ZeeWeed浸没式超滤膜—大型自来水厂的最佳选择

3 典型工程案例分析
3.1 新加坡 CCK 自来水厂
CCK 自来水厂是新加坡最大的自来水厂，总处理规模为 364,000m3/d，分别于 1975 年（182,000m3/d）和 1981 年（182,000m3/d）投产运行。水源为水库水，采用 混凝、Pulsator 澄清、V 型滤池与消毒工艺。随着水库源水藻类和原生生物的污染， 饮用水的微生物安全问题被提上日程。ZeeWeed浸没式膜系统设计中显著的优势是 当翻新已建池体时独特的灵活性。这里包括沉淀池、滤池、清水池、泥水池等。因 此通过技术经济综合比较，最后选择 ZeeWeed1000 浸没式超滤膜来升级改造现有 的一期 V 型滤池，即在保持处理规模不变的前提下，提高处理后水质，并为二期提 高处理水量和水质提供工程依据。
图 7 CCK 自来水厂膜池平面布置
CCK 膜系统于 2008 年 4 月建成投产，产水规模为 182,000m3/d，只占用了 9 个 滤池中的 4 个，并把 3 个滤池改造成配套设备间、药剂间及反冲洗、清洗水箱等， 其它 2 个滤池空间为预留空地，见图 7 所示。整个膜系统分为 8 列膜池，每列膜池 选用 5 个 ZeeWeed1000-60M 膜箱（并预留 1 个膜箱空间），总共 2400 膜组件，设 计瞬时最大膜通量为 77LMH（所有列运行）和 90LMH（1 列离线运行），系统回 收率为 96% 。同时采用了虹吸和泵抽吸联合运行模式，即在系统运行初期可利用膜 池和清水池的液位差（4.65m）来实现跨膜压差，而当膜污染加剧或者需要增加处理 规模时才启动产水泵抽吸产生额外的跨膜压差，所以整个膜系统的能耗仅为 0.0178kWh/m3。膜系统处理效果见表 4 所示。 表4
参数 颗粒物/微生物： 浊度 原生动物 细菌 病毒 有机物： TOC 消毒副产物前体 色度 嗅和味 农药 无机物： 铁和锰 砷 硫化氢 微滤（MF） 无 无 无 混凝 混凝/PAC（粉末活性炭） 混凝/PAC 混凝/PAC 混凝/PAC PAC 氧化 混凝 氧化 超滤（UF） 无 无 无 无 混凝/PAC 混凝/PAC 混凝/PAC 混凝/PAC PAC 氧化 混凝 氧化
系统 过滤 方式
压力式与浸没式膜系统的比较
浸没式膜 开放式系统设计 外压式过滤设计，为直流式过滤
压力式膜 密闭式系统设计 内压式或外压式设计，为直流式和错 流式过滤
膜材料 预处理要 求和抗污 染能力
操作 压力 膜寿命 安装 方式
PES，PS，PVDF，PVC 单根膜组件装填密度高，过流通道 小，要求复杂的预处理，抗污堵能力 差，需要频繁化学清洗，适于精处理 或水质较好、稳定的水源水。对于水 质较差的原水需要采用错流过滤方 式，能耗大幅增高。 采用较高压力过 滤 (0.035-0.2MPa) ， 能耗高。通过压力调节可应对工艺波 动或进水水质、水温变化的影响。 膜的使用寿命相对较短，视不同膜材 料和制造方法而定。 压力式膜需要安装在密封的压力容器 内，系统需要更多和复杂的连接件及 阀门。
浸没式超滤膜 膜箱
排水 反冲洗水
P P P P
产水泵 清水池
图 6 ZeeWeed®浸没式膜系统
在正常运行过程中膜系统生产透过液（产水），原水通过进水管和进水控制阀 进入膜池。膜浸没在膜池中的原水中，透过液泵从膜内侧将水负压抽吸过膜壁。每 个膜列的所有膜箱产生的透过液通过透过液泵收集到共用的透过液抽吸管后，再到 所有膜列共用的透过液母管中，最后进入下一步的处理。 进水中固体物质积累在膜的表面，会逐渐增加跨膜压力（TMP）值。反洗过程 可以去除膜表面的固体物质，从而使 TMP 恢复到前一个产水周期中 TMP 值。多数 反洗是每天进行的，有助于保持 TMP 且延长清洗周期，降低平均能耗。反洗过程包 括将透过液反向透过膜、曝气擦洗膜去除沉积物，防止它们沉积在膜表面，并且将 膜池中的液体排到废液池或污水管。在反冲洗时，空气进入了超滤膜箱的底部在超 滤膜的表面形成紊流，上升中的气泡擦洗并清洁超滤膜丝的外表面，提高超滤膜的 处理效率。然后，重新将原水注入膜池，开始产水。产水还需周期性地停止以对膜 进行化学清洗，以去除膜的有机污染或是结垢物质。