浸沒式超濾膜在飲用水處理中的應(yīng)用

1、浸沒式超濾膜在飲用水處理中的應(yīng)用ZeeWeed?浸沒式超濾膜在大型自來水廠的應(yīng)用羅敏（GE水處理及工藝過程處理，北京10004）摘要 低壓膜過濾系統(tǒng)已經(jīng)在自來水廠的新建和升級改造中得到廣泛的應(yīng)用。本文介 紹了低壓膜過濾系統(tǒng)的特點，并對各種形式的低壓膜：內(nèi)壓式和外壓式、壓力式和浸沒式 進(jìn)行了深入的分析與比較。浸沒式膜系統(tǒng)在大、中型自來水水廠的獨特優(yōu)勢，決定了它將 是大型低壓膜法系統(tǒng)的發(fā)展方向。結(jié)合ZeeWeed?浸沒式超濾膜的特點，探討了浸沒式超濾 膜系統(tǒng)的組成部分和各組成設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)計因素，并介紹了 ZeeWeed?浸沒式超濾膜在全球 的典型應(yīng)用案例。關(guān)鍵詞 浸沒式超濾膜 自來水 ZeeWee

2、d低壓膜過濾系統(tǒng) 設(shè)計 因素案例1低壓膜過濾技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展自來水公司面臨更大需水量和更嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)日益增加的挑戰(zhàn)。中國老化的水基礎(chǔ)設(shè)施存 在擴(kuò)大規(guī)模的壓力，并且難以滿足現(xiàn)在和將來的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。隨著自來水公司開始改造傳統(tǒng) 水處理系統(tǒng)以擴(kuò)大規(guī)模，滿足更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，低壓膜系統(tǒng)正變得越來越普及。低壓膜包括微濾膜和超濾膜，是一種高級的過濾技術(shù)，只能去除水中的顆粒物和微生 物，如賈第鞭毛蟲和隱抱子蟲。所以需要與其他工藝相結(jié)合才能更好的解決飲用水的安全 衛(wèi)生問題（見表1所示）。表1基于不同污染物的低壓膜預(yù)處理工藝參數(shù)顆粒物、微生物：濁度原生動物 細(xì)菌病毒有機(jī)物：TOC消毒副產(chǎn)物前體 色度 嗅和味農(nóng)藥無機(jī)物：鐵和

3、錳 砷 硫化 氫注：PAC是指粉末活性炭。微濾（MF） 無無無混凝 混凝/PAC混凝/PAC混凝 /PAC混凝/PAC PAC氧化混凝氧化超濾（UF） 無無無無 混凝/PAC混凝/PAC 混凝/PAC混凝/PAC PAC氧化混凝氧化低壓膜如超濾、微濾多采用中空纖維膜，具有最高的膜裝填密度，處理效率高，成本 低，是低壓膜系統(tǒng)的首選型式。中空纖維膜按進(jìn)水水流方式不同可分為外壓式和內(nèi)壓式， 按膜系統(tǒng)制造方式不同可分為壓力式和浸沒式。1.1外壓式與內(nèi)壓式的比較（見圖1所示）（1）外壓式：系統(tǒng)進(jìn)水從中空纖維膜絲的外部由外向內(nèi)通過膜產(chǎn)生產(chǎn)品水（進(jìn)水在 外，產(chǎn)品水在內(nèi)），所以水流通道沒有被固體懸浮物阻塞的風(fēng)

4、險。對壓力式膜而言，纖維 間死角易導(dǎo)致堵塞，不易清洗，一般外壓式膜廠家會采用有效的端頭配水方式解決這個問 題。（2）內(nèi)壓式：系統(tǒng)進(jìn)水從中空纖維膜絲的內(nèi)部由內(nèi)而外通過膜產(chǎn)生產(chǎn)品水（進(jìn)水在 內(nèi)，產(chǎn)品水在外），無死角，適于水質(zhì)良好的原水。但如果來水水質(zhì)較差，則較外壓式膜 而言抗污染能力差，且需要更嚴(yán)格的預(yù)處理；此時一般可考慮選擇內(nèi)壓式毛細(xì)管膜（膜絲 內(nèi)徑較中空纖維膜絲粗，通常大于1mm）錯流過濾或外壓式膜。注：該論文已發(fā)表于?給水排水?，Vol. 35, No. 12, 2021: 17-22產(chǎn)品水產(chǎn)品水（出水）進(jìn)水原水（a）外壓式（b）內(nèi)壓式圖1外壓式與內(nèi)壓式中空纖維膜1.2壓力式與浸沒式膜系統(tǒng)的

