膜系統(tǒng)是高度集成的工程技術(shù)。需要豐富扎實的工程知識和經(jīng)驗進行設(shè)計優(yōu)化。在早期，由于未能全面掌握膜及工藝集成優(yōu)化，人們經(jīng)受了許多挑戰(zhàn)和教訓，也獲得了寶貴的開發(fā)高效可靠膜系統(tǒng)的經(jīng)驗。本文以作為北京綠色奧運象征之一——清河奧林匹克廢水再生工程為例，探討膜系統(tǒng)的近代發(fā)展及工藝設(shè)計優(yōu)化中的三個關(guān)鍵因素——膜和通量的選擇，系統(tǒng)集成優(yōu)化及污堵控制以及對膜壽命和性能的影響。

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，清河使用六列ZW1000V3膜系列，全自動在線清洗和全部膜池排空工藝膜式。20多個月的運行進一步證明，優(yōu)化的膜系統(tǒng)不僅性能高效可靠，而且能明顯提高膜使用壽命，降低生命周期總成本。更重要的是，膜運行TMP和不可逆污堵比設(shè)計值低，即使進水TSS較低，膜系統(tǒng)仍然可去除高達80%的濁度和30%COD，從而在任何情況下系統(tǒng)都能可靠地為奧運提供高質(zhì)量的產(chǎn)水。

一、膜法再生水技術(shù)與綠色奧運   

水資源匱乏、節(jié)約用水、更嚴格的環(huán)保法律法規(guī)和人民生活質(zhì)量的提高加速了我國發(fā)展深度水處理的研發(fā)與應(yīng)用。

膜法水處理技術(shù)己成為世界先進的深度水處理的主流技術(shù)。近幾年，我國開始將膜技術(shù)應(yīng)用于再生水處理。與傳統(tǒng)工藝相比，膜法水處理技術(shù)具有占地面積小、操作簡便、易于擴容等優(yōu)點，特別是其出水水質(zhì)好而且穩(wěn)定，經(jīng)其處理的再生水可用于市政雜用、景觀、工業(yè)補水等方面。

“綠色奧運”是北京奧運會的三大理念之一，作為綠色奧運的重要組成部分，北京建成了10座再生水廠，2007年利用再生水的規(guī)模已經(jīng)達到4.8億立方米。清河再生水廠是北京市規(guī)劃的國內(nèi)供水規(guī)模最大、采用了最先進的浸沒式超濾技術(shù)的再生水廠，其再生水直接回用于奧運公園景觀水體等，相當于每天節(jié)約50萬人的日均用水。
本文將以奧運清河再生水廠的設(shè)計和運行維護為例，探討膜法再生水系統(tǒng)的工藝設(shè)計和優(yōu)化。

二、膜系統(tǒng)與廢水再生和再利用

近幾十年來，用于廢水再生和再利用的膜技術(shù)在北美和歐洲得到迅速發(fā)展；當前中國水處理工業(yè)如同十多年前的北美和歐洲一樣，正經(jīng)歷著相似的變革。更加突出的是，膜技術(shù)的創(chuàng)新更快，競爭更激烈。促使膜系統(tǒng)技術(shù)更成熟，成本大幅度降低，使膜處理技術(shù)變成廣為關(guān)注的、經(jīng)濟實用的方法。

但是，膜技術(shù)在北美和歐洲的快速發(fā)展中也經(jīng)受了許多挑戰(zhàn)和教訓！例如，由于早期膜制造及工程技術(shù)不夠成熟，膜系統(tǒng)容易出現(xiàn)斷裂，淤堵，污堵等許多問題，結(jié)果導致?lián)Q膜頻繁和系統(tǒng)運行不穩(wěn)定！有時，即使膜系統(tǒng)可以運行，但是能耗高，化學品消耗高，而且需要經(jīng)常仔細的維護。工程界曾經(jīng)一度對膜系統(tǒng)在廢水再生和再利用中的推廣和應(yīng)用相當謹慎。因此為了改進和加強膜系統(tǒng)的性能和可靠度，對膜系統(tǒng)進行了大量的技術(shù)工程優(yōu)化研究，積累了大量成功的經(jīng)驗。

