浸沒式超濾技術在南通狼山水廠中的運行分析

郁振標,袁 宵, 陳 清, 盧月蓉

(1. 南通水務集團有限公司, 南通 226000; 2. 蘇州立升凈水科技有限公司, 蘇州 215152)

南通狼山水廠作為20世紀80年代具有一定典型代表性的現代化水廠,是服務于南通市主城區的關鍵供水單位[1],隨著生活飲用水衛生標準以及江蘇省地方標準《江蘇省城市自來水廠關鍵水質指標控制標準》(DB32/T 3701—2019) 對水質要求的進一步提高,水廠的深度改造工作自2008年組合工藝的驗證開始至2019年超濾膜產品性能的驗證結束,旨在于通過試驗研究驗證適應于30×104m3/d級的大型市政水廠的工藝的可行性及產品的可靠性.最終,南通狼山水廠升級改造采用了臭氧活性炭及超濾膜技術組合工藝,項目的投運實現了長江水流域規模最大的全流程水廠示范效應[2].

1 長江流域最大的全流程水廠——南通狼山水廠

2008年6月,浸沒式超濾膜技術在南通地區以長江水為源水的市政水廠中的應用研究在南通蘆涇水廠展開,通過大型中試試驗對比研究了浸沒式超濾膜處理混凝出水及沉淀池出水的試驗效果.2012年6月,浸沒式超濾膜處理沉淀池出水和砂濾池出水的對比研究在南通狼山水廠展開了為期一年的效果驗證.2015年6月～2018年8月,完成了浸沒式超濾膜處理以長江水為源水的“絮凝沉淀+生物接觸氧化”組合工藝出水的試驗研究.2018年4月,采用4種不同品牌浸沒式超濾膜產品對比處理沉淀池出水的試驗效果.南通狼山水廠改造工藝的確定,前期驗證儲備了多種傳統工藝與膜工藝的組合工藝試驗.前期驗證證實以江蘇段長江水為水源的市政水廠,浸沒式超濾膜處理混凝出水、沉淀池出水、生物接觸氧化池出水均能實現穩定良好的效果,最終確定:如果原水水質CODMn較低時,采用浸沒式超濾膜處理沉淀池出水;季節性藻類且CODMn較高時,增設臭氧活性炭工藝與超濾膜技術聯用,沉淀池至浸沒式超濾膜池設置超越管.

南通狼山水廠總規模60×104m3/d,將原一期工程移動罩濾池推倒重建30×104m3/d浸沒式超濾膜池,增加60×104m3/d臭氧活性炭工藝,是目前長江流域規模最大的全流程水廠.含超濾膜系統工藝段的運行工藝流程見圖1.

圖1 南通狼山水廠工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of Langshan plant in Nantong

1.1 原水水質

南通狼山水廠直接從長江取水,江蘇段水質基本達到國家Ⅱ類地表水水質標準.原水濁度在雨季時超過100 NTU,夏季高溫時有機物含量略高、藻高.自2020年6月底開始運行,水廠進水的原水主要水質指標見表1.

表1 原水主要水質指標Table 1 Main water quality of raw water

1.2 浸沒式超濾膜系統設計

南通狼山水廠浸沒式超濾膜系統設計產水能力為30×104m3/d,總共16格膜池,每格膜池內設12組浸沒式超濾膜設備,膜材質為聚偏氟乙烯(PVDF),超濾膜運行通量為23.48 L/(m2·h).浸沒式超濾膜系統由進水系統、抽真空系統、產水系統、反洗系統、化學清洗系統及完整性檢測系統等幾個系統組成.浸沒式超濾膜系統流程示意圖如圖2所示.

圖2 浸沒式超濾膜系統流程示意圖Fig.2 Flow diagram of submerged ultrafiltration membrane system

膜系統過濾周期為180 min,日常物理反洗采用氣水聯合反洗,運行數個周期后全排空.維護性清洗周期為30 d,清洗方式是將膜絲浸泡在200 mg/L的次氯酸鈉溶液中30 min.利用膜池與產水池直接液位差真空虹吸方式產水[3].自2020年6月底開始運行,接近滿負荷運行,至今已穩定運行近2年.

