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- 2019-04-1810:32
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1、城市飲水超濾水廠在我國(guó)的發(fā)展
將超濾用于城市飲水凈化是凈水工藝的一大進(jìn)步。超濾能大大提高飲水的生物安全性；是最有效的固液分離技術(shù)，能獲得濁度遠(yuǎn)低于0.1 NTU的用水；與其他水處理技術(shù)組合，能獲得高質(zhì)量的飲水；是利用21世紀(jì)材料科學(xué)的最新發(fā)展來改造和提高城市飲水凈化技術(shù)的重要成果。超濾水廠近年來在我國(guó)形成了加速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。到2013年底，規(guī)模＞100 m3/d的水廠數(shù)目遠(yuǎn)超過300座，總體規(guī)模遠(yuǎn)超過200萬m3/d，其中規(guī)模在1萬m3/d以上的超濾水廠已超過30座。
2、什么膜適用于城市飲水凈化
膜的品種和規(guī)格很多，但用于城市水廠的膜應(yīng)滿足飲水凈化的要求。對(duì)城市飲水而言最主要的是飲水的安全性，即生物安全性和化學(xué)安全性，其中生物安全性是首要的。
水中致病微生物有病毒、細(xì)菌、原生動(dòng)物等。用于城市飲水凈化的膜應(yīng)能去除水中致病微生物，以提高飲水的生物安全性。水中致病微生物中病毒最小，其尺寸在0.02～0.45μm之間?？捎糜诔鞘兴畯S去除病毒的有超濾膜和納濾膜。用于城市水廠的納濾膜需進(jìn)口，且能耗較大。所以超濾膜是目前用于城市水廠的主流產(chǎn)品。
對(duì)超濾膜孔徑和病毒去除率的要求。一般認(rèn)為，超濾膜孔徑大于納濾膜的1nm，小于0.1 μm。所以，有的超濾膜孔徑可能大于0.02 μm，不能完全截留病毒。只有孔徑不大于0.02 μm的超濾膜，才能將水中包括病毒在內(nèi)的致病微生物有效去除，大大提高飲水的生物安全性，適于城市水廠采用。
2009年美國(guó)頒布的對(duì)水中病原微生物的指標(biāo)要求見表1，其中病毒的去除率要求達(dá)到99.99%。我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》雖然尚未對(duì)水中病毒去除率提出要求，但國(guó)內(nèi)外已有一些廠家能生產(chǎn)孔徑不大于0.02 μm的超濾膜，其病毒去除率可達(dá)到99.99%。所以要求用于城市水廠的超濾膜對(duì)病毒的去除率達(dá)到99.99%在技術(shù)上是可行的，并且膜價(jià)格并不比孔徑更大、對(duì)病毒去除率達(dá)不到上述要求的超濾膜貴。
根據(jù)城市飲水對(duì)生物安全性的要求，提出上述對(duì)超濾膜孔徑和病毒去除率的要求，是飲水區(qū)別于其他用水的一項(xiàng)重要特點(diǎn)，它將對(duì)用于城市飲水凈化膜材料的發(fā)展起重要引領(lǐng)作用。
3、低通量運(yùn)行是超濾水廠發(fā)展的方向
膜通量和膜污染無疑是超濾應(yīng)用中最重要的問題。膜通量就是單位膜面積上過濾水的流量，常以L/(m2/h)表示。
膜污染就是在膜濾過程中膜阻力增加的現(xiàn)象。膜污染常區(qū)分為可逆膜污染和不可逆膜污染。通過物理方法(氣洗、水洗)可恢復(fù)的稱為可逆膜污染；物理方法不能恢復(fù)，只能通過化學(xué)清洗方法恢復(fù)的稱為不可逆膜污染。
膜通量與膜價(jià)格有關(guān)。膜價(jià)格高，設(shè)備投資很大，為降低設(shè)備投資，常采用高的膜通量。膜技術(shù)發(fā)展初期，膜價(jià)格很貴，所以采用高的膜通量，例如：數(shù)百L/(m2/h)。
