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(tài)。

本文將小結(jié)已有超濾膜工程流程布置、技術(shù)指標(biāo)、設(shè)計(jì)參數(shù)，并且結(jié)合具體工程實(shí)例，對(duì)壓力式超濾膜處理車間設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行歸納和探討，為今后的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

1. 超濾膜應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)超濾膜截留分子量，是一種精密過濾工藝，一般認(rèn)為可以替代常規(guī)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(huì)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(nèi)超濾膜處理工藝并不普及，管理運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)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(shí)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(jìn)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(shù)指標(biāo)的選擇與探討

超濾膜的技術(shù)指標(biāo)主要包括膜通量、水溫、回收率和出水水質(zhì)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(zhì)。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(jī)物，還能控制細(xì)菌等微生物，對(duì)控制“兩蟲”也有較好的效果�，F(xiàn)有的工程實(shí)踐表明壓力式超濾膜出水水質(zhì)一般可以滿足濁度≤0.1 NTU、“兩蟲”去除率≥6 log、細(xì)菌去除率≥4 log，病毒去除率≥90%(指標(biāo)生物一般為大腸桿菌噬菌體MS2)。而若出水水質(zhì)無法做到上述要求，在現(xiàn)有的價(jià)格條件下，采用壓力式超濾膜技術(shù)意義較小。

膜通量是基本的設(shè)計(jì)參數(shù)。其大小直接關(guān)系著所需要的膜面積、并影響膜裝置的占地和設(shè)備的造價(jià)。膜通量的選擇可以通過中試試驗(yàn)確定，也可以根據(jù)現(xiàn)有其他水廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，一般可以為40～80 L/(㎡·h)。

水溫對(duì)超濾膜系統(tǒng)運(yùn)行影響巨大。水溫越低，水的黏度就越大，膜通量越小，膜產(chǎn)水越困難。水溫直接影響膜通量，進(jìn)而影響膜裝置的產(chǎn)水效率。有研究表明，在20 ℃基礎(chǔ)上，溫度每下降1 ℃，通量約下降2.5%。根據(jù)《城鎮(zhèn)給水膜處理技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 251—2017)規(guī)定，膜處理工藝的正常設(shè)計(jì)水溫不宜低于15 ℃，最低設(shè)計(jì)水溫不宜低于2 ℃�？紤]各系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，一定要考慮水溫造成的膜通量的變化對(duì)各設(shè)備參數(shù)選取的影響。

壓力式超濾膜回收率也是較為主要的技術(shù)指標(biāo)，其決定膜設(shè)備的大小水源水的水量。較低的回收率會(huì)增加設(shè)備的規(guī)模及前置構(gòu)筑物的水力負(fù)荷，因此，壓力式超濾膜主系統(tǒng)的回收率考慮≥95%。若要保證一定出水規(guī)模條件下，前置構(gòu)筑物的水力負(fù)荷的減小，可以考慮將超濾膜處理工藝設(shè)置為帶回收系統(tǒng)的二級(jí)膜處理流程，此時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總回收率可達(dá)99.5%。在淡水水源匱乏地區(qū)凈水廠往往采用二級(jí)膜處理流程，以減少原水泵房取水壓力。

3. 系統(tǒng)的組成

壓力式膜處理設(shè)施包括進(jìn)水系統(tǒng)(進(jìn)水提升泵、保安過濾器及總管)，過濾系統(tǒng)(膜組件及膜組)，物理和化學(xué)清洗系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、出水系統(tǒng)(總管及堰)、完整性檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng),如圖4所示。

圖4 壓力式膜處理設(shè)施系統(tǒng)組成

原水經(jīng)水泵提升后進(jìn)入超濾系統(tǒng)，超濾進(jìn)水通過給水泵進(jìn)入0.1 mm的自清洗過濾器后，再進(jìn)入公共配水母管，通過流量控制閥進(jìn)入各個(gè)處理膜組。

排水系統(tǒng)是指反沖洗水經(jīng)膜系統(tǒng)內(nèi)部回收利用后，廢水排放系統(tǒng)。廢水可直接排入廠區(qū)雨水系統(tǒng)，也可進(jìn)入水廠其他回用水系統(tǒng)統(tǒng)一利用。

膜系統(tǒng)包含配套自動(dòng)清洗系統(tǒng)，其中包括空氣擦洗，水反沖洗，維護(hù)性和恢復(fù)性化學(xué)清洗�？諝獠料聪到y(tǒng)主要包括鼓風(fēng)機(jī)和配套管配件；水反沖洗系統(tǒng)主要包括水泵和配套管配件；化學(xué)清洗系統(tǒng)組成具體見4.5節(jié)。

