参考文献-饮用水处理工程超滤膜系统设计关键技术.pdf

1、给水排水 Vol 1 36 No 1 1 201021 饮用水处理工程超滤膜系统设计关键技术芮 旻1 周杰敏2 许嘉炯1 邬亦俊1 吴国荣1(1 上海市政工程设计研究总院,上海 200092;2 上海建科建设监理咨询有限公司,上海 200032)摘要 初步总结了饮用水处理超滤膜系统工艺设计的关键技术。净水厂超滤膜系统设计前应通过中试获得特定水质条件下准确的膜通量和系统回收率等设计参数,设计时仔细计算,复核比选,在考虑备用量,确保安全性的前提下尽量减少投资。膜系统布局强调合理、紧凑、美观,方便操作,管路布置要流畅,管材选用和设备选型需因地制宜,安全耐用。关键词 饮用水处理 超滤膜 工程设计 关键

2、技术Key techniologies of the ultrafiltration membrane drinking water treatment designRui Min1,Zhou Jiemin2,Xu Jiajiong1,Wu Yijun1,Wu Guorong1(11 Shanghai Municip al Engineering Design General Institute,Shanghai 200092,China,21 Shanghai Jianke Proj ect Management Co1,Ltd1,Shanghai 200032,China)Abstract

3、:The key technologies of ultrafiltration membrane drinking water treatment designwere primarily generalized.Before the design of the ultrafiltration membrane system for drinkingwater treatment plant,the pilot test must be carried out to get the design parameters,such asaccurate membrane flux and sys

4、tem recycling rate.During the design,careful calculation and re-check should be carried out and the investment should be reduced based on the consideration of thereserve level and safety security.The membrane system layout should be reasonable,compact,beautiful,easy operation,the pipeline layout sho

5、uld be affluent,the pipe material and equipmentselection should be suitable for the circumstances,safe and durable.Keywords:Drinking water treatment;Ultrafiltration membrane;Engineering design;Key technology0 引言超滤膜技术作为饮用水处理的一个独立工艺,是水处理领域近 20 年来重要技术突破 1,其出水水质优良,微生物安全性高。近年来随着制膜工艺的进步,膜产品价格的降低,促使超滤膜技术在净

6、水厂中的应用规模化。在国外,特别是美国和欧洲,选择超滤膜用于净水厂呈加速发展趋势,成功的运行案例很多 2,国外在超滤膜系统设计和建设上有较多实际经验,逐步形成完善的技术理论和设计规范。而在我国,市政净水厂超滤膜技术的规模化应用才刚刚起步 3,虽然其处理饮用水的理论研究已趋于成熟,但其规模化设计建造的工程经验和技术总结很少,尚无成熟设计规范。结合我院多年相关工程经验,在研究国内外成功案例和技术规范的基础上,初步总结净水厂超滤膜系统设计的关键技术,为今后国内超滤膜水厂的设计应用提供参考。1 超滤膜系统设计关键步骤1.1 超滤膜系统的构成与分类国内外有较多专门从事膜技术研发和生产的技术公司,各家产品

7、不完全相同,仅超滤膜材质就有PVDF(聚偏氟乙烯)、PP(聚丙烯)、PVC(聚氯乙烯)、PES(聚醚砜)、PS(聚苯乙烯)和 CA(醋酸纤维素)等。在工程实际应用中,超滤膜组件分为柱状膜和浸没式膜两种形态,其中柱状膜可为内压式,也可为外压式,浸没式膜为外压式。应用上可分为柱状膜错流过滤、柱状膜22 给水排水 Vol 1 36 No 1 1 2010死端过滤和浸没式真空抽吸三种模式,工程实际中根据原水水质、整体工艺流程、占地条件、使用习惯,供货厂商等因素综合决定采用何种模式。本文的研究总结范围是:饮用水处理中应用比较普偏的中空纤维膜,应用模式为上述三种,仅关注于系统上的共性特征。柱状膜错流过滤和