恢复性清洗的频率根据处理厂 的水质和运行条件而变化。 当低压膜系统越来越普及，很有必要了解该系统的组成和运行，并注意支持系 统或配套设备的设计。尽管膜系统设计的重点是与膜有关的参数，比如膜的种类、 纤维数、膜元件配置、通量和性能等。成功的膜系统的真正挑战是系统运行所需配 套设备的设计。成功的设计离不开由设计院、膜供应商和最终用户组成的小组，该 小组保证一体的设计，考虑系统水力条件、整个水处理厂、现场约束条件、规范要 求、成本、运行、维修、系统冗余以及膜系统成功运行所需的其它条件。膜系统配 套设备包括泵、鼓风机和空压机等，负责日常运行，包括过滤、反洗、清洗和完整
2 ZeeWeed®浸没式超滤膜过滤系统的工程考虑
ZeeWeed®浸没式超滤膜是一种独特的将水由外向内负压抽吸的 PVDF 中空纤维 膜，标称膜孔径为 0.02 至 0.04 微米，具有超常的物理化学耐受性。为满足不同水质 的处理需要， GE 开发出两种级别的 ZeeWeed® 超滤(UF)膜产品： ZeeWeed®500 和 ZeeWeed®1000，见图 5 所示。亦由于 ZeeWeed®膜进水通道完全开放的缘故，浸没 式膜工艺能应付含高悬浮物、高有机物的进水和对水质不稳定的进水具有较强的抗 冲击能力。
PVDF 单根膜组件装填密度中等，过流通道 宽，只要求简单的预处理，抗污堵能力 强，减少了化学清洗，适于水质差、波 动大的水源水。
采 用 虹 吸 或 低 压 真 空 抽 吸 (0.02-0.03 MPa)，能耗较低。 膜的使用寿命相对较长，视不同膜材料 和制造方法而定。 浸没式膜只需要安装在土建或金属钢池 中，只需要少量的连接件及阀门，方便 增容或老水厂改造。混凝土池体价格便 宜并耐腐蚀，更适于建设项目需要 40~100 年的使用期。 小 单套系统产量可到 40000m3/d 以上, 非常 适合大型水厂建设。 膜分离法的技术优势通过规模效应得到 进一步显示。
低压膜如超滤、微滤多采用中空纤维膜，具有最高的膜装填密度，处理效率 高，成本低，是低压膜系统的首选型式。中空纤维膜按进水水流方式不同可分为外 压式和内压式，按膜系统制造方式不同可分为压力式和浸没式。 1.1 外压式与内压式的比较（见图 1 所示） （1）外压式：系统进水从中空纤维膜丝的外部由外向内通过膜产生透过水（进水在 外，透过水在内），所以水流通道没有被固体悬浮物阻塞的风险。对压力式膜而 言，纤维间死角易导致堵塞，不易清洗。 （2）内压式：系统进水从中空纤维膜丝的内部由内而外通过膜产生透过水（进水在 内，透过水在外），无死角，适于水质良好的原水。但如果来水水质较差，则较外 压式膜而言抗污染能力差；此时一般可考虑选择内压式毛细管膜（膜丝内径较中空 纤维膜丝粗，通常大于 1mm）或外压式膜。
超滤膜Βιβλιοθήκη 膜池透过液泵反洗系统
关键设计因素 渠道或管道进水 调节阀控制进入各膜池的流量 原水过滤器 膜通量 回收率 运行与清洗周期 抽吸方式 冗余性（N-1） 完整性测试 池子材质 池子涂层 池子尺寸 母管 隔离膜池的阀门 泵材质和密封 泵的配置 相对于膜池的位置 能力（适应膜池的扩充） 扬程（适应变化的水头损失） 汽蚀余量 抽真空 变频控制 反洗泵的材质和配置 反洗水源 反洗水排放 空气擦洗系统 清洗溶液转移泵的材质和配置 清洗水源和水量 药液的排放 化学中和的位置 药剂的储存和投加 空压机的类型 压力衰减测试的频率 法规要求 取出和替代池中膜箱的能力 膜系统设备维修的空间
性测试等工艺过程。表 3 列出 ZeeWeed®浸没式超滤膜系统的组成部分和各组成部分 的关键设计因素。 表3
膜系统组成部分 进水
浸没式膜系统组成部分和关键设计因素
影响因素 系统布置 进水控制 进水水质 出水水质 系统运行与管理 系统灵活性 系统可扩展性 水力 成本 耐久性 能力 防腐蚀 汽蚀余量 建筑物尺寸和布置 过滤时产生的空气携带量
（a）压力式膜组件 （b）压力式膜系统 图 2 压力式膜过滤系统