完整性檢測(cè)系統(tǒng)是指為了保證膜的完整性而使用的相關(guān)監(jiān)測(cè)手段和膜完整性測(cè)試。國內(nèi)的判斷方法主要分為在線監(jiān)測(cè)和離線檢漏兩種方式。凈水廠設(shè)計(jì)一般采用一種在線和一種離線方法最終判斷哪個(gè)膜組件出現(xiàn)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(qū)：提升泵房、過濾系統(tǒng)車間(包括主系統(tǒng)和回收系統(tǒng))、化學(xué)清洗車間、反沖洗泵房、鼓風(fēng)機(jī)房、廢液處理井、配電間、控制室和配套水池。

應(yīng)盡可能將膜組件布置在同一樓層內(nèi)，以減少提升設(shè)施和管道負(fù)荷，避免能量損耗。管道應(yīng)盡量采用不銹鋼材質(zhì)，有利于減小膜污染負(fù)荷和提高出水水質(zhì)，從而延長膜系統(tǒng)的使用壽命。

化學(xué)清洗車間應(yīng)靠近過濾系統(tǒng)車間，配電間則應(yīng)靠近用電量較大的提升泵房。清洗車間和配電間對(duì)層高要求較低，可考慮臨近布置，減少輔助系統(tǒng)所在建筑高度，既減少造價(jià)也利于建筑外形美觀。

配套水池在場(chǎng)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(shè)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(jìn)行出水渠道和水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)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(chǎn)品水池、化學(xué)廢液處理井等，若設(shè)置回收系統(tǒng)，應(yīng)設(shè)計(jì)二級(jí)泵吸水井和回收水池。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑無法滿足膜架設(shè)置車間跨度大于15 m內(nèi)部無柱的空間要求，因此，膜處理系統(tǒng)所在車間應(yīng)考慮采用鋼結(jié)構(gòu)屋頂以保證空間需求。超濾膜處理車間進(jìn)水泵房有一定的起吊要求，為方便吊車的安裝和運(yùn)行，泵房宜采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

4.2 平面布置實(shí)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(chǎng)地條件限制，為充分利用廠區(qū)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(jìn)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(nèi)膜進(jìn)水泵房為鋼混結(jié)構(gòu)，過濾系統(tǒng)車間確定為鋼結(jié)構(gòu)屋頂。

由圖5可知，方案一過濾系統(tǒng)主系統(tǒng)位于膜車間正下方。膜進(jìn)水泵房位于整個(gè)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(tǒng)，車間最左側(cè)為化學(xué)清洗系統(tǒng)。其余設(shè)施布置如下疊水池、二級(jí)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(tǒng)主系統(tǒng)位置保持不變外，對(duì)其他功能區(qū)均進(jìn)行了調(diào)整，具體如圖6所示。調(diào)整后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的進(jìn)水泵房在車間最左側(cè)，反沖洗水泵與進(jìn)水泵房合并設(shè)置。方案一中進(jìn)水泵房位置布置配電間及控制室。同樣為鋼混結(jié)構(gòu)的化學(xué)清洗車間同鼓風(fēng)機(jī)等其他設(shè)置布置于車間右上角。在右上角突出區(qū)塊下方布置主系統(tǒng)膜回收水池兼二級(jí)膜系統(tǒng)吸水井，并采用潛水泵作為提升裝置。

對(duì)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(gè)規(guī)整的矩形(圖6中框選)，三區(qū)域不同屋頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度降低。進(jìn)水泵房位置的相對(duì)獨(dú)立使下疊水池集中設(shè)置，這對(duì)結(jié)構(gòu)布局也十分有利。而在右上角設(shè)置回收水池，使得水質(zhì)較好的一級(jí)膜進(jìn)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(shè)，也保證了出水水質(zhì)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(jìn)水泵房設(shè)計(jì)

膜處理車間進(jìn)水泵房一般是整個(gè)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(jié)構(gòu)形式又與其他車間差別較大。因此，應(yīng)充分考慮其平面位置，保證建筑美觀及結(jié)構(gòu)合理。具體布置實(shí)例已在5.2中詳細(xì)介紹。進(jìn)水泵房其它設(shè)計(jì)要點(diǎn)同一般泵房設(shè)計(jì)。

進(jìn)水泵房的揚(yáng)程應(yīng)根據(jù)式(1)確定，一般揚(yáng)程可達(dá)24～35 m。

H=h+Ho+∑h           (1)

其中：H—膜進(jìn)水泵房水泵揚(yáng)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(tǒng)的阻力損失和幾何高差差距不大。揚(yáng)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(shè)計(jì)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(jìn)水泵房水泵額定揚(yáng)程采用了最不利工況下的計(jì)算結(jié)果，與實(shí)際工作揚(yáng)程差距較大，因此，水泵應(yīng)考慮變頻，并充分計(jì)算水泵變頻曲線后確定水泵型號(hào)。

