀池+浸没式超滤膜池相结合的组合处理工艺，辅以预氧化、活性炭吸附及液氯消毒工艺。膜处理系统工艺流程图如下：图1膜处理系统工艺流程图3.2工艺特点原水进入厂区后，首先采用高锰酸钾进行预氧化，粉末活性炭进行吸附。然后进入中置式高密度沉淀池进行混凝、沉淀处理，去除原水中浊度、胶体、悬浮物及部分有机物等。同时，中置式高密度沉淀池可以防止因原水出现的季节性变化产生的对整个膜系统的冲击，为超滤膜系统设置一道安全屏障。中置式高密度沉淀池具有布置紧凑，絮凝沉淀时间短，布水均匀，出水表面负荷高，耐冲击性强，出水水质好等特点。在超滤膜池前端设置中置式高密度沉淀池进行预处理，可以减轻整个超滤膜系统运行的负荷，从而保证超滤膜系统的安全稳定运行。经过中置式高密度沉淀池处理后的水，进入超滤膜池进行过滤。超滤膜可以进一步去除水体中的浊度、微生物、细菌、颗粒数以及两虫等，极大地提高了出水水质，从而保证了出水水质的安全性和稳定性。四、运行方式及参数4.1中置式高密度沉淀池中置式高密度沉淀池分为两组，总设计处理能力4200m3/h。中置式高密度沉淀池设置机械混合搅拌器，机械絮凝搅拌器，中心传动刮泥机以及污泥回流泵等机械设备。在混合池内投加PAC，平均投加量为5.22mg/L（以固体聚合氯化铝计）。在絮凝池内及污泥回流管上投加PAM，平均投加量为0.2mg/L。机械混合时间为80s，机械絮凝时间为5.7min。水流在沉淀池内总停留时间为50min，斜管区上升流速为4.36mm/s。通过中心传动刮泥机的浓缩，池底的污泥含固率可达到2%～3%，污泥回流比为3%～8%。沉淀池底部排泥周期为24h～48h，每次排泥时间为5min～10min。在原水浊度骤然上升时，每次排泥时间约30min，每天排泥1～2次。4.2超滤膜池超滤膜池共12格，双排布置，每格膜池面积45.08m2。单格膜池内安装10个浸没式超滤膜堆，每个膜堆有效膜面积1890m2，总有效膜面积226800m2。膜池过滤采用虹吸过滤与泵抽吸过滤相结合的方式，过滤周期为90min。膜系统设计通量为20.2L/m2·h，强制通量24.3L/m2·h。膜系统物理清洗采用气水联合反洗方式，每次反洗时间为2min。反洗时先进行30s气冲，然后再进行90s气水混冲。气冲强度为1.2m3/支·h，水冲强度为60L/m2·h。膜池在过滤12个周期后，进行一次整池的排空，将膜池内浓缩水排放至回收水池。膜系统化学清洗分为周期短的维护性清洗与周期长的恢复性清洗，两种清洗均采用在线清洗方式进行。膜系统维护性清洗周期为12天，每天进行一个膜池的维护性清洗。清洗时采用浓度为200ppm的NaClO溶液进行静置浸泡，浸泡时间为60min～90min。膜系统恢复性清洗周期为6个月，采用酸洗与碱洗方式进行。酸洗采用浓度为0.5%的HCl溶液，碱洗采用浓度为0.5%的NaOH溶液与0.1%的NaClO溶液。恢复性清洗时对膜堆进行静置浸泡，间歇曝气，正向过滤循环，清水漂洗等操作。五、运行情况及分析5.1出水水质情况及分析5.1.1对浊度的去除图2各处理单元浊度变化趋势由图2可见，乌鲁木齐市红雁池水厂在2012年4月至2013年8月期间，原水平均浊度变化的情况以及各处理单元出水浊度变化的情况。由图中看出，原水在此段时间平均浊度在3NTU至18NTU之间，机搅池出水在1.5NTU至4NTU之间，高密池出水在0.5NTU至1.5NTU之间。由此可见，在同样原水条件下，高密池出水明显优于机搅池。