5、比較（1）壓力式將大量的中空纖維膜絲裝入一圓柱形壓力容器中，纖維束的開口端用專用樹脂澆鑄成 管板，配備相應(yīng)的連接件（包括進(jìn)水端、產(chǎn)水端和濃縮水端）即形成標(biāo)準(zhǔn)膜組件，通過不 同數(shù)量的壓力式膜組件并聯(lián)即組裝成膜系統(tǒng)，見圖2所示。（a）壓力式膜組件（b）壓力式膜系統(tǒng)圖2 壓力式膜過濾系統(tǒng)（2）浸沒式浸沒式膜組件包括固定在垂直或水平框架上的中空纖維膜、設(shè)在框架頂部和底部的透 過液集水管。每個集水管包含有一層密封膜絲的專用樹脂，使得膜的內(nèi)腔與管道相連以收 集產(chǎn)品水，因此浸沒式膜組件只有產(chǎn)水端一個連接點。幾個或幾十個膜組件通過兩個硬直 角管將其集水管相連接，同時將它們位置固定，形成一個膜箱。周期性反沖洗和

6、平緩溫和 的空氣擦洗可以減少膜面的濃差極化，這種運行方式對應(yīng)于低的膜污染速率。若干個膜箱 并聯(lián)浸沒在膜池中組成一個膜列，若干個膜列并聯(lián)組成不同處理規(guī)模的膜處理系統(tǒng)，見圖 3所示。（b）浸沒式膜系統(tǒng)（a）（b）浸沒式膜系統(tǒng)圖3浸沒式膜系統(tǒng)與傳統(tǒng)的壓力式膜過濾不同，浸沒式膜是在較低的負(fù)壓狀態(tài)下運行使用，利用虹吸或 泵抽吸方式將水由外向內(nèi)進(jìn)行負(fù)壓抽濾(如圖4所示)，實現(xiàn)低跨膜壓差(TMP)、適度膜 通量的平穩(wěn)運行的直流式全量過濾，這使得其整體能耗成本低于壓力式膜過濾，一般在0.03- 0.06kW?h/m3之間。這主要表現(xiàn)為：膜壓差沿中空纖維膜長度方向均勻分布，在膜的進(jìn)水一側(cè)沒有壓降損失；抽吸模式的

7、運行對膜壓差和膜通量施加了一個明確的限制，使其保持在過濾曲線 的恒壓控制區(qū)。進(jìn)水產(chǎn)水排水空氣圖4浸沒式膜操作原理從系統(tǒng)設(shè)計上，浸沒式膜可被直接浸入到需要處理的水中，因此系統(tǒng)的占地面積非常 小。這也就給現(xiàn)有處理廠的改造提供了條件，可以將膜安裝到現(xiàn)有的澄清池或濾池或其它 水池中，所以浸沒式膜系統(tǒng)無論對新建還是已建處理廠的升級都非常理想：即同樣的占地 面積下，出水水量提高2-4倍，同時保證優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品水。使用成列的浸沒式膜流程中需要 很少的泵、風(fēng)機(jī)和閥門，在進(jìn)水泵處，使用配水渠將水輸送到各個流程池中，減少了水頭 損失，使水以重力流形式流動。普通的反沖洗設(shè)備也可以使用，這減少了占地面積，降低 了系統(tǒng)的復(fù)