二級(jí)膜處理提升系統(tǒng)可考慮采用潛水泵，此時(shí)回收水池和二級(jí)吸水井可合并使用。

4.4 物理清洗系統(tǒng)布置

在運(yùn)行過程中，進(jìn)水中固體物質(zhì)會(huì)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(zhì)，包括反沖洗泵、鼓風(fēng)機(jī)，甚至控制系統(tǒng)所需空壓機(jī)和空氣罐。

一般超濾膜系統(tǒng)物理清洗系統(tǒng)間隔時(shí)間為30～60 min，每次清洗時(shí)間為30～60 s。由于反沖間隔時(shí)間較短，若膜組較多或有回收系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)膜組總數(shù)量選擇是否需要設(shè)置多套物理清洗裝置。

考慮到本車間出水可能與下游未經(jīng)膜處理的產(chǎn)品水混合，為保證超濾膜反沖洗水的水質(zhì)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(chǎn)品水池之間應(yīng)有空氣隔斷設(shè)施。

4.5 化學(xué)清洗系統(tǒng)布置

化學(xué)清洗系統(tǒng)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(chǔ)罐、清洗儲(chǔ)罐、循環(huán)泵和廢液處理井，主要服務(wù)于膜系統(tǒng)的維護(hù)性清洗和恢復(fù)性清洗。

維護(hù)性清洗是指用低濃度化學(xué)清洗來恢復(fù)膜透過率的方法，使用的化學(xué)藥劑為檸檬酸和次氯酸鈉，間隔時(shí)間為每個(gè)膜列一天一次，每次清洗時(shí)間約15～30 min�；謴�(fù)性清洗是指用較高濃度化學(xué)清洗來恢復(fù)膜透過率的方法，使用的化學(xué)藥劑與維護(hù)性清洗相同，間隔時(shí)間為每個(gè)膜列一月一次，每次清洗時(shí)間約4～6 h。清洗完畢的化學(xué)廢液將會(huì)進(jìn)入廢液池，由氫氧化鈉與亞硫酸氫鈉進(jìn)行中和或氧化還原反應(yīng)后，再進(jìn)行統(tǒng)一處置�；瘜W(xué)清洗流程如圖7所示。

圖7 化學(xué)清洗流程圖

次氯酸鈉和亞硫酸氫鈉為氧化還原性較強(qiáng)的化學(xué)品，鹽酸、氫氧化鈉為強(qiáng)酸強(qiáng)堿，腐蝕性較強(qiáng)，若相互混合將會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。無論是氧化還原或中和反應(yīng)均會(huì)產(chǎn)生熱量，熱量若無法及時(shí)釋放，輕則導(dǎo)致配套設(shè)置損壞，重則將會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)。因此，應(yīng)在儲(chǔ)罐布置區(qū)域設(shè)置聯(lián)通所有原液儲(chǔ)罐的藥液集水槽，保證即使會(huì)反應(yīng)的兩種藥劑不慎泄露，也能在集水槽中反應(yīng)完畢，反應(yīng)產(chǎn)生熱量的擴(kuò)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(nèi)存儲(chǔ)檸檬酸溶液，而車間內(nèi)的化學(xué)藥劑應(yīng)盡可能采用低濃度儲(chǔ)存。

4.6 消防及安全

超濾膜處理車間建筑等級(jí)一般為丁類廠房、耐火等級(jí)為一、二級(jí)，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2014)規(guī)定，可以不設(shè)消火栓。但仍應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)叵啦块T的具體要求確定超濾膜處理車間的消防設(shè)施。

超濾膜處理車間中，危險(xiǎn)源主要是用于化學(xué)清洗的藥劑，具體安全措施詳見4.5節(jié)。在調(diào)試和運(yùn)行時(shí)，為保證安全不可將兩種不同化學(xué)清洗藥劑的同時(shí)放空。

5. 結(jié)論

(1)超濾膜處理系統(tǒng)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(zhì)一般較好，主系統(tǒng)回收率在95%以上，若要提高回收率，可考慮增設(shè)二級(jí)膜回收系統(tǒng)。

(3)超濾膜系統(tǒng)組成復(fù)雜，應(yīng)充分考慮車間內(nèi)部布置和與外部銜接的設(shè)計(jì)。

(4)超濾膜處理車間布置時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同區(qū)塊特點(diǎn)選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，相似建筑結(jié)構(gòu)車間及功能區(qū)域應(yīng)集中布置。

(5)物理和化學(xué)清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)方便膜處理系統(tǒng)的運(yùn)行，化學(xué)清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮藥劑儲(chǔ)存及混合的安全性。

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