超滤膜分离技术被认为是21世纪最具产业发展前景的高新技术之一^[1], 在饮用水处理领域, 被称为“第三代饮用水净化工艺”, 在国内外工程项目中得到了广泛的应用^[2,3,4,5,6]。超滤工艺能有效去除水中的悬浮物、胶体、细菌、病毒和大分子有机物, 具有出水水质稳定可靠、占地面积小、自动化程度高等特点, 为老水厂升级改造和新水厂建设提供了一条新的技术线路^[7]。

　　 为缓解修水县城区供水高峰期的供需矛盾, 同时为与县城马家坳水厂 (主力水厂) 互为备用, 实现双水源双水厂保障城市供水安全, 修水县润泉供水有限公司决定对罗桥水厂实施改扩建, 通过充分挖掘老水厂的潜能, 提高罗桥水厂的产能。

　　 罗桥水厂位于老城区, 一期工程建于1994年, 设计规模为1万m³/d, 二期工程建于1998年, 设计规模为2万m³/d, 原水取自南崖水电站压力前池, 原水水质基本达到国家Ⅲ类地表水标准, 但雨季原水浊度偏高。净水厂采用旋流絮凝斜管沉淀-虹吸滤池/重力式无阀滤池工艺, 清水通过水泵提升后向老城区供水。随着2012年马家坳水厂 (5万m³/d) 建成通水, 罗桥水厂基本处于闲置状态, 2016年, 为提高城市的供水能力, 罗桥水厂2万m³/d的生产线进行设备翻新改造, 2017年为进一步扩大产能, 拟将一期1万m³/d的生产线进行升级改造, 从而保障县城高峰期的供水需求和保障城市供水安全。

　　 由于罗桥水厂位于老城区, 占地面积小, 仅为占地8.7亩 (1亩≈667 m²) , 周边均为居民区, 无任何扩建用地, 本次改造是在保证净水厂供水水质和不增加用地面积的条件下, 扩大老水厂一倍的产能, 因此, 工程改造拟采用超滤膜工艺作为方案。

　　 改扩建项目要求将罗桥水厂一期1万m³/d的生产线改造为2万m³/d的处理规模。原处理工艺是按照当初出厂水浊度不大于5 NTU的标准进行设计的, 采用旋流絮凝池-斜管沉淀池-虹吸滤池净水流程, 混凝剂采用碱式氯化铝, 消毒剂采用液氯, 具体工艺流程见图1。

　　 考虑到原工艺处理水量有限, 工艺陈旧, 设备老化, 混合絮凝效果不好, 虹吸滤池滤层易被击穿, 出水浊度无法满足《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) , 因此本次改造拟保留原工艺沉淀池, 滤池结构本体不变, 通过部分拆除滤池内部滤板、集水槽等, 将其改造为浸没式膜处理池, 改造后采用网格絮凝池-斜管沉淀池-虹吸膜池工艺, 混凝剂采用碱式氯化铝, 消毒剂采用次氯酸钠, 同时针对水源季节性铁锰超标和藻类暴发的现象, 新工艺增设前加氯预处理, 减轻铁锰和藻类对后续膜组件的污染, 减少膜的水力反冲洗和化学清洗频次, 更好地保障膜系统的运行。为加快建设工期, 膜池配套风机、加药等设备采用一体化集装箱安装模式, 无需现场土建施工。改造工艺流程见图2。

　　 处理规模2万m³/d, 进水浊度≤20 NTU (极端条件≤200 NTU) , 进水温度< 40 ℃, pH6.5～9.0, 产水率≥95%, 产水水质指标见表1。

　　 絮凝池与膜池为原位改造, 配套风机、加药等设备设置于一体化集装箱中, 集装箱尺寸为11.1 m×6.9 m, 置于膜池南侧, 工厂制作, 现场安装。主要处理构筑物平面布置见图3。

　　 原水取自南崖水电站压力前池, 其上游段为明渠, 考虑到原水时常夹带树枝、落叶、塑料袋等漂浮物, 容易堵塞管道混合器, 而管道混合器不便于检修, 因此混合采用在第一格絮凝室安装直径为2.0 m的垂直桨板式搅拌桨, 以加强紊流, 强化混合效果。同时在第一格出水口处加装钢丝网, 以截留污物。