膜污染與膜通量有關(guān)。一般膜通量愈高，能耗愈高，膜污染也愈迅速，需采用頻繁的物理和化學(xué)方法來清除污染，恢復(fù)膜通量，這不僅使膜運(yùn)行費(fèi)用增大，還使操作復(fù)雜，也影響膜的壽命；此外還存在清洗廢液對(duì)環(huán)境的污染，在其處理處置方面需加大投資。所以，高的膜通量只宜在小型設(shè)備中使用。
任何工程都要求技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟(jì)上是合理的。膜通量關(guān)系到工程的建設(shè)費(fèi)，也關(guān)系到工程的運(yùn)行費(fèi)。膜通量越高，建設(shè)費(fèi)越小，但運(yùn)行費(fèi)(電費(fèi)、物理清洗費(fèi)、化學(xué)清洗費(fèi)等)便越高，反之亦然。使在資金償還期內(nèi)建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)之和為最低的膜通量，就是最經(jīng)濟(jì)的膜通量，可稱為經(jīng)濟(jì)膜通量（與管道中經(jīng)濟(jì)流速的概念相似）。
隨著膜材料科技的發(fā)展，膜價(jià)格隨之降低，相應(yīng)地設(shè)備投資也隨之降低，現(xiàn)已降至可接受的水平，從而開始在城市水廠規(guī)?；褂?。如仍采用高的膜通量，運(yùn)行費(fèi)就會(huì)顯得過高。為了降低運(yùn)行費(fèi)，就要降低膜通量，以減小膜污染及能耗。所以隨著膜價(jià)格降低，降低膜通量將是一個(gè)大趨勢(shì)。
城市大型水廠處理水量大，常達(dá)數(shù)萬至數(shù)十萬m3/d ，特別要求能安全穩(wěn)定地工作。水廠一旦因故停止供水，對(duì)城市生活影響極大，是絕對(duì)不允許的，所以對(duì)大型水廠工作的穩(wěn)定性要求極高。
對(duì)膜的可逆污染的物理清洗(氣洗、水洗)與傳統(tǒng)砂濾池類似，易于操作和進(jìn)行。對(duì)膜的不可逆污染的化學(xué)清洗一般有兩種，一種是維護(hù)性化學(xué)清洗，即定期以200～500 mg/L的次氯酸鈉溶液對(duì)膜浸泡數(shù)小時(shí)，以部分清除膜的不可逆污染，這種化學(xué)清洗雖稍復(fù)雜，但實(shí)踐表明仍可被接受。當(dāng)對(duì)膜的維護(hù)性清洗進(jìn)行多次仍不能防止膜污染過多積累時(shí)，就要對(duì)膜進(jìn)行恢復(fù)性化學(xué)清洗?；謴?fù)性化學(xué)清洗涉及多種化學(xué)藥劑，操作復(fù)雜，特別是常使設(shè)備較長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)，對(duì)水廠的穩(wěn)定運(yùn)行影響較大。
在大型水廠中采用高通量，必須要對(duì)膜進(jìn)行頻繁的物理清洗和化學(xué)清洗，對(duì)水廠穩(wěn)定運(yùn)行是不利的，也是不可取的。所以，對(duì)大型水廠，宜采用低通量運(yùn)行策略，以減輕膜污染，減少物理和化學(xué)清洗頻率，有利于保證水廠的穩(wěn)定運(yùn)行。
對(duì)于城市大型水廠，我們關(guān)注的重點(diǎn)是膜的不可逆污染，因?yàn)樗P(guān)系到對(duì)膜的化學(xué)清洗，會(huì)影響到水廠的穩(wěn)定運(yùn)行。