8、雜性，減少了投資和費用。表2 壓力式與浸沒式膜系統(tǒng)的比較 系統(tǒng)過濾方式膜材料預(yù)處理要求和抗污染 能力操作壓力膜壽命安裝方式壓力式膜密閉式系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)壓式或外壓式設(shè)計，為 直流式和錯流式過濾PES，PS，PVDF，PVC單根內(nèi)壓式膜組件裝填密度高，過流通道小， 要求復(fù)雜的預(yù)處理，抗污堵能力差采用較高壓力過濾(0.035-0.3MPa)，能耗高。通過壓 力調(diào)節(jié)可應(yīng)對工藝波動或進(jìn)水水質(zhì)、水溫變化的影響。膜的使用壽命相對較短，視不同 膜材料和制造方法而定。壓力式膜需要安裝在密封的壓力容器內(nèi)，系統(tǒng)需要更多和復(fù)雜 的連接件及閥門。浸沒式膜開放式系統(tǒng)設(shè)計外壓式過濾設(shè)計，為直流式過濾PVDF， PVC單根膜組件

9、裝填密度中等，過流通道寬，只要求簡單的預(yù)處理，抗污堵能力強(qiáng)采用 虹吸或低壓真空抽吸（0.02-0.03 MPa），能耗較低。占地面積 適用處理規(guī)模膜的使用壽 命相對較長，視不同膜材料和制造方法而定。浸沒式膜只需要安裝在土建或金屬鋼池中， 只需要少量的連接件及閥門，方便增容或老水廠改造。混凝土池體價格便宜并耐腐蝕，更 適于建設(shè)項目需要40100年的使用期。大 小33單套系統(tǒng)最多僅能達(dá)到4000-8000 m/d單套系統(tǒng)產(chǎn)量可到40000m/d以上，非常適合大的處理規(guī)模。對于大型水廠，系統(tǒng)會 變得型水廠建設(shè)。膜分離法的技術(shù)優(yōu)勢通過規(guī)模效比較復(fù)雜。適合中、小型處理規(guī)模的水 應(yīng)得到進(jìn)一步顯示。廠。膜組

10、件構(gòu)型是壓力式膜規(guī)模效應(yīng)的制約因素。注：PES：聚醚 颯；PS：聚颯；PVDF:聚偏二氟乙烯；PVC:聚氯乙烯總之，壓力式與浸沒式膜系統(tǒng)各有優(yōu)勢與適用領(lǐng)域，其技術(shù)比較見表2所示。從低壓 膜發(fā)展趨勢而言，浸沒式膜將是低壓膜過濾技術(shù)的發(fā)展方向。根據(jù)表2的比較分析可見， 對于大、中型自來水水廠的新建或改造升級，浸沒式膜系統(tǒng)顯示了其獨特的優(yōu)勢，將是最 佳實用的低壓膜法飲用水凈化工藝。2 ZeeWeed?浸沒式超濾膜過濾系統(tǒng)的工程考慮為了滿足不同進(jìn)水水質(zhì)（如懸浮物、有機(jī)物）和預(yù)處理工藝的處理需要，GE開發(fā)出兩 種級別的ZeeWeed?超濾（UF）膜產(chǎn)品：ZeeWeed?500和ZeeWeed?1000，

11、見圖5所示。 ZeeWeed?500采用加強(qiáng)型膜絲，具有無比的耐受性和使用壽命，適用于復(fù)雜波動的高懸浮 物水源；ZeeWeed?1000采用高效膜組件和膜箱設(shè)計，具有最小的占地面積和生命周期成本， 適用于低懸浮物的水源（如地下水、地表水及三級處理），是濾池升級改造和大型膜過濾 系統(tǒng)的最佳選擇。a） ZeeWeed500 膜箱b） ZeeWeed1000 膜箱圖5 ZeeWeed?浸沒式超濾膜?ZeeWeed浸沒式超濾膜系統(tǒng)包括預(yù)處理系統(tǒng)（自清洗過濾器，或強(qiáng)化混凝或粉末炭）、 膜池、膜箱、產(chǎn)水泵（反洗泵）、鼓風(fēng)機(jī)和化學(xué)清洗系統(tǒng)。典型工藝流程如圖6所示。進(jìn)水膜列膜列膜列膜列1 2 3 4浸沒式超濾

