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超濾膜技術在市政凈水廠應用中存在的問題及對策
來源:秦青松    發布時間:2015-11-27

1、簡介

        超濾膜技術作為一種新興的水處理工藝,是水處理領域近20年來的重要技術突破,其出水水質優良,微生物安全性高。近年來隨著制膜工藝的進步,膜產品價格的降低,促成了超濾膜技術在市政凈水廠中的規?;瘧?。

        近幾年來,我公司緊跟超濾膜技術發展的步伐,在超濾膜技術市政凈水廠工程的應用中,先后完成了北京市第九水廠應急改造工程(7萬噸/天)、烏魯木齊市紅雁池水廠改擴建工程(10萬噸/天)、廣東省肇慶市產學研“飲用水深度處理技術應用與示范項目”示范工程(2萬噸/天)、北京市第三水廠應急擴建工程(8萬噸/天)等超濾膜凈水廠的系統集成工作,積累了較為豐富的工程業績和經驗。

        通過超濾膜技術在工程實踐中的應用發現,影響膜系統運行性能的因素很多,如原水的特性,膜組件的特性,工藝系統設計運行參數,膜系統工程安裝施工質量,自動化控制系統對膜工藝的融合性等。下面結合我公司近年來在超濾膜工藝市政凈水廠應用中遇到的相關問題以及對策做以下介紹:

2、預處理工藝對膜系統的影響與對策

        從目前投產的膜處理水廠來看,原水特性對膜系統有著直接的影響。由于原水中存在不同的污染物以及受污染的程度存在差異,其對膜組件污染情況也會不盡相同。目前自來水廠中采用膜處理的工藝形式主要有三種:

        1)混凝出水+超濾膜;

        2)沉淀出水+超濾膜;

        3)濾后水+超濾膜。

        從以上三種不同的工藝處理形式可以看出,膜處理的各種來水水質存在著較大差異。由于沉后水與濾后水的水質相對穩定,超濾膜對沉后水與濾后水的處理也相對比較穩定。但是采用沉后水+超濾膜與濾后水+超濾膜工藝增長了水處理的工藝流程,增加了建設投資,所以很多膜水廠采用混凝+超濾膜的短流程工藝。由我公司實施的工程實例中,北京市九水廠與北京市三水廠采用的就是這種混凝+超濾的短流程工藝形式。由于北京原水主要采用密云水庫水及南水北調水,其特性隨季節變化的差異較大。因此,在沒有沉淀池及濾池作為前端屏障的情況下,直接處理混凝水對膜系統抗沖擊性能的要求將大大提高。

        從北京市第九水廠的運行情況來看,原水采用廠區的反沖洗廢水,經混合絮凝后進入膜池進行處理。膜系統在開始運行的一段時間里,跨膜壓差緩慢增長,隨著時間的推移,膜組件污染明顯加劇,并出現了較嚴重的積泥情況。通過對原水的檢測,發現水體中的污染物主要是溶解性有機物,而前端投加少量次氯酸鈉沒有起到預氧化的效果。而水體中存在的溶解性有機物不僅影響了混凝的效果,而且又是造成膜污染的主要因素。由于絮凝絮效果不佳,引起膜池內沉淀效果差,從而造成池內排泥濃度低,大量的污泥集結在膜池內無法排出,引起膜組件的污染和積泥現象。針對溶解性有機物造成的絮凝效果差以及膜污染嚴重等情況,后來在膜池進水中投加強氧化劑臭氧。通過投加臭氧對水體中有機物的分解,不僅增強了絮凝的效果,而且加強了沉淀。同時極大地緩解了膜污染,并且解決了膜組件積泥的問題。