Feild R W發(fā)現(xiàn)，通量降至某低值時(shí)，膜的污染可降至零，稱為臨界通量?，F(xiàn)已提出各種臨界通量的概念。筆者感興趣的是不可逆污染，并提出超濾膜不可逆污染為零的零污染通量的概念。采用能使膜的不可逆污染極輕或基本為零的通量(即接近零污染通量)，可以基本上不進(jìn)行或極少進(jìn)行對(duì)膜的恢復(fù)性化學(xué)清洗，將使超濾水廠滿足穩(wěn)定運(yùn)行的要求，并且操作大為簡(jiǎn)化，十分有利于超濾在城市水廠的推廣和應(yīng)用。
山東東營(yíng)南郊水廠常規(guī)工藝升級(jí)改造，在濾后增設(shè)超濾單元（10萬m3/d），設(shè)計(jì)膜通量30 L/(m2/h)，現(xiàn)工作通量略高于設(shè)計(jì)值。膜組的氣水沖洗周期根據(jù)不同季節(jié)來調(diào)整，一般冬春兩季采用5 h，夏秋季節(jié)采用8 h一次。南郊水廠投產(chǎn)后，每年進(jìn)行2~3次維護(hù)性化學(xué)清洗；并于投產(chǎn)后3年零8個(gè)月進(jìn)行第一次恢復(fù)性化學(xué)清洗，于4年零7個(gè)月進(jìn)行第二次恢復(fù)性化學(xué)清洗，表明膜的不可逆膜污染是相當(dāng)輕微的。
綜上所述，超濾通量選擇的重要影響因素有：膜工程的建設(shè)費(fèi)用、膜工程的運(yùn)行費(fèi)用、膜工程運(yùn)行的穩(wěn)定性。目前在工程投標(biāo)中存在只重視建設(shè)費(fèi)，忽視運(yùn)行費(fèi)和穩(wěn)定運(yùn)行的傾向，結(jié)果膜工程投產(chǎn)后造成運(yùn)行費(fèi)過高，不能穩(wěn)定運(yùn)行等不良后果。國(guó)外膜一般價(jià)格較高，常采用提高通量的方法來降低建設(shè)費(fèi)以中標(biāo)，結(jié)果有運(yùn)行效果不佳甚至失敗的案例。對(duì)于大型城市水廠，運(yùn)行的穩(wěn)定性至關(guān)重要，宜采用接近零污染通量的工藝參數(shù)。在我國(guó)現(xiàn)有體制下，城市水廠特別要求降低運(yùn)行費(fèi)用，也宜采用較低的膜通量。
我國(guó)90%以上的現(xiàn)有水廠仍采用傳統(tǒng)水處理工藝，面臨升級(jí)改造。用超濾技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行升級(jí)改造，將是超濾應(yīng)用的一個(gè)重要方向。用超濾取代砂濾池，并能利用原工藝的過濾水頭(2-3 m)而不設(shè)加壓設(shè)備，將使改造方案更加經(jīng)濟(jì)可行，這就要求采用低水頭低通量的膜濾技術(shù)。
當(dāng)用柱式超濾膜(外壓式或內(nèi)壓式)時(shí)，常采用較高的膜通量。其優(yōu)點(diǎn)是由于可為柱式膜提供較大的工作水頭(0.1 MPa左右)，從而使物理清洗(氣洗、水洗)周期較長(zhǎng)，頻率較低，可在物理清洗中節(jié)能節(jié)水。但它的缺點(diǎn)是用于膜濾的能耗較高(遠(yuǎn)大于物理清洗中的節(jié)能效果)；其次，由于采用了較高的通量，膜的不可逆污染會(huì)加重，從而使化學(xué)清洗周期縮短，頻率增加，繼而增加運(yùn)行費(fèi)用，運(yùn)行的穩(wěn)定性降低，所以柱式膜采用較高通量并非是最佳選擇。
柱式膜采用較大的膜通量，可能是源于對(duì)壓力濾池和重力濾池過濾特征的傳統(tǒng)觀念。一般重力濾池的工作水頭為2-3 m，而壓力濾池的工作水頭為5-10 m，所以壓力濾池采用較高濾速也能使濾池工作周期處于常規(guī)范圍。但壓力濾池只存在濾層堵塞現(xiàn)象(相當(dāng)于可逆膜污染)，氣水反沖洗即可恢復(fù)其過濾能力；相反地，超濾則不僅有可逆膜污染，還有不可逆膜污染，僅靠氣洗和水反沖洗無法完全恢復(fù)膜的過濾能力，而需要定期進(jìn)行化學(xué)清洗，極大地影響超濾的穩(wěn)定運(yùn)行，這是兩者的根本差別。所以，以傳統(tǒng)觀念看待柱式膜和浸沒式膜的差別，將會(huì)造成設(shè)計(jì)缺陷，影響超濾的推廣和應(yīng)用。