在考慮25年的生命周期成本時，膜系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)以及不同的膜系統(tǒng)之間存在著巨大的差別；膜系統(tǒng)的生命周期總成本更多取決于長期運行成本-膜更換成本及能耗。當合適的膜知識和最新的膜系統(tǒng)集成的工程經(jīng)驗不能被恰當?shù)膽?yīng)用到膜的制造、系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化中時，業(yè)主就會面臨極大的投資和運行風險。例如，選擇恰當?shù)母哔|(zhì)量膜，且經(jīng)過優(yōu)化的膜系統(tǒng)的生命周期可以長達十年甚至更長；相反，差質(zhì)量的膜系統(tǒng)的生命周期短至三年甚至更短。在25年的運行周期內(nèi)，作為系統(tǒng)的主要部分，膜更換成本可以有三倍多的差別！另外，工程效果差的膜系統(tǒng)還有能耗和化學品消耗高以及維護頻繁的弊端。

因此，基于以往成功的工程優(yōu)化經(jīng)驗來對膜系統(tǒng)進行優(yōu)化非常重要。無容置疑，北美和歐洲的經(jīng)驗對中國的水處理工業(yè)將有著重要的參考價值！用于廢水再生和再利用的膜系統(tǒng)有三種類型：1)從外向內(nèi)中空纖維膜，2)從內(nèi)向外中空纖維膜，3)平板膜。平面圖見圖1。

在不同的應(yīng)用中，這三種膜各有優(yōu)缺點。最近對于全球已知的膜裝置統(tǒng)計表明，已安裝的浸沒式中空纖維膜日總處理能力超過了2000ML/天，超過了其他膜系統(tǒng)總處理能力的兩倍。這清楚地表明了低壓浸沒式中空纖維濾膜的優(yōu)勢已經(jīng)使它正在成為廢水再生應(yīng)用中的領(lǐng)導者。

三、浸沒式中空纖維膜系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化

膜系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化受許多因素影響，本文將集中關(guān)注有著重大影響的三個關(guān)鍵因素：膜和膜通量選擇，系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化，以及膜污堵控制。

1、膜和膜通量選擇

膜元件，作為膜系統(tǒng)的核心，直接決定其性能和可靠性。選擇最適合應(yīng)用目的的膜元件是開發(fā)一個優(yōu)化膜系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

在浸沒式中空纖維膜的應(yīng)用中，膜絲經(jīng)受到很強的沖擊應(yīng)力，膜絲斷裂通常是限制其成功應(yīng)用，特別是廢水再生應(yīng)用中的主要影響因素。 

為了克服膜絲的弱點，浸沒式中空纖維膜已經(jīng)從早期的斷裂率較高的“常規(guī)膜”演變?yōu)閺娀?，以及能夠承受超過50kg拉力的加強型膜（參見圖2）。今天，在經(jīng)濟技術(shù)可比的情況下，應(yīng)盡量選用耐沖擊應(yīng)力高的膜。

在廢水再生和再利用中有許多不同類型的浸沒式膜。ZW中空纖維膜是這一領(lǐng)域的領(lǐng)導者。ZW膜包含有ZW500和ZW1000系列，每一系列有各種不同的膜產(chǎn)品來滿足不同進水質(zhì)量及處理的要求。

對清河項目，進水為優(yōu)質(zhì)二級出水，ZW1000系列投資省，運行經(jīng)濟可靠，細小的微孔可保證高質(zhì)量的出水。

通量的選擇對于投資、運行和生命周期成本有著直接影響。膜系統(tǒng)的長期運行性能不僅取決于高品質(zhì)的膜元件，同時也強烈依賴于設(shè)計／運行通量。設(shè)計過高通量（常發(fā)生在激烈競標中），使初期投資成本低而具有吸引力。但是膜污堵高、使用壽命縮短，能耗和化學品消耗也增加，反而造成膜系統(tǒng)生命周期總成本增高。不必要的低通量，又會使初期投資成本明顯增高。遺憾的是，可靠的設(shè)計通量難以通過短期的中試獲得，因為需要長時間才能看到許多關(guān)鍵因素對不可逆污堵的綜合累積效應(yīng)，包括進水水質(zhì)及變化、最低進水溫度、允許的最小產(chǎn)水量（一列膜停機時）及高峰流量的影響等。

因此，最終的通量選擇必須在保證滿足所有的處理要求條件下，對各種因素進行全面平衡。實踐證明，可靠的通量只能基于相似大規(guī)模膜系統(tǒng)的長期運行數(shù)據(jù)來確定—工程數(shù)據(jù)庫