8、死端过滤系统示意见图 1,其中循环水和循环泵为错流过滤系统时设置,图 2为浸没式真空抽吸超滤膜系统,示意图表示了两种形态膜系统的主要设备构成。图 1 柱状超滤膜过滤系统示意图 2 浸没式真空抽吸超滤膜过滤系统示意1.2 膜通量和回收率对于超滤膜系统设计,最重要且最基本的设计参数是设计膜通量和系统回收率。膜通量直接决定了工程所需的膜面积和设备造价,系统回收率不但决定了膜面积,还决定了膜前预处理和进水泵的规模等。对于待处理原水,设计膜通量和回收率宜通过中试获得准确值,供货商给予的参数仅供参考。工程中选择超滤膜,并非膜通量高的超滤膜就一定优于膜通量低的,还需比较评价膜压力或所需真空度、膜化学清洗周期

9、、膜老化破损情况和临界膜通量等。临界膜通量是工程设计中非常重要的校核参数,膜通量与化学清洗周期密切相关,但并非线性关系,当膜通量略微增加而化学清洗周期显著缩短时,此时的膜通量即为临界膜通量值。工程设计要求在任何运行条件下膜通量都应小于该膜的临界膜通量值。1.3 原水水质对基本参数的影响影响设计基本参数的原水水质指标主要有:浊度、DOC、水温和硅等。(1)浊度。原水浊度高时设计膜通量和系统回收率会降低,使得设计膜面积增加,引起超滤膜系统投资增大。美国 AWWA 建议进膜水浊度需低于10 NTU,如高于该值,需增加膜前预处理措施。(2)DOC。虽然超滤膜技术去除水中有机物效果有限,但原水中有机物含

10、量高会大大影响膜通量。水中有机物可分为亲水性和憎水性两种,憎水性有机物更易于形成膜污染,也易于通过混凝工艺去除。工程中通常采用 SUVA 值 SUVA=UV/TOC,m-1/(mg/L)来判断是否通过增加混凝处理来提高膜通量。当天然水 SUVA 4 m-1/(mg/L)时,水中的溶解性有机物主要是具有较多的芳香族化合物构造并具有较强的憎水性,有机物的相对分子质量也较大,可通过在膜前增加混凝工艺,使70%以上的 DOC 得到去除,降低膜污染。当 SUVA 3 m-1/(mg/L)时,原水中的溶解性有机物主要是一些非腐殖物类的有机物,这些有机物相对而言是亲水性的、较少的芳香族化合物构造并具有较低的

11、相对分子质量,混凝工艺难以将它们去除。(3)水温。水温对膜通量的影响很大,温度降低,水的粘度增大,膜通量迅速降低。净水厂设计规模是按最高日需水量确定的,而低温时城市供水量一般会低于水厂设计规模。由于高低温时膜通量相差较大,如果设计低温时满足高峰供水规模会造成投资偏高,若只关注高温高峰供水时的供水能力,则低温时可能由于膜通量下降难以达到供水需求。设计前应获得膜通量随时间变化的曲线,充分调研预测该水厂全年供水需求规律,通过多次复核计算确保满足全年的供水需求。在国外,有公司也采用温度补偿通量辅助计算复核膜系统设计规模。(4)硅。根据国内外较多应用实例发现,该物质特别容易引起超滤膜的不可逆污染,进入膜

12、后化学清洗很难去除 4,采用氟化氢铵清洗效果也有限 5。因此原水预处理应尽量去除硅。1.4 系统基本计算步骤超滤膜系统设计计算通常采用以下基本步骤 4(适用于正冲洗不采用膜后水的模式):产水流量 Qc=Qj+Qfw所需膜面积 A=Qc/(J G)在线因子 G=Tj/Tz 100%膜组件数 m=A/Am给水排水 Vol 1 36 No 1 1 201023 系统膜组或膜池总数 n=m/mn系统进水规模需 Qt=Qc+Qzw=Qj+Qfw+Qzw系统总回收率 R=Qj/Qt 100%。式中 Qc)产水流量,m3/h;Qj)系统净产水流量,m3/h;Qfw)反冲洗流量,m3/h;Qzw)正冲洗流量,