4、降低超濾工程建設(shè)費(fèi)用的若干新思路
有些人認(rèn)為，超濾是一項(xiàng)好的凈水技術(shù)，但膜價(jià)格太貴。其實(shí)，這是一種誤解！據(jù)統(tǒng)計(jì)，超濾凈水工藝建設(shè)費(fèi)單價(jià)為250～300元/(m3/d)，與常規(guī)工藝或臭氧―活性炭深度處理工藝相當(dāng)。
我國(guó)大型水廠(＞5萬m3/d)應(yīng)用超濾凈水技術(shù)迄今只有5～6年。隨著膜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，膜性能不斷提高，膜價(jià)格不斷降低，膜工程建設(shè)費(fèi)還會(huì)不斷降低。降低膜工程建設(shè)費(fèi)，對(duì)超濾在城市水廠中的推廣應(yīng)用顯然十分重要。
據(jù)分析，目前工程中超濾膜組件的費(fèi)用一般只占工程總費(fèi)用的一小部分(約為30%)。例如，膜價(jià)格即使降低20%，整個(gè)膜工程的建設(shè)費(fèi)只不過降低6%，貢獻(xiàn)是很少的。所以有必要探討設(shè)計(jì)中降低除膜組件以外的其他費(fèi)用的途徑。
膜工程中除膜以外的其他費(fèi)用有配套管件和閥門、機(jī)電設(shè)備、計(jì)量檢測(cè)儀表和裝置、電控系統(tǒng)和設(shè)備、膜池膜架和廠房等。以下可能是降低其他費(fèi)用的有效途徑：增大膜堆單元的容量，減少膜堆單元的數(shù)量；簡(jiǎn)化超濾工藝；超濾工程設(shè)備化；超濾工程模塊化設(shè)計(jì)；超濾工程無廠房化等等。
4.1 增大膜堆單元容量、減少膜堆單元數(shù)量
每個(gè)膜堆單元，都需要全部配套設(shè)備和裝置，例如一般需設(shè)置6個(gè)閥門(進(jìn)水、出水、排水、水洗、氣洗、藥洗)甚至更多、水量計(jì)量和控制裝置、水位水壓計(jì)量裝置、真空系統(tǒng)及裝置、水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)及裝置、斷絲檢測(cè)裝置、配電自控系統(tǒng)及裝置等等。水廠膜組單元愈多，配套的設(shè)備和裝置也愈多，建設(shè)費(fèi)也會(huì)愈高。
一般一支柱式膜的膜面積最大不超過40～60 m2,對(duì)大型水廠需要的柱式膜常達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千支；數(shù)十支膜柱組成一個(gè)膜堆單元，膜堆單元數(shù)可達(dá)數(shù)十個(gè)，其配套的設(shè)備和裝置數(shù)量也會(huì)相當(dāng)多。例如，國(guó)內(nèi)某大型30萬m3/d膜水廠，使用柱式膜，僅閥門就有五百多個(gè)，平均每萬m3/d有閥門近20個(gè)。
浸沒式外壓膜的膜堆單元容量可以設(shè)置得比較大?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)一個(gè)浸沒式膜堆單元的膜面積可達(dá)15000 m2，膜堆單元的處理水量可達(dá)1萬m3/d，只需設(shè)置6個(gè)閥門，與柱式膜比較減少了數(shù)倍。
增大膜堆單元的容量，減少膜堆單元及其配套設(shè)備和裝置的數(shù)量，不僅可以降低建設(shè)費(fèi)用，并且也提高了運(yùn)行的安全性。
從降低膜工程的建設(shè)費(fèi)用和提高運(yùn)行的安全性兩方面綜合考慮，中、小型水廠比較適宜采用柱式膜，大型水廠比較適宜采用浸沒式膜。
