設計案例 | 水廠壓力式超濾膜處理車間工程設計
超濾膜是指膜孔徑為5 nm～0.1 μm，截留分子量為1 000～1 000 000 Da的膜，可以分為壓力式和浸沒式兩種形態。
本文將小結已有超濾膜工程流程布置、技術指標、設計參數，并且結合具體工程實例，對壓力式超濾膜處理車間設計要點進行歸納和探討，為今后的設計應用提供參考。
1. 超濾膜應用現狀
根據超濾膜截留分子量，是一種精密過濾工藝，一般認為可以替代常規處理中的砂濾池。而超濾膜處理車間單位水量占地略少于砂濾池，許多建造年代較早、用地緊張的凈水廠會采用超濾替代砂濾的工藝流程(圖1)。如寧波市江東水廠，上海徐涇自來水廠，天津市楊柳青水廠等。
圖1 超濾膜替代砂濾池的工藝流程圖
國內超濾膜處理工藝并不普及，管理運行經驗匱乏，若將超濾膜處理車間代替砂濾池，凈水效果無法完全保證，因此，更多工程實例將超濾膜工藝用于深度處理工藝(圖2)，如杭州清泰水廠、東營南郊凈水廠。甚至將其作為臭氧-生物活性炭處理工藝之后進一步降低渾濁度(圖3)，防止生物泄露至清水池的手段，如上海青浦第三水廠，無錫中橋水廠等。
圖2 超濾膜替代深度處理的工藝流程圖
圖3 超濾膜用于O3-BAC后的流程圖
2. 技術指標的選擇與探討
超濾膜的技術指標主要包括膜通量、水溫、回收率和出水水質控制等。
一般選擇采用壓力式超濾膜，是為了追求更好的出水水質。有研究表明超濾膜能有效去除水中顆粒物、膠體、大分子有機物，還能控制細菌等微生物，對控制“兩蟲”也有較好的效果。現有的工程實踐表明壓力式超濾膜出水水質一般可以滿足濁度≤0.1 NTU、“兩蟲”去除率≥6 log、細菌去除率≥4 log，病毒去除率≥90%(指標生物一般為大腸桿菌噬菌體MS2)。而若出水水質無法做到上述要求，在現有的價格條件下，采用壓力式超濾膜技術意義較小。
膜通量是基本的設計參數。其大小直接關系著所需要的膜面積、并影響膜裝置的占地和設備的造價。膜通量的選擇可以通過中試試驗確定，也可以根據現有其他水廠的運行經驗進行確定，一般可以為40～80 L/(㎡·h)。
水溫對超濾膜系統運行影響巨大。水溫越低，水的黏度就越大，膜通量越小，膜產水越困難。水溫直接影響膜通量，進而影響膜裝置的產水效率。有研究表明，在20 ℃基礎上，溫度每下降1 ℃，通量約下降2.5%。根據《城鎮給水膜處理技術規程》(CJJ/T 251—2017)規定，膜處理工藝的正常設計水溫不宜低于15 ℃，最低設計水溫不宜低于2 ℃。考慮各系統設計參數時，一定要考慮水溫造成的膜通量的變化對各設備參數選取的影響。
壓力式超濾膜回收率也是較為主要的技術指標，其決定膜設備的大小水源水的水量。較低的回收率會增加設備的規模及前置構筑物的水力負荷，因此，壓力式超濾膜主系統的回收率考慮≥95%。若要保證一定出水規模條件下，前置構筑物的水力負荷的減小，可以考慮將超濾膜處理工藝設置為帶回收系統的二級膜處理流程，此時系統設計總回收率可達99.5%。在淡水水源匱乏地區凈水廠往往采用二級膜處理流程，以減少原水泵房取水壓力。
3. 系統的組成
壓力式膜處理設施包括進水系統(進水提升泵、保安過濾器及總管)，過濾系統(膜組件及膜組)，物理和化學清洗系統、排水系統、出水系統(總管及堰)、完整性檢測系統、自動控制系統和供電系統,如圖4所示。
圖4 壓力式膜處理設施系統組成
原水經水泵提升后進入超濾系統，超濾進水通過給水泵進入0.1 mm的自清洗過濾器后，再進入公共配水母管，通過流量控制閥進入各個處理膜組。
排水系統是指反沖洗水經膜系統內部回收利用后，廢水排放系統。廢水可直接排入廠區雨水系統，也可進入水廠其他回用水系統統一利用。