　　 混合池有效容积26.4 m³, 水力停留时间1.81 min, 桨板中心点线速度1 m/s, 平均速度梯度G为16 s^-1, GT为17 900。

　　 絮凝池平面尺寸9.3 m×6.3 m, 共6格, 每格尺寸为2.83 m×2.83 m×5 m, 其中排泥斗高为1.32 m, 有效水深3.68 m, 竖井流速为0.03 m/s, 絮凝时间为10 min。絮凝池第一格改造成混合池, 第二格～第四格安装玻璃钢网格, 每格安装3层, 第五格～第六格不安装网格。经计算, 设计流量增加一倍, 通过絮凝池的水头损失比原工艺相应增加了0.18 m, 因此, 絮凝池相应加高0.2 m。

　　 斜管沉淀池平面尺寸为9.9 m×6.3 m, 池子超高 0.3 m, 清水区高1.2 m, 斜管区高 0.87 m, 底部配水区高1.23 m, 排泥区高1.4 m, 池子总高 5 m。沉淀区液面负荷取14.4 m³ / (m²·h) (4.0 mm/s) , 拟拆除现有6根混凝土指形槽, 在池壁内侧四周及中间共安装10根不锈钢指形槽, 增加出水堰的总长度至88 m, 形成周边出水, 出水负荷控制在250 m³/ (m·d) , 以避免上升流速过高引起的抽吸现象。

　　 虹吸膜池平面尺寸为10.3 m×9.25 m, 共8格, 单格膜池产水量为2 500 m³/d, 单格膜池尺寸为3.8 m×2 m, 超高0.5 m, 膜上淹没水深0.3 m, 膜单元高度2.7 m (包括产水管) , 污泥浓缩区高度1.0 m, 膜池总高度为4.5 m。

　　 每格膜池设1个膜单元, 有100帘膜件, 采用热法PVDF中空纤维膜, 膜丝外径为1.6 mm, 膜孔径为0.01 μm, 设计膜通量为33.93 L/ (m²·h) , 跨膜压差2.64 m。

　　 膜池产水方式为重力流虹吸出水, 能有效利用原水池与产水池之间的液位差, 通过虹吸抽吸进行系统产水, 本工程不设置抽吸泵, 省去了泵抽吸消耗的电能^[8]。

　　 膜池运行方式为:产水—曝气—产水—气水反冲。膜池曝气强度为60～80 m³/ (m²·h) , 反洗强度为1.5～2倍产水流量。

　　 膜池正常运行时, 1个产水周期包含产水90 min和1次气反冲洗, 当完成5个产水周期后, 进行一次膜池排空和气水混合反冲洗, 当累计完成150个产水周期后, 进行1次药洗。

　　 清洗包含维护性清洗及恢复性清洗系统, 清洗药剂主要为次氯酸钠及柠檬酸。维护性清洗一般1～2周进行1次, 清洗药剂采用次氯酸钠原液, 有效含量为10%, 清洗浓度200 mg/L, 清洗时间一般为0.5～3 h。恢复性化学清洗分为2个阶段。第一阶段采用0.1% (1 000 mg/L) 的次氯酸钠, 第二阶段采用0.2%的盐酸 (或柠檬酸) 。清洗时间一般为12～24 h。

　　 酸洗液及碱洗液需中和排放, 设置中和池1个, 容积为20 m³。

　　 考虑到水厂距周边居民区极近, 采用原液氯消毒方式一旦泄露将造成极大的危害, 本次改造结合膜处理清洗药剂, 对膜池出水采用次氯酸钠原液进行消毒, 投加量为1.5 mg/L。

　　 现有泵房扩建至4万m³/d。目前水厂内配置5台水泵, 拟保留现有2台160 kW水泵, 拆除2台75 kW、110 kW水泵, 现有350S75B水泵切削叶轮使得扬程降低至50 m (功率降至200 kW) , 并增加1台同样规格的泵, 形成4台供水泵, 大小搭配运行, 其中1台现有大泵采用变频调速的运行模式。

　　 工程主要改造内容包括1万m³/d的生产线升级改造为2万m³/d (超滤膜工艺) , 原2万m³/d的净水构筑物防水补漏, 送水泵房及配电按总规模4万m³/d的规模改造升级, 工程总投资为998万。

　　 在原水浊度波动较大, 最高浊度达80 NTU条件下, 沉后水波动也比较大, 最高值达33 NTU, 而膜出水水质较稳定, 投产运行3个多月来, 产水浊度始终不低于0.04 NTU, 结果如图4所示。