12、膜池膜箱排水 反沖洗進(jìn)水P P P P產(chǎn)水泵清水池圖6 ZeeWeed?浸沒式膜系統(tǒng)在正常運行過程中膜系統(tǒng)生產(chǎn)透過液（產(chǎn)水），原水通過進(jìn)水管和進(jìn)水控制閥進(jìn)入膜 池。膜浸沒在膜池中的原水中，透過液泵從膜內(nèi)側(cè)將水負(fù)壓抽吸過膜壁。每個膜列的所有 膜箱產(chǎn)生的透過液通過透過液泵收集到共用的透過液抽吸管后，再到所有膜列共用的透過 液母管中，最后進(jìn)入下一步的處理。進(jìn)水中固體物質(zhì)積累在膜的表面，會逐漸增加跨膜壓差（TMP）值。反洗過程可以去 除膜表面的固體物質(zhì)，從而使TMP恢復(fù)到前一個產(chǎn)水周期中TMP值。多數(shù)反洗是每天進(jìn)行 的，有助于保持TMP且延長清洗周期，降低平均能耗。反洗過程包括將透過液反向透過膜、 曝

13、氣擦洗膜去除沉積物，防止它們沉積在膜表面，并且將膜池中的液體排到廢液池或污水 管。在反沖洗時，空氣進(jìn)入了超濾膜箱的底部在超濾膜的表面形成紊流，上升中的氣泡擦 洗并清潔超濾膜絲的外表面，提高超濾膜的處理效率。然后，重新將進(jìn)水注入膜池，開始 產(chǎn)水。產(chǎn)水還需周期性地停止以對膜進(jìn)行化學(xué)清洗，以去除膜的有機(jī)污染或是結(jié)垢物質(zhì)?；謴?fù)性清洗的頻率 根據(jù)處理廠的水質(zhì)和運行條件而變化。當(dāng)浸沒式膜系統(tǒng)越來越普及，很有必要了解該系統(tǒng)的組成和運行，并注意支持系統(tǒng)或 配套設(shè)備的設(shè)計。盡管膜系統(tǒng)設(shè)計的重點是與膜有關(guān)的參數(shù)，比如膜的種類、纖維數(shù)、膜 元件配置、通量和性能等。成功的膜系統(tǒng)的真正挑戰(zhàn)是系統(tǒng)運行所需配套設(shè)備的設(shè)計。

14、成 功的設(shè)計離不開由設(shè)計院、膜供應(yīng)商和最終用戶組成的小組，該小組保證一體的設(shè)計，考 慮系統(tǒng)水力條件、整個水處理廠、現(xiàn)場約束條件、規(guī)范要求、成本、運行、維修、系統(tǒng)冗 余以及膜系統(tǒng)成功運行所需的其它條件。膜系統(tǒng)配套設(shè)備包括泵、鼓風(fēng)機(jī)和空壓機(jī)等，負(fù) 責(zé)日常運行，包括過濾、反洗、清洗和完整性測試等工藝過程。表3列出ZeeWeed?浸沒式 超濾膜系統(tǒng)的組成部分和各組成部分的關(guān)鍵設(shè)計因素。表3浸沒式膜系統(tǒng)組成部分和關(guān)鍵設(shè)計因素膜系統(tǒng)組成部分進(jìn)水關(guān)鍵設(shè)計因素 渠道或管道進(jìn)水調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)入各膜池的流量原水過濾器膜通量回收率運行與清洗 周期抽吸方式冗余性（N-1，N-2, ?）完整性測試池型結(jié)構(gòu)池子材質(zhì)池子涂層池 子尺寸母管隔離膜池的閥門泵材質(zhì)和密封泵的配置相對于膜池的位置能力（適應(yīng)膜 池的擴(kuò)充）揚(yáng)程（適應(yīng)變化的水頭損失）汽蝕余量抽真空變頻控制反洗泵的材質(zhì)和 配置反洗水源反洗水排放空氣擦洗系統(tǒng)清洗溶液轉(zhuǎn)移泵的材質(zhì)和配置清洗水源和水 量藥液的排放化學(xué)中和的位置藥劑的儲存和投加空壓機(jī)的類型壓力衰減測試的頻率 法規(guī)要求 取出和替代池中膜箱的能力膜系統(tǒng)設(shè)備維修的空間影響因素系統(tǒng)布置 進(jìn)水 控制進(jìn)水水質(zhì)出水水質(zhì)系統(tǒng)運行與管理系統(tǒng)靈活性系統(tǒng)可擴(kuò)展性水力配水，反沖 洗，在