2 運行分析

南通狼山水廠自超濾膜系統投運后,在運行初期約6個月時間內,臭氧活性炭系統仍在調試,基本上沉淀池出水超越炭濾池進入膜池,待臭氧活性炭系統調試穩定后,進膜池水為炭濾池出水,間歇為沉淀池和炭濾池的混合水進入膜池.本項目針對整個浸沒式超濾膜系統自2020年8月試運行完成后數據進行有效分析.

2.1 超濾的凈水效能

2.1.1對濁度的去除效果

水廠原水日常濁度在20～60 NTU之間,雨季原水濁度較高,水廠未改造前,傳統工藝使用移動罩濾池部分出水濁度較難保障.

改造后,膜系統運行期間,根據哈希在線濁度儀的檢測結果,膜系統出水濁度的變化如圖3所示.

圖3 浸沒式超濾膜對濁度的去除效果Fig.3 Turbidity removal performance by submerged ultrafiltration membrane

自2020年8月至2022年5月運行期間,原水濁度為11～126 NTU,沉淀池出水為0.5～2.96 NTU,超濾膜池出水為0.02～0.06 NTU,始終穩定0.1 NTU以下.浸沒式超濾膜系統采用的超濾膜平均孔徑為0.02 μm,孔徑小,能有效截留水中的膠體、大分子有機物等雜質,保證出水濁度具有較高的穩定性.

2.1.2對CODMn的去除效果

通過CODMn來評價原水中和產水中有機物和還原性無機物污染的情況.通過水廠日檢數據分析進廠水和出廠水的水質變化情況,同時表明水廠可跨越式的工藝設計是合理、有效的.

《生活飲用水衛生標準》(GB5749—2006)中對指標CODMn的要求為小于3 mg/L,圖4對水廠自2021年1月至2022年5月的水質數據進行分析,由圖4可以看出,水廠原水水質較好,大部分時間CODMn指標基本都能達到生活飲用水標準,偶有超標,范圍為1.0～3.72 mg/L,平均濃度為2.26 mg/L,出廠水CODMn為0.17～1.37 mg/L,平均濃度為0.77 mg/L,平均去除率65.9%.季節性藻類且CODMn較高時,臭氧活性炭與超濾膜技術聯用;水質較好時,超越臭氧活性炭工藝運行即可,出廠水CODMn指標穩定.本工程實際運行過程中,臭氧活性炭工藝平均運行電耗約0.005 kW·h/m3,超越臭氧活性炭工藝運行時(沉淀池出水直接進入浸沒式超濾膜系統)即可節省運行費用,同時可延長活性炭的使用周期.

圖4 浸沒式超濾膜對CODMn的去除效果Fig.4 CODMn removal performance by submerged ultrafiltration membrane

2.1.3對顆粒數的去除效果

膜系統自2020年8月至2022年5月運行期間,超濾膜進出水中顆粒數的變化如圖5所示.在不同進水條件下超濾膜出水顆粒數(≥2 μm)平均顆粒數為10 個/mL以下.在線顆粒計數儀顯示膜出水顆粒數不為零,考慮是由于產水渠、管道等元件未能保證完全清潔造成超濾出水帶有少量顆粒數.

2.2 超濾系統運行穩定性分析

超濾膜系統運行過程中,會不可避免地出現膜污染現象.分別取南側13#和北側4#各一個膜池的運行數據,從圖6中可以看出,運行一段時間后,跨膜壓差呈現了一定程度上快速增長的趨勢,跨膜壓差從-10 kPa以內增長至-22 kPa.

圖6 4#、13#膜池跨膜壓差變化Fig.6 4 #&13 # membrane pool TMP difference change

根據運行數據分析發現,在2021年7月至10月原水水質有機物升高,同時膜池進水由臭氧活性炭出水變為沉淀池混合水,進水水質變差.同時,膜污染會隨著運行時間的延長逐漸加重,膜表面的濾餅層被壓縮,形成致密的凝膠層,難以被日常物理清洗去除.超濾膜系統運行至2021年10月時,連續運行時間已超過原系統設計恢復性清洗周期12個月,考慮到本項目虹吸液位差為3 m左右,為了去除膜污染,在系統無抽吸泵的條件下,保證系統正常穩定的運行,故在水溫較合適的條件下進行了一次恢復性清洗,通過采用1 000 mg/L的次氯酸鈉浸泡清洗和0.4%的鹽酸浸泡清洗,以降低跨膜壓差,徹底清洗超濾膜的深層污染.13#膜池內清洗前后膜絲的照片見圖7.恢復性清洗前,膜絲表面附著明顯的污染物,特別是靠近膜絲根部,清洗后,膜絲表面附著污染物明顯被去除,適當的化學藥劑清洗能夠有效去除造成膜污染的大部分的有機物和無機物[4].恢復性清洗后,跨膜壓差恢復至-10 kPa以內,并能持續穩定運行.這說明通過酸堿藥劑進行恢復性清洗后,基本均能恢復至新膜水平,超濾膜的恢復效果較好.