4.2 簡(jiǎn)化超濾工藝
為了控制不可逆膜污染，超濾膜的零不可逆污染通量會(huì)越來越多的在生產(chǎn)中使用。如能采用零污染通量或接近零污染通量運(yùn)行，則在膜使用壽命期間可只進(jìn)行維護(hù)性化學(xué)清洗，而不進(jìn)行恢復(fù)性化學(xué)清洗，從而使工藝設(shè)計(jì)得到一定程度地簡(jiǎn)化，并使清洗廢液無害化處理也得以大幅降低。
據(jù)研究在采用低通量運(yùn)行策略條件下，對(duì)超濾膜同時(shí)進(jìn)行氣洗和水反洗并非一定是必要的，如能只采用一種(如水反洗)方式，則也可簡(jiǎn)化工藝。
將超濾與前處理有機(jī)結(jié)合，形成一體化(如將超濾膜置于澄清池清水區(qū))，則若干工藝操作可同時(shí)進(jìn)行(如將膜反洗與澄清池排泥結(jié)合進(jìn)行)，使整個(gè)工藝系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化。
目前采用普通的中空纖維膜的問題之一是斷絲，為此需設(shè)置檢測(cè)斷絲的系統(tǒng)和設(shè)備?，F(xiàn)已可制作出加筋結(jié)構(gòu)的中空纖維膜，從而使斷絲率大大降低，這樣就有可能簡(jiǎn)化檢測(cè)斷絲的系統(tǒng)和設(shè)備。
4.3 膜工程設(shè)備化
我國(guó)城市飲水凈化工程以及城市污水處理工程多年來一直大量使用鋼筋混凝土建造池體等工藝構(gòu)筑物，被歸于土木工程學(xué)科之一。這是由于建國(guó)后很長(zhǎng)一段時(shí)間，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量比較低，價(jià)格較貴，為節(jié)省鋼材，采用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量世界第一，價(jià)格不貴。鋼筋混凝土構(gòu)筑物則需現(xiàn)場(chǎng)施工，耗費(fèi)人力大，工作條件差，施工時(shí)間長(zhǎng)，且易受氣候、環(huán)境等因素的影響，特別是近幾年我國(guó)人力費(fèi)用上漲數(shù)倍，使得鋼筋混凝土構(gòu)筑物建設(shè)成本大幅上升，現(xiàn)已接近或超過鋼結(jié)構(gòu)，所以現(xiàn)在已到了以鋼結(jié)構(gòu)替代鋼筋混凝土的轉(zhuǎn)變期。
膜工程采用鋼結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)膜工程設(shè)備化，走上工廠制作，現(xiàn)場(chǎng)安裝的現(xiàn)代化建設(shè)道路。工廠制作可以利用工廠的現(xiàn)代化裝備，不但速度快，質(zhì)量高，且可全年生產(chǎn)，不受氣候、環(huán)境等因素的限制?，F(xiàn)場(chǎng)安裝，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，施工時(shí)間短，耗費(fèi)人力少，成本低，且能保證質(zhì)量。
現(xiàn)已有小型超濾水廠集裝箱化的實(shí)例，將全部設(shè)備在工廠裝于一個(gè)集裝箱內(nèi)，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)落地就位，即可投產(chǎn)。
北京水司2014年建成一座4萬m3/d超濾水廠，將超濾膜與澄清池有機(jī)結(jié)合成一體構(gòu)筑物，采用鋼結(jié)構(gòu)池體，實(shí)現(xiàn)了工廠制作現(xiàn)場(chǎng)安裝，現(xiàn)場(chǎng)安裝只用了80天即行投產(chǎn)，是萬m3/d以上規(guī)模膜水廠現(xiàn)代化建設(shè)的一個(gè)范例。