膜系統包含配套自動清洗系統，其中包括空氣擦洗，水反沖洗，維護性和恢復性化學清洗。空氣擦洗系統主要包括鼓風機和配套管配件；水反沖洗系統主要包括水泵和配套管配件；化學清洗系統組成具體見4.5節。
完整性檢測系統是指為了保證膜的完整性而使用的相關監測手段和膜完整性測試。國內的判斷方法主要分為在線監測和離線檢漏兩種方式。凈水廠設計一般采用一種在線和一種離線方法最終判斷哪個膜組件出現漏損。
4. 處理車間的布置
4.1 車間整體布置
壓力式超濾膜處理車間一般分為如下功能區：提升泵房、過濾系統車間(包括主系統和回收系統)、化學清洗車間、反沖洗泵房、鼓風機房、廢液處理井、配電間、控制室和配套水池。
應盡可能將膜組件布置在同一樓層內，以減少提升設施和管道負荷，避免能量損耗。管道應盡量采用不銹鋼材質，有利于減小膜污染負荷和提高出水水質，從而延長膜系統的使用壽命。
化學清洗車間應靠近過濾系統車間，配電間則應靠近用電量較大的提升泵房。清洗車間和配電間對層高要求較低，可考慮臨近布置，減少輔助系統所在建筑高度，既減少造價也利于建筑外形美觀。
配套水池在場地不足條件下可以考慮下疊至其他車間下方，人孔、通氣及溢流設施布置原則同其他下疊水池。由于膜出水的富余壓力較大，在進行出水渠道和水池結構設計時，應充分考慮其頂板承壓的可能。下疊水池包含膜組提升泵吸水井、膜產品水池、化學廢液處理井等，若設置回收系統，應設計二級泵吸水井和回收水池。
鋼筋混凝土結構的建筑無法滿足膜架設置車間跨度大于15 m內部無柱的空間要求，因此，膜處理系統所在車間應考慮采用鋼結構屋頂以保證空間需求。超濾膜處理車間進水泵房有一定的起吊要求，為方便吊車的安裝和運行，泵房宜采用鋼筋混凝土結構。
4.2 平面布置實例
我國北方某市水廠超濾膜處理車間不同平面布置方案如圖5、圖6所示。該超濾膜車間用于深度處理工藝之中，流程位于臭氧-生物活性炭處理工藝之后。由于場地條件限制，為充分利用廠區地塊，膜車間平面為右上角突出的手槍狀建筑。充分利用空間，膜車間非膜進水泵房的下層均為水池，包括吸水井、回收水池、出水渠道等。車間內膜進水泵房為鋼混結構，過濾系統車間確定為鋼結構屋頂。
由圖5可知，方案一過濾系統主系統位于膜車間正下方。膜進水泵房位于整個膜車間中心的位置。膜車間右上角為配電室、控制室和回收系統，車間最左側為化學清洗系統。其余設施布置如下疊水池、二級提升泵等均如圖5所示。
圖5 某超濾膜處理車間平面布置方案一
圖6 某超濾膜處理車間平面布置方案二
方案二中除過濾系統主系統位置保持不變外，對其他功能區均進行了調整，具體如圖6所示。調整后鋼筋混凝土結構的進水泵房在車間最左側，反沖洗水泵與進水泵房合并設置。方案一中進水泵房位置布置配電間及控制室。同樣為鋼混結構的化學清洗車間同鼓風機等其他設置布置于車間右上角。在右上角突出區塊下方布置主系統膜回收水池兼二級膜系統吸水井，并采用潛水泵作為提升裝置。
對比方案一及方案二可知，方案二使手槍狀平面被分割了成了三個規整的矩形(圖6中框選)，三區域不同屋頂結構設計難度降低。進水泵房位置的相對獨立使下疊水池集中設置，這對結構布局也十分有利。而在右上角設置回收水池，使得水質較好的一級膜進水泵吸水井(臭氧-生物活性炭處理出水)及出水渠道(超濾膜處理出水)不與回收水池共池壁敷設，也保證了出水水質的安全。
綜上，方案二才是本工程較佳的平面布置形式。
4.3 膜進水泵房設計
膜處理車間進水泵房一般是整個超濾膜處理車間最深的廠房，由于膜車間的特殊要求，此處結構形式又與其他車間差別較大。因此，應充分考慮其平面位置，保證建筑美觀及結構合理。具體布置實例已在5.2中詳細介紹。進水泵房其它設計要點同一般泵房設計。
進水泵房的揚程應根據式(1)確定，一般揚程可達24～35 m。
H=h+Ho+∑h (1)
其中：H—膜進水泵房水泵揚程，m；
h—超濾膜跨膜壓差，m；