圖7 清洗前(左)和清洗后(右)膜絲照片Fig.7 Photo of membrane before (left) and after (right) cleaning

2.3 恢復性清洗設計及運行管理改進建議

2.3.1循環管路材質選擇

膜系統中各種管道材質的選擇取決于內部流動液體的腐蝕性、操作壓力、溫度和配件價格等,早期超濾膜水廠主要采用塑料管材,但近年來不銹鋼管材應用更為普遍[5].針對化學清洗管,考慮其使用酸堿藥劑,具有較強的腐蝕性,近年來大型設計院常規設計采用304不銹鋼管材,實際工程項目中,循環管路中較常接觸藥劑次氯酸鈉具有氧化性,故易出現焊接處腐蝕現象,大大增加了藥劑泄露安全性風險.本項目為避免304不銹鋼耐腐蝕性有限,恢復性清洗循環管路采用的是耐腐蝕性強度更高的316L不銹鋼管材.但由于不銹鋼管材焊接工藝防腐工作受限,安裝單位焊接水平參差不齊,在管道焊接處仍易被腐蝕,建議考慮使用性價比較高、安全等級較高、品質較好的UPVC管材替代,已有部分大型市政水廠采用UPVC管材作為清洗循環管路[6].

2.3.2恢復性清洗過程增設循環步驟

由于本項目恢復性清洗循環管路采用的是耐腐蝕性強度更高的316L不銹鋼管材,為避免管道焊接處存在易被腐蝕的風險,在恢復性清洗系統程序中,浸泡漂洗后增加清水清洗循環管的步驟,避免清洗時殘留的藥液對316L不銹鋼管材的腐蝕.同時,由于下一次恢復性清洗間隔時間較長,如有殘留的藥液會形成逐步氧化腐蝕的結果,進而影響了循環管路的密封性和安全性.

2.3.3隔斷產水閥氣源

恢復性清洗需充分考慮合理性和安全性.膜系統恢復性清洗采用一個一個膜池輪流清洗方式完成,待某一個膜池正在進行恢復性清洗操作時,其他正常產水膜池處于過濾產水程序,恢復性清洗程序是由系統PLC控制自動完成.一般為了充分保證恢復性清洗效果,可考慮在恢復性清洗過程中根據實際浸泡清洗效果合理調整間歇曝氣的次數和時間,為避免在人為干預過程中出現界面點擊失誤,使得進行恢復性清洗過程的膜池被改變浸泡狀態,進而引發生產安全事故,故在操作過程中選擇切斷產水閥氣源,完全避免產水閥被打開的可能,避免浸泡藥液進入產水渠.

3 結論

自2020年6月開始運行,水廠接近滿負荷運行,運行狀態穩定良好.南通狼山水廠項目的投運對長江水流域的全流程水廠具有示范意義.通過本項目運行經驗可得出如下結論:

1) 采用可跨越式的工藝設計是合理、有效的.原水水質CODMn較低時,采用浸沒式超濾膜處理沉淀池出水;季節性藻類且CODMn較高時,增設臭氧活性炭與超濾膜技術聯用,沉淀池至浸沒式超濾膜池設置超越管,可有效的降低運行成本和減少設備損耗.

2) 出水水質穩定,超濾膜系統出水濁度保持0.1 NTU以下,CODMn<2 mg/L,顆粒數(≥2 μm)為10 個/mL以下,有效保障了出廠水的水質穩定性.

3) 恢復性清洗需充分考慮對管道材質合理性和操作的安全性.清洗循環管路可采用耐腐蝕性強度更高的316L不銹鋼管材,增設清水清洗循環管程序.也可考慮使用性價比較高、安全等級較高、品質較好的UPVC管材替代.