　　 在保证膜池出水水质的前提下, 膜池出水水量稳定, 且跨膜压差较小。结果表明:当产水量为2万m³/d时, 跨膜压差为5 kPa, 当产水量为3万m³/d时, 系统还能保持稳定运行, 跨膜压差为10 kPa。不同产水量与跨膜压差的关系见图5。

　　 对膜系统进行成本分析, 主要包括清洗药剂费、运行电费和膜组件的更换费用。其中药剂成本包括维护性清洗药剂、 恢复性清洗药剂、消毒药剂;运行电费包括超滤反洗水泵、罗茨风机、真空引水装置等。

　　 膜组件按照使用周期8年测算, 膜系统部分的运行成本为0.13元/m³。

　　 (1) 原位改造, 产能翻番, 施工周期短。未新增用地, 充分利用现有设施, 将原有的虹吸砂滤池土建主体结构直接改造成虹吸膜池, 土建工程量少, 改造过程历时4个月。工程实施后, 产水量由1万m³/d提升到2万m³/d (设计值) , 高峰期产水量达到3万m³/d, 在超负荷50%的情况下, 系统运行稳定, 跨膜压差为10 kPa。

　　 (2) 改造效果明显, 出水水质稳定。利用超滤膜安全高效分离的特性, 产水量翻倍, 以浸没式虹吸超滤膜池替代虹吸滤池, 截留精度提高, 出水水质达到《生活饮用水标准》 (GB 5749-2006) 的106项指标要求, 进水浊度在5～80 NTU波动时, 膜的产水浊度低于0.04 NTU, 水回收率超过96%。

　　 (3) 运行参数受限, 出水水质良好。受改扩建条件所限絮凝时间为10 min, 低于国家相关规范要求12～20 min的下限值, 斜管沉淀区液面负荷取14.4 m³/ (m²·h) , 远高于国家相关规范要求的5～9 m³/ (m²·h) 限值, 但出水仍能满足水质要求, 为老水厂的提效增质积累了一定的经验。

　　 (4) 实现低液位条件下虹吸产水, 是国内目前第一个真正实现不安装抽吸泵/提升泵的虹吸膜滤池工艺。优化设计运行参数, 取消传统虹吸膜池产水系统的抽吸清水泵, 充分利用可超低压条件下工作的性能, 采用先进的检测调控手段, 对膜的污染状况进行在线分析, 通过智能化系统实时调整膜的运行参数和清洗维护方案, 在设计工况 (即2万m³/d) 的产水能力下, 跨膜压差为5 kPa, 运行水头较低。

　　 (5) 能耗低、药耗少、运行成本低。从进水到产水全过程无泵运行, 实现低液位虹吸产水, 降低电耗, 并优化维护性清洗和恢复性清洗, 清洗药剂循环利用, 降低药耗, 系统运行成本低。

　　 (6) 自动化程度高, 运行稳定, 运行参数与进水水质实现闭环控制。浸没式超滤膜系统设一个PLC总站, 每个虹吸膜池及其公用设备独立PLC子站, 通过工业以太网进行连接, 控制系统实现对膜运行、膜污染状况在线监控, 实时调整膜的运行参数和维护清洗方案, 保证虹吸运行产水。

　　 (1) 罗桥水厂升级改造采用超滤膜工艺, 其占地面积省, 施工周期短, 对周边环境影响小, 产水水量翻番, 出厂水水质稳定, 运行效果好, 出水浊度≤0.04 NTU, 运行费用较低, 该工艺段运行成本0.13元/m³。超滤膜应用于老水厂升级改造, 提效增质, 挖掘潜能, 具有较好的效果, 有一定的推广价值。

　　 (2) 絮凝时间为10 min, 斜管沉淀区液面负荷取14.4 m³ / (m²·h) , 在运行参数严重受限制的情况下, 出水水质仍能满足水质要求, 为类似水厂改造提供了可借鉴的经验。

　　 (3) 实现低液位条件下虹吸产水, 取消传统虹吸膜池产水系统的抽吸清水泵, 是国内目前第一个真正实现不带泵的虹吸产水。膜池可利用水头为1.5 m, 自动虹吸产水, 能耗低, 运行管理方便。

　　 (4) 该工程设计规模为2万m³/d, 实际运行产水量最高时可达3.0万m³/d, 系统运行稳定, 且跨膜压差为10.0 kPa。