4.4 膜工程模塊化設(shè)計(jì)
新建膜工程的處理水量一般是逐年增加的，而常規(guī)設(shè)計(jì)都是一次建成，建設(shè)費(fèi)用都是一次性投資。
膜裝置是由若干膜堆單元并列組裝而成。每個(gè)膜堆單元的工作具有相對(duì)獨(dú)立性，所以膜工程的膜堆單元數(shù)可以隨著處理水量的增加逐步增加，即在膜工程中可采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，每個(gè)模塊由若干膜堆單元構(gòu)成，隨著處理水量的增加，相應(yīng)地建設(shè)新的模塊，從而減少初期建設(shè)費(fèi)用的投資。
膜工程的設(shè)備化更有利于模塊化設(shè)計(jì)。過去，以鋼筋混凝土凈水構(gòu)筑物為主的水廠，因其需現(xiàn)場(chǎng)施工，工程施工場(chǎng)地大，輔助建筑多，施工周期長(zhǎng)，難以實(shí)行分期施工分期投產(chǎn)，故常采用一次性建成的方案。而以鋼結(jié)構(gòu)為主的膜工程，采用工廠制作現(xiàn)場(chǎng)安裝的方法施工，則便于實(shí)行分期施工分期投產(chǎn)，為模塊化設(shè)計(jì)和建設(shè)創(chuàng)造了條件。
超濾與前處理能有機(jī)地實(shí)現(xiàn)一體化，則使模塊化設(shè)計(jì)和建設(shè)更具生命力，更便于推廣應(yīng)用。
4.5 超濾水廠無廠房化
我國(guó)現(xiàn)有超濾水廠絕大多數(shù)都建于室內(nèi)，車間廠房?jī)艨崭?，體積大，建設(shè)費(fèi)用較大。如能實(shí)現(xiàn)無廠房化，則可大大降低膜工程建設(shè)費(fèi)用。國(guó)內(nèi)外石化企業(yè)、化工企業(yè)等，不論處于熱帶或寒帶，大都建于室外，所以在該工業(yè)領(lǐng)域，無廠房已經(jīng)是一個(gè)成熟經(jīng)驗(yàn)，值得借鑒。
我國(guó)除東北、西北等高寒地區(qū)外，采用常規(guī)處理工藝的水廠的絮凝反應(yīng)池沉淀構(gòu)筑物、濾池等一般皆建于室外，只是濾池的控制系統(tǒng)和機(jī)電設(shè)備置于室內(nèi)。這個(gè)無廠房化的經(jīng)驗(yàn)也是值得推廣到膜工程中去的。
5、結(jié)語(yǔ)
我國(guó)大、中型超濾水廠開始建設(shè)至今不到十年，但呈加速發(fā)展態(tài)勢(shì)，超濾水廠的設(shè)計(jì)仍是一個(gè)新課題。我國(guó)超濾水廠基本上是以借鑒國(guó)外的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)為主。國(guó)外的超濾水廠，過去因?yàn)槟r(jià)格高，所以大多是在高通量的條件下提出的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。隨著膜價(jià)格的降低，低通量運(yùn)行將是今后發(fā)展的方向；而低通量運(yùn)行存在有別于高通量運(yùn)行的特點(diǎn)，這是值得探索的。將超濾用于城市飲水凈化，應(yīng)能結(jié)合我國(guó)的國(guó)情，發(fā)展出具有我國(guó)特色的超濾工藝設(shè)計(jì)，這是需要?jiǎng)?chuàng)新性思維的。
超濾水廠的設(shè)計(jì)，需要在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提出問題。以上只是針對(duì)我國(guó)超濾水廠設(shè)計(jì)建設(shè)中的部分問題提出了一些新思路，僅作拋磚引玉，供大家討論與參考。