（2）浸没式 浸没式膜组件包括固定在垂直或水平框架上的中空纤维膜、设在框架顶部和底 部的透过液集水管。每个集水管包含有一层密封膜丝的环氧树脂，使得膜的内腔与 管道相连以收集透过液，因此浸没式膜组件只有透过液端一个连接点。几个或几十 个膜组件通过两个硬直角管将其集水管相连接，同时将它们位置固定，形成一个膜 箱。周期性反冲洗和平缓温和的空气擦洗可以减少膜面的浓差极化，这种运行方式 对应于低的膜污染速率。若干个膜箱并联浸没在膜池中组成一个膜列，若干个膜列 并联组成不同处理规模的膜处理系统，见图 3 所示。 与传统的压力式膜过滤相反，浸没式膜是在较低的负压状态下运行使用，利用 虹吸或泵抽吸方式将水由外向内进行负压抽滤（如图 4 所示），实现低膜压差 (TMP)、适度膜通量的平稳运行的直流式全量过滤，这使得其整体能耗成本低于压力 式膜过滤，一般在 0.05-0.1kW•h/m3 之间。这主要表现为：
ZeeWeed®浸没式超滤膜—大型自来水厂的最佳选择
罗 敏 （GE 水处理及工艺过程处理，北京 10004）
1 低压膜过滤技术的现状与发展
自来水公司面临更大需水量和更严格标准日益增加的挑战。中国老化的水基础 设施存在扩大规模的压力，并且难以满足现在和将来的水质标准。随着自来水公司 开始改造传统水处理系统以扩大规模，满足更严格的标准，低压膜系统正变得越来 越普及。 低压膜包括微滤膜和超滤膜，是一种高级的过滤技术，只能去除水中的颗粒物 和微生物，如贾第鞭毛虫和隐孢子虫。所以需要与其他工艺相结合才能更好的解决 饮用水的安全卫生问题（见表 1 所示）。 表 1 基于不同污染物的低压膜预处理工艺
图 4 浸没式膜操作原理
从系统设计上，浸没式膜可被直接浸入到需要处理的水中，因此系统的占地面 积非常小。这也就给现有处理厂的改造提供了条件，可以将膜安装到现有的澄清池 或滤池或其它水池中。浸没式膜系统无论对新建还是已建处理厂的升级都非常理想 ─同样的占地面积下，出水水量提高 2-4 倍。使用成列的浸没式膜流程中需要很少 的泵、风机和阀门，在进水泵处，使用水渠将水输送到各个流程池中，减少了水头 损失，使水以重力流形式流动。普通的反冲洗设备也可以使用，这减少了占地面 积，降低了系统的复杂性，减少了投资和费用。 压力式与浸没式膜系统各有优势与适用领域，其技术比较见表 2 所示。从低压 膜发展趋势而言，浸没式膜将是低压膜过滤技术的发展方向。 表2
a) ZeeWeed®500 膜箱 b) ZeeWeed®1000 膜箱 图 5 ZeeWeed®超滤膜
ZeeWeed®浸没式超滤膜系统包括预处理系统（细格栅，或强化混凝或粉末 炭）、膜池、膜箱、产水泵（反洗泵）、鼓风机、化学清洗系统。典型工艺流程如 图 6 所示。
原水 膜列 1 膜列 2 膜列 3 膜列 4
① 膜压差沿中空纤维膜长度方向均匀分布，在膜的进水一侧没有压降损失； ② 抽吸模式的运行对膜压差和膜通量施加了一个明确的限制，使其保持在过滤 曲线的恒压控制区。
（a）浸没式膜组件 （b）浸没式膜系统 图 3 浸没式膜系统 进水 -由外而内的中空纤维 -无外壳的帘式膜组件 -开放式膜池系统 -温和的负压抽吸 -周期性的反冲洗和化学清洗 -膜的空气擦洗 -根据膜池液位控制进水和排水 空气 排水 产水
原水
透过水
透过水
原水
膜丝
(a) 外压式 (b) 内压式 图 1 外压式与内压式中空纤维膜
1.2 压力式与浸没式膜系统的比较 （1）压力式： 将大量的中空纤维膜丝装入一圆柱形压力容器中，纤维束的开口端用环氧树脂 浇铸成管板，配备相应的连接件（包括进水端、透过液端和浓缩水端）即形成标准 膜组件，通过不同数量的压力式膜组件并联即组装成膜系统，见图 2 所示。
清洗系统
同时进原水和反洗水的能力 利用透过液母管减少泵扬程 排放反洗水至水厂前端 鼓风机放在单独的房子内减少噪音 和振动。 循环/排空泵的多种用途 在膜池中中和溶液的能力 排放药剂溶液到下水道。
膜完整性系统
上层结构
满足 1 个膜系列内膜箱完整性测试 的空气储存量 完整性测试所需时间 相邻完整性测试之间的时间间隔。 膜车间净空高度
占地面积 适用处理 规模
大 单套系统最多仅能达到 4000－8000 m3/d 的处理规模。对于大型水厂， 系统会变得比较复杂。 适合中、小型处理规模的水厂。膜组 件构型是压力式膜规模效应的制约因 素。
根据表 2 的比较分析可见，对于大、中型自来水水厂的新建或改造升级，浸没 式膜系统显示了其独特的优势，将是最佳实用的低压膜法饮用水净化工艺。