2、浸沒式中空纖維膜系統(tǒng)的集成和優(yōu)化

圖3是浸沒式中空纖維膜系統(tǒng)的工藝流程示意圖。

與傳統(tǒng)系統(tǒng)不同，進水水質(zhì)，溫度及其流量等的動態(tài)變化對于膜系統(tǒng)設(shè)計和運行的影響相對要嚴重得多。在任何情況下，膜系統(tǒng)所有的進水必須通過膜，即使在高峰流量／最小通量（膜使用壽命晚期）條件下。因此，膜系統(tǒng)的工藝設(shè)計，集成和優(yōu)化比任何時候都更加重要！對于動態(tài)條件分析不足常常會導致膜系統(tǒng)設(shè)計效果出現(xiàn)很大的偏差。比如，在工程早期，一些項目的細節(jié)問題被遺漏，或假設(shè)的最具挑戰(zhàn)的水質(zhì)或高峰流量太偏，經(jīng)多個環(huán)節(jié)采用的保守設(shè)計，導致膜系統(tǒng)設(shè)計過于保守，投資成本過高。另一方面，設(shè)計激進的膜系統(tǒng)不僅會有產(chǎn)水量不足問題，而且在高峰流量下可能出現(xiàn)嚴重的污堵等運行問題。

優(yōu)化的關(guān)鍵是動態(tài)條件的全面分析，膜池和運行模式。從動態(tài)條件來看，膜系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化必須考慮以下因素：浸沒式膜的種類及運行模式，預處理，溫度變化/最低溫度，懸浮固體／污物負荷和高峰持續(xù)時間，系統(tǒng)水力負荷，流量變化程度和持續(xù)時間等。

根據(jù)進水特性和膜的種類不同，膜系統(tǒng)可以依照兩類主要操作模式來設(shè)計：

1、部分膜池排空/溢流模式。

2、全部膜池排空/膜池排空模式。 

在早期階段，膜系統(tǒng)經(jīng)常按照部分膜池排空/溢流模式進行設(shè)計。最近，對于新的ZW500和ZW1000系列產(chǎn)品開始使用膜池排空模式來進行優(yōu)化設(shè)計如圖4所示。

這種設(shè)計不僅繼承了部分膜池排空設(shè)計的優(yōu)點，而且還有許多其他優(yōu)點。

(1)懸浮固體耐受度較高—絮凝劑添加量提高到20～30mg/L(ZWl000)。

(2)最大膜壓（TMP）可達≈13psi，通量增加可高達≈40%。

其中一個關(guān)鍵好處就是膜系統(tǒng)可獲得較高的TMP而不會增加成本，這樣就可以使濾膜在較高優(yōu)化通量下運行。

三、膜污堵的降低及控制

膜污堵有兩種類型：可逆和不可逆污堵?？赡嫖鄱驴梢酝ㄟ^適當?shù)那逑垂に嚤煌耆謴停豢赡嫖鄱潞艽蟪潭壬喜荒鼙换謴?，且具有累積性。不可逆污堵主要依賴于膜質(zhì)量，即時運行通量，進水特性，峰值因素，清洗模式和頻率等。 

在相似的進水特性和其他條件下，即時運行通量越高，峰值因素越大，污堵速率越高。圖5和6表明，如果通量從40LMH增加到54LMH（僅僅增加25%），總體膜污堵速率增加2.7倍。這樣污堵速率增加的很大一部分都是不可逆污堵，進一步證明了即時運行通量選擇不當、長期在高即時運行通量下運行可導致膜系統(tǒng)不可逆污堵大幅度上升，膜的有效使用壽命大幅度縮短。

進水中的化學物質(zhì)如膠體和有機物、膜池中顆粒物負荷及類型同樣對總體污堵速率和不可逆污堵速率有影響。為了保證膜可靠運行，最終總懸浮物濃度/負荷量要受到最大濃度的限制。（詳情將會在以后的出版物中討論）

清洗工藝、模式和頻率是工程優(yōu)化設(shè)計中控制不可逆污堵的關(guān)鍵。 

實踐證明，清洗模式II能夠有效的降低污堵速率，可以最大程度的保護膜以避免不可逆污堵。清洗模式II必須自動在線進行。因此使用合適的控制系統(tǒng)來控制不可逆污堵非常重要。

四、清河膜法再生水系統(tǒng)應(yīng)用案例

1、項目背景

清河再生水廠是北京市為2008奧運會規(guī)劃的規(guī)模為8萬噸/日、高品質(zhì)的再生水廠。該項目已于2006年8月建成，目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定，產(chǎn)水完全符合國家中水回用標準。其再生水直接回用于奧運公園景觀水體，每年可節(jié)約清潔水源3千萬立方米；從而緩解北京日益嚴重的缺水問題并改善和提升奧運村的形象。