Ho—水泵吸水處水位與出水水位的幾何高差，m；
∑h—水泵吸水管以及送水到出水口的沿線和局部阻力損失的綜合，m。
一般各膜系統的阻力損失和幾何高差差距不大。揚程的高低主要取決于額定跨膜壓差。額定跨膜壓差主要受設計水溫影響，水溫越低，跨膜壓差越大。膜的額定使用壽命也將決定跨膜壓差的大小，一般額定使用壽命越長，額定跨膜壓差越大。進水泵房水泵額定揚程采用了最不利工況下的計算結果，與實際工作揚程差距較大，因此，水泵應考慮變頻，并充分計算水泵變頻曲線后確定水泵型號。
二級膜處理提升系統可考慮采用潛水泵，此時回收水池和二級吸水井可合并使用。
4.4 物理清洗系統布置
在運行過程中，進水中固體物質會逐漸積累在膜的表面，從而增加透膜壓差。物理清洗能有效地去除膜表面的固體物質，包括反沖洗泵、鼓風機，甚至控制系統所需空壓機和空氣罐。
一般超濾膜系統物理清洗系統間隔時間為30～60 min，每次清洗時間為30～60 s。由于反沖間隔時間較短，若膜組較多或有回收系統，應根據膜組總數量選擇是否需要設置多套物理清洗裝置。
考慮到本車間出水可能與下游未經膜處理的產品水混合，為保證超濾膜反沖洗水的水質和膜使用壽命，反沖洗水泵宜采用膜處理出水母管吸水的方式。且出水母管與下游產品水池之間應有空氣隔斷設施。
4.5 化學清洗系統布置
化學清洗系統包括次氯酸鈉、檸檬酸、亞硫酸氫鈉、氫氧化鈉和混凝劑原液儲罐、清洗儲罐、循環泵和廢液處理井，主要服務于膜系統的維護性清洗和恢復性清洗。
維護性清洗是指用低濃度化學清洗來恢復膜透過率的方法，使用的化學藥劑為檸檬酸和次氯酸鈉，間隔時間為每個膜列一天一次，每次清洗時間約15～30 min。恢復性清洗是指用較高濃度化學清洗來恢復膜透過率的方法，使用的化學藥劑與維護性清洗相同，間隔時間為每個膜列一月一次，每次清洗時間約4～6 h。清洗完畢的化學廢液將會進入廢液池，由氫氧化鈉與亞硫酸氫鈉進行中和或氧化還原反應后，再進行統一處置。化學清洗流程如圖7所示。
圖7 化學清洗流程圖
次氯酸鈉和亞硫酸氫鈉為氧化還原性較強的化學品，鹽酸、氫氧化鈉為強酸強堿，腐蝕性較強，若相互混合將會發生化學反應。無論是氧化還原或中和反應均會產生熱量，熱量若無法及時釋放，輕則導致配套設置損壞，重則將會導致危險。因此，應在儲罐布置區域設置聯通所有原液儲罐的藥液集水槽，保證即使會反應的兩種藥劑不慎泄露，也能在集水槽中反應完畢，反應產生熱量的擴散之后，再排放至管道中。固體檸檬酸為可燃物，建議在車間內存儲檸檬酸溶液，而車間內的化學藥劑應盡可能采用低濃度儲存。
4.6 消防及安全
超濾膜處理車間建筑等級一般為丁類廠房、耐火等級為一、二級，根據《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)規定，可以不設消火栓。但仍應根據當地消防部門的具體要求確定超濾膜處理車間的消防設施。
超濾膜處理車間中，危險源主要是用于化學清洗的藥劑，具體安全措施詳見4.5節。在調試和運行時，為保證安全不可將兩種不同化學清洗藥劑的同時放空。
5. 結論
(1)超濾膜處理系統在凈水工藝流程中可作為砂濾池替代工藝，也可用于深度處理工藝。
(2)超濾膜通量受水溫影響較大，出水水質一般較好，主系統回收率在95%以上，若要提高回收率，可考慮增設二級膜回收系統。
(3)超濾膜系統組成復雜，應充分考慮車間內部布置和與外部銜接的設計。
(4)超濾膜處理車間布置時，應根據不同區塊特點選擇合理的結構形式，相似建筑結構車間及功能區域應集中布置。
(5)物理和化學清洗系統設計應方便膜處理系統的運行，化學清洗系統設計應考慮藥劑儲存及混合的安全性。
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