13、m3/h;Qt)膜系统原水进水流量,m3/h;A)设计膜面积,m2;J)设计膜通量,m3/(m2#h);G)在线因子;Tj)膜净运行产水时间,min,等于总时间减去正反冲洗和其他的停运时间;Tz)总时间,min;m)膜组件数;Am)单位膜组件的膜面积,m2;n)系统膜组或膜池总数;mn)单位膜组或膜池内膜组件数;R)系统总回收率。1.5 膜系统备用量和可靠性考虑考虑到离线化学清洗,设备维护和应对其他应急事故,净水厂膜系统需有备用或增加安全性措施。膜系统主要设备一般采用几用一备,而膜组或膜池的备用比较谨慎,涉及到投资的增加,但也要考虑一组膜出现故障的应急措施。一般设计时通过以下四种方式实现膜系统

14、的备用应对紧急情况:适当提高原水泵压力,增大膜通量,获得富余能力;在单组膜组或膜池设计时增加部分富余量;在设计膜组或膜池的基础上增加备用组;如果水厂有其他生产流程,通过另外渠道获得应急备用量。以上四种方式中,最易于被业主方接受的是第一种方式,即增大膜通量,因为其投资增加较小,最方便实现。但当膜组(膜池)个数较少,小于 4组时,考虑 1组出现故障,其余组的膜通量需增加 30%以上,提高泵扬程较难实现,且膜污染加剧,化学清洗频繁。第二种方式在单组膜中增加富余量一般应用于中小型净水厂,如一个 2.5万 m3/d 的系统分成 5组,每组规模可采用额定流量 0.56 万 0.58 万 m3/d,当其中

15、1 组出现事故时,运行其余 4 组,再略微提高运行膜通量,可满足供水需求。当超滤膜系统规模较大时,一般采用第三种方法。大规模的水厂膜组较多,发生离线化学清洗和维护较频繁,设置备用组可确保可靠性。1.6 校核与复算超滤膜系统的计算是在不断的复算和校核中优化,设置多种布置方案,计算总投资,复核膜通量,进行比较后确定最优。对于净水厂的膜通量复核,建议要考虑以下三种情况:最高日供水量时有 1 组膜发生故障;全年最低水温时有 1 组膜发生故障,能否保证该时供水量;常温情况下,有 1 组膜化学清洗,1组故障检修时,能否保证该时供水量。以上情况是设计需考虑的可能性,对于特定系统,设计人员需设置特定的校核工况

16、。如备用仓库存有完善的备品备件,维修时间较短,可缩短故障持续时间进行计算。1.7 确定单组膜组(膜池)规模确定单组膜组(膜池)的规模即是进行经济性和安全性复算优化的过程,同时考虑单组膜内的配水均匀性。单组膜规模大时,则膜组上阀门口径、管道口径、管道上连接配件、反冲洗水泵和管路口径、化学清洗储罐和泵、化学清洗管道、膜池真空过滤泵等均变大,但膜组数、阀门个数、自控监测仪表数量等变小。因此对于经济性而言,根据设备的具体价格存在一个经济膜组规模。对于安全性,优化选择的时候进行如 1.4 和 1.5 节的分析和复核。1.8 膜组冲洗系统膜的冲洗有正冲洗、反冲洗、气洗、加氯反洗和化学加强反洗(CEB),具体采用哪几种组合应根据膜供货商的要求或中试确定。冲洗系统设计时有以下几点需特别注意:柱状超滤膜的正冲洗一般通过关闭产水阀,开启进水阀和正冲排水阀来实现,也有专门设置正冲洗泵的。采用原水正冲,由于正冲洗时原水流量会突变,因此原水泵前吸水池需考虑一定的调蓄容量。如膜供货商对加氯反洗和化学加强反洗要求较频繁,则需特别关注阀门材质和开关故障,化学物质渗透至产水端是较大事故。加氯反洗和化学加强反洗后需自动进