2、工藝過程優(yōu)化及特點描述

清河再生水廠采用了新一代ZW1000V3膜元件，膜箱和新的膜集成工藝。關(guān)鍵系統(tǒng)主要包括：0.5mm細格柵，ZW1000膜系統(tǒng)，全自動在線膜清洗系統(tǒng)，在線絮凝劑添加系統(tǒng)，活性炭濾床并配有臭氧系統(tǒng)，最終出水經(jīng)CIO2消毒后送到奧運湖。圖8給出了整體處理工藝過程。

基于設(shè)計要求和進出水變化特性，同時考慮到前文提到的所有因素，對膜系統(tǒng)經(jīng)過全面優(yōu)化設(shè)計包括：

(1)ZW1000膜系統(tǒng)設(shè)計采用了優(yōu)化的膜運行控制系統(tǒng)和膜池全排空模式（見圖4）。膜系統(tǒng)含有6個膜列，每個膜列含9個ZW1000膜箱，每個膜箱含有60個膜元件。在任何一列膜處于清洗或維修狀態(tài)下，膜系統(tǒng)都可100%滿足80,000立方米/天的供水量。

(2)ZW1000膜和通量的選擇——優(yōu)化的膜系統(tǒng)的運行凈通量不超過30LMH，即時運行通量不超過40LMH，運行膜壓不超過-80kPa。

(3)可進行模式II的全自動在線清洗。必要時，還可自動在線在膜池前添加絮凝劑以去除進水中總磷（TP）。當添加絮凝劑時，優(yōu)化的膜運行控制系統(tǒng)可控制膜池中TSS負荷量以100%滿足TSS的優(yōu)化設(shè)計要求。不會明顯對膜增加不可逆污堵（見運行數(shù)據(jù)）。

3、清河膜系統(tǒng)操作性能分析

(1)膜進出水變化特性 

清河膜系統(tǒng)的進水是來自于清河污水生物處理廠的二級優(yōu)質(zhì)出水，表3總結(jié)了近期膜進出水的特性，

(2)膜的總回收率和TMP變化特性     

圖9給出了運行TMP的變化情況，圖10顯示流量變化對水總回收率的影響。

(3)膜系統(tǒng)對濁度及COD的去除性能

膜系統(tǒng)于2006年8月調(diào)試，從2006年11月開始正常運行，運行超過了20個月。截至2008年6月30日，在設(shè)計產(chǎn)水量（每天八萬立方米）和設(shè)計回收率（90%）條件下，平均TMP位于-10至-15kPa的范圍內(nèi)，低于正常設(shè)計TMP。運行結(jié)果證明：

(1)在優(yōu)化設(shè)計條件下，運行引起的膜污堵是可恢復的。這也同時表明配置有自動在線清洗的優(yōu)化膜系統(tǒng)性能可靠，膜的使用壽命能被明顯延長。而且在低TMP運行條件下，能耗和藥耗相對減少。

(2)在不超過最大流量條件下，優(yōu)化膜系統(tǒng)可耐受進水流量大幅變化，其運行TMP受進水流量大幅變化的影響小而穩(wěn)定，并保持高的總水回收率（平均＞90%的設(shè)計值）。

(3)即使進水濁度較低（＜2NTU），ZW膜系統(tǒng)對濁度去除效率高于60%，在大多數(shù)情況下，可以接近80%的去除率。相比來說，傳統(tǒng)的多介質(zhì)過濾器去除濁度的效率要低得多。在這樣的濁度去除水平下，膜系統(tǒng)的出水從外觀來看已經(jīng)非常接近自來水。

(4)ZW膜可以有效的脫除膠體/色度COD。COD脫除率在20%至30%，可明顯改善下游諸如臭氧和碳過濾的處理效率。

五、總結(jié)

膜系統(tǒng)包含兩個關(guān)鍵要素：膜元件和系統(tǒng)集成優(yōu)化。清河再生水廠近兩年的成功運行再一次證明了膜的質(zhì)量和通量、系統(tǒng)集成優(yōu)化和降低污堵是決定膜系統(tǒng)整體性能的三個最關(guān)鍵因素。經(jīng)過優(yōu)化的ZW浸沒式中空纖維膜系統(tǒng)可在穩(wěn)定的低TMP（-10至-15kPa）、低污堵速率下長期可靠運行。從而，延長膜的有效使用壽命，明顯降低生命周期總成本。即使進水TSS/COD極低，優(yōu)化的ZW膜系統(tǒng)也能獲得高達80%的濁度去除率、20%至30%的COD去除率。從而，極大地改善了下游臭氧和碳過濾等的處理效率；降低高級廢水再生系統(tǒng)的總體成本，使出水能可靠的滿足各種廢水再生和再利用的目的。

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