另从砂滤池与膜滤池出水浊度情况来看，砂滤池出水浊度基本在0.3NTU至0.8NTU之间，而膜滤池出水一直保持在0.1NTU以下，不会因为原水条件的变化产生波动，出水浊度极其稳定。5.1.2对CODMn的去除由长期的试验研究及工程实例表明，膜组件的污染主要为有机物的污染。CODMn作为衡量水体受有机物污染的一个重要指标，对CODMn的去除率可以反映超滤膜对有机污染物的截留效果。下图为红雁池水厂CODMn在膜处理组合工艺各单元的截留情况。024681012141618Apr-12May-12Jun-12Jul-12Aug-12Sep-12Oct-12Nov-12Dec-12Jan-13Feb-13Mar-13Apr-13May-13Jun-13Jul-13Aug-13浊度（NTU）运行时间/month进出水浊度变化趋势图原水进水机搅池出水高密池出水砂滤池出水膜滤池出水图3膜处理单元对CODMn的去除情况从图3中可以看出，在2012年4月至2013年8月这段时间中，原水CODMn值较低，一般在1.5mg/L至3mg/L之间，由此说明原水受有机物污染较轻。从图中可看出因季节的变化，随着水温的升高及浊度的陡涨，CODMn值也会随着上升。另从图上可以看出，中置式高密度沉淀池及膜池对CODMn均有一定的去除效果，高密池出水CODMn的变化范围在0.6mg/L～0.8mg/L之间，膜池出水CODMn的变化范围0.5mg/L～0.7mg/L之间。从运行情况来看，高密池对CODMn的去除主要依靠前端投加活性炭进行吸附去除，其去除率大约在25.2%左右。超滤膜对CODMn的去除主要是通过截留颗粒和胶体态有机物、吸附溶解性有机物而使CODMn降低，其截留率大约在22.3%左右。而对于水体中存在的难溶小分子有机物，通过活性炭吸附以及超滤膜过滤均不能得到好的效果，这也是造成超滤污染的主要原因。5.1.3对细菌的去除051015202530354000.511.522.53COD（mg/L）超滤膜对COD去除率（%）膜处理单元对COD的去除情况原水进水高密池出水膜池出水去除率图4膜处理单元对细菌的去除效果从图4中可见，2012年4月至2013年8月期间，原水中细菌变化范围在6～38CFU/mL。经过高密池的前端处理，细菌经前加氯及粉末炭的作用以及沉淀池对水中浊度、悬浮物等的截留，沉后水细菌数会有一定降低，其变化范围在3～15CFU/mL之间。从图上还可以看出膜池出水无法检测到细菌，这说明超滤膜对细菌有极好的去除效果，其去除率可以达到100%，这样就极大地提高了出水的安全性。5.1.4对颗粒数的去除图5膜池与砂滤池对颗粒数的去除效果比较051015202530354045Apr/12Jun/12Aug/12Oct/12Dec/12Feb/13Apr/13Jun/13Aug/13细菌/CFU/100mL膜处理系统对细菌的去除效果原水进水高密池出水膜池出水050100150200250300350400450051015202530颗粒数/cnt/mL颗粒粒径/μm砂滤池出水膜滤池出水从图5中，通过对红雁池水厂膜滤池与砂滤池出水颗粒数的比较，膜池出水颗粒数的量级主要集中在2～5μm之间，膜出水中2～5μm颗粒数在13～182cnt/mL之间，砂滤池出水2～5μm颗粒数在96～412cnt/mL之间。从去除20μm以上的颗粒数来看，膜池出水几乎无法检测到。而从砂滤池出水来看，其出水的颗粒数约在28cnt/mL左右。通过以上分析，超滤膜对水中颗粒数的去除效果明显优于砂滤池，这样就消除了两