        通過北京市第九水廠的工程實例說明,針對原水水質的不同,前端的預處理起著至關重要的作用。所以選擇合適的預處理工藝,是保證膜系統穩定運行和緩解膜污染的重要手段。

3、布水均勻性對膜系統的影響與對策

        目前浸沒式膜池的進水方式主要有側面配水堰進水、側面閘板直接進水、底部錐斗進水、側面平流進水等方式。在膜池運行過程中,因采用配水方式的不同而造成各個膜池在運行負荷上存在較大差異,引起每格膜池污染程度不一,影響膜系統運行的穩定性。膜池過濾一般都需要負壓,通常采用的方式主要是虹吸和抽吸泵抽吸兩種方式。由于每個膜池配水不均造成各個膜池的進水量不等,在進行恒液位控制時,造成各個膜池運行負荷不一致,有的會超設計通量運行,有的會低于設計通量運行,從而影響膜系統的穩定性。相對于采用虹吸的方式過濾,采用抽吸泵過濾方式的穩定性更好。采用虹吸過濾時,膜池過水流量的控制通過膜池內液位與產水調節閥進行。產水調節閥的開度直接影響膜池的過濾量和膜池的液位,而膜池的液位會直接反應到膜池配水的水頭。一般情況下,產水調節閥都采用蝶閥,而蝶閥在不同開度下的調節的流量差異較大,使得膜池內液位波動較大,造成膜池在不同的過濾時間的過濾通量差異較大,影響膜池過濾的均勻性和穩定性。由于水廠中采用的大都是有機超濾膜,孔徑較小,在過濾過程中存在著不可逆污染。而配水的不均勻性加劇了負荷較大膜池內膜組件不可逆污染的可能性,影響了膜組件的使用壽命。

        綜合上述分析,為了使膜池配水相對均勻,應盡量采用調節堰進行配水,在經濟條件允許的情況下,可以采用凸輪泵進行抽吸過濾。在采用閥門調節出水時,應選用靈敏度較高的調節閥門。另外,針對各個膜池出現的配水不均情況,在進行恒液位過濾時,可以通過設置不同的過濾恒液位來進行調整。

4、管路氣密性對膜系統的影響與對策

        由于膜系統的過濾必須通過壓力來推動,過濾時必須在產水管路上形成負壓,一般采用虹吸或者泵抽吸使產水管道形成真空進行過濾。如果產水管路中存在空氣,會增加管路中的氣阻,這不僅會影響膜系統的產水能力,而且會造成運行中跨膜壓差增高,增加運行的能耗。另外,管路中存在的空氣還會造成抽吸泵葉輪的氣蝕,損壞設備。同時,在進行膜系統反沖洗時,隨著水流的迅速沖擊,存留在管道中的空氣會使得反洗的壓力瞬時達到很高,當壓力超過膜絲能承受的最大破斷壓力時,膜絲就會出現破損和斷絲的情況。

        由上述現象可以看出,管路的氣密性對膜系統的穩定性影響很大。通常膜系統需要配置真空常吊裝置,保證產水管道的真空度。在選擇真空裝置時,必須通過管徑的大小對真空泵的能力進行嚴格核算,并留有一定的余量。另外還需要根據運行的最大跨膜壓差與虹吸高度或者運行真空度對真空泵的安裝高度進行核算,使真空泵工作在有效的范圍內。

        對產水管路抽真空主要是增加系統安全的保障,并不能從根本上解決膜系統管道氣密性的問題。管道漏氣的現象主要出現在膜堆與膜池產水母管的接頭處,產水管及真空管道與閥門連接處或者管道與管道焊縫及法蘭連接處。針對上面各處存在的漏氣現象,在進行膜系統施工安裝時必須保證工程質量。

        在進行膜堆安裝時,首先要保證膜堆支撐水平面的平均誤差,另外要控制膜堆與產水母管對接矢狀面的精度。同時在選擇膜堆與產水母管連接的方式時,不常拆卸的可以選用法蘭連接。當膜堆需要經常拆卸時,可以選用快速卡箍接頭或者抱箍接頭,但接頭要選擇密封性能好,并有一定的調節余量。

        針對管道間接頭漏氣的情況,真空管道及產水管道接頭時應采用焊接方式進行連接,管路上應盡量減少閥門的設置。針對管道與閥門連接部位漏氣的情況,在管道與閥門采用絲口連接或法蘭連接的地方,做好密封,在選用閥門時應選用密封性能優良的產品。真空管道與產水管道不僅要按要求進行壓力試驗,還要在耐壓試驗后進行氣密性試驗。對管道焊口以及管道與法蘭連接的焊口,應采用射線探傷的方式檢測其性能,避免沙眼或者氣眼情況出現。

5、安裝及維護對膜系統的影響與對策

         “三分設備、七分安裝”這句話充分反應了安裝質量對一個系統正常運行起著至關重要的作用。從很多工程實例來看也驗證了這一點,排除個別工程因某些環節的設計、選型不到位導致后期整改的情況外,實際工程運行中出現的大多問題還是由于安裝質量不到位,維護不及時、維護不到位所致。對于浸沒式超濾膜處理系統來說,以下幾點是工程實施和運行時需要特別注意的地方:

        (1)真空系統和空壓系統管路和設備的安裝一定要保證氣密性,系統中電磁閥的安裝一定要注意安裝方向和介質流向相符,防止出現方向裝反的情況。

        (2)膜架與膜出水總管的連接一定要牢固,并保證膜出水系統的管道連接或焊接質量,保證氣密性滿足設計要求。

        (3)設計中對系統構筑物有防腐要求的一定要嚴格按設計的防腐要求做,尤其是膜池、化學清洗池的防腐以及加藥系統的防腐。

        (4)由于膜處理系統中變頻設備比較多,在電氣施工時若抗干擾措施未做好在控制系統運行時往往會出現嚴重的信號干擾情況,導致控制系統無法穩定可靠運行。因此施工布線時一定要嚴格按相關規范實施,系統接地一定要符合設計標準。

        (5)系統投運后要定期對設備進行保養維護,特別要注意做好對真空系統、空壓機系統的維護和設備保養,以及系統關鍵環節如真空節點開關等的檢查、維護。

        (6)加強對系統運行情況的監測,尤其是要跟蹤觀察膜的運行污染情況,及時對膜進行清洗和修復破損的膜絲。

6、自動化控制系統對膜工藝的影響與對策

        一套完整的膜處理系統要能穩定可靠的運行,自控系統的方案設計、設備選型及軟件編程至關重要。尤其是工藝設計與控制系統設計的有機結合尤為重要。下面根據我們的幾個工程實踐總結一下此方面的心得體會和經驗。

        (1)由于目前膜工藝正方興未艾,且膜工藝運行工況受溫度、水源水質等條件的影響比較大,在不同的季節運行工況可能差別比較大,因此工藝設計階段應盡量考慮到實際運行時可能出現的工況調整情況和運行工藝參數的變動情況,將運行時的工況調整情況和可能變動的工藝運行參數在設計階段明確,便于軟件工程師在編制軟件時充分考慮可能出現的情況,將可能的工況變動和參數調整預留到控制系統的人機界面上,這樣便于系統投運后根據需要隨時調整相關參數,增加系統的適應能力。

        (2)目前用于市政水處理的膜系統運行對時間的要求比較嚴格,系統運行時消耗在有效生產以外的時間將直接影響系統的經濟效益,若選擇的設備動作時間偏長將降低產水率、使總投資額增加、相對增加能耗,且不便于系統運行調度。所以建議最好選擇在滿足使用功能的情況下設備動作時間盡量短的設備,鑒于此膜處理系統的控制閥門建議優先考慮氣動閥門,最好不用電動閥。

        (3)在膜處理工藝控制系統的配置時應充分根據工藝流程的特點、系統規模、工藝設備現場布局情況綜合考慮,總體的原則是穩定第一、兼顧分散風險。一般大規模的膜處理系統采用主-從式的方式布置,從站分別負責不同的區域,各從站之間相互獨立,不影響彼此的運行。根據工程規模和投資情況及系統對安全性要求的高低綜合考慮從站監控范圍的大小及確定從站的數量,從站的配置由于已經考慮了風險分散的情況,所以控制器一般不考慮冗余配置。主站配置成管理所有從站和監控整個系統中的公用設備,如反沖泵、鼓風機、空壓系統等設備。由于主站負責管理整個系統的運行,所以主站的穩定性、安全可靠性需要充分考慮,在投資條件許可的條件下盡量考慮冗余配置方案。

7、小結

        近年來,隨著國內大量超濾膜凈水廠的建成投產,以超濾膜為核心技術的第三代凈水工藝已經顯現其先進性與適應性,特別是其對提高水質的作用具有對傳統工藝無法比擬的優越性。但在超濾膜的應用中也存在著一些亟待解決的問題,這需要政府部門、科研單位、設計院、運營單位、工程單位以及膜設備供應商共同努力,將膜技術在市政給水處理中的應用推向前進。膜技術作為第三代凈水處理工藝的核心,隨著它的發展成熟以及使用成本的降低,必將迎來廣闊的前景,并造福人類,為我們提供更干凈更安全的飲用水。

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