某市第三水厂有2套地表水处理系统, 一套为短流程处理系统, 以澄清浸没式超滤膜池 (以下简称澄清膜池) 为主工艺;另一套为常规-深度长流程处理系统, 以高密度澄清池 (以下简称高密池) 、V型滤池及臭氧活性炭联用为主工艺。其中澄清膜池作为一种新型超滤技术, 具有占地面积小、建设速度快、原水水质适应性强和出水水质良好的优点。高密池、V型滤池、臭氧活性炭联合应用, 具有工艺段齐全、水质保障度高的优点^[1~5]。此2套处理系统各具特点, 在运行中表现出不同的优缺点, 现将其总结如下。

　　 此短流程工艺, 除次氯酸钠和粉末活性炭投加外, 没有其他预处理工艺, 在澄清膜池后也没有设其他深度处理工艺。澄清膜池为北京市自来水集团专利技术, 其特点是将常规处理和膜过滤处理集成在一个构筑物中实现, 集约化程度高。短流程工艺 (以下简称M工艺) 如图1所示。

　　 M工艺主要设计参数:满负荷8万m³/d, 混合时间78s, 絮凝时间13.2min。澄清膜池设计产水通量24.4L/ (m²·h) , 膜池内总停留时间45 min。虹吸式出水, 最大跨膜压差 (TMP) 为60kPa。

　　 澄清膜池反冲洗采用气-水联合冲洗, 水反冲洗强度60L/ (m²·h) , 气冲洗强度1.2m³/ (支·h) 。反冲洗每60~90min进行1次, 气冲30~80s, 气-水混合反冲洗90~120s。澄清膜池设置侧排泥和底部排泥, 底排泥周期8~24h, 每次排泥时间1~5min。

　　 膜组件维护性化学清洗周期为6~15d, 每次持续时间6~24h。采用200mg/L的NaClO溶液。

　　 长流程处理系统的常规处理工艺为高密池和V型滤池, 深度处理工艺为臭氧活性炭联用, 前端辅以预臭氧工艺。高密池是得利满公司开发的集絮凝、沉淀、污泥浓缩及污泥回流为一体的高效水处理构筑物。常规-深度长流程处理工艺 (以下简称S工艺) 如图2所示。

　　 其主要设计参数为:满负荷15万m³/d, 预臭氧投加量0~2mg/L, 接触时间5.6min。高密池混合时间2min, 絮凝时间11min, 沉淀时间50min。后混凝时间0.5min。

　　 V型滤池设计滤速7.95m/h, 为气-水联合反冲洗。主臭氧投加量0~2.5mg/L, 接触时间15.8min。炭吸附池设计接触时间9.84min, 为单独水冲洗。

　　 澄清膜池将吸附、沉淀、膜处理高度集成在同一池型内, 池内上升流速 (约2mm/s) 较高、占地少、效率高。而高密池, 将絮凝、沉淀、污泥浓缩回流结合在一起, 采用较高的上升流速 (约4mm/s) , 其占地面积也相对较少, 但S工艺有预臭氧、V型滤池和臭氧活性炭深度处理, 所以其总体占地面积仍然较大。比较两种工艺的占地面积, 如表1所示。

　　 从单位水量占地面积来看, M工艺比S工艺少40%, 其占地面积小的优势非常明显。

　　 从功能上讲, M工艺比S工艺少预臭氧和臭氧活性炭联用的深度处理工艺, 这意味着处理流程有所缩短, 这也是M工艺比S工艺占地面积小的一个主要原因。只从高密池、V型滤池、附属加药间及设备间的总面积进行比较, 其总面积为5 160m², 单位水量占地面积为0.034m², 仍然比M工艺多17%。而高密池、V型滤池本身为负荷较高占地面积较小的工艺, 这更说明澄清膜池在节约建设用地方面有着很大的优势。

　　 S工艺中, 预臭氧有助于形成微凝聚体, 提高沉淀效率, 对原水中藻类、有机物的去除也有一定影响。高密池具有可控的污泥外部循环, 沉淀池底泥回流入絮凝池 (回流量为1%~4%) , 并有PAM的投加, 絮凝效果非常好。尽管沉淀区上升流速超过

　　 而澄清膜池设计是希望在膜池中部形成悬浮泥渣层, 但本厂原水浊度长期在2NTU左右, 膜池为上向流, 絮体细碎, 很难形成悬浮的泥渣, 这导致大量絮体进入膜区, 膜过滤过程中吸附到膜丝上, 造成膜丝的覆盖堵塞。另外, 悬浮泥渣层的形成需要一定的时间, 其运行也要求尽可能稳定的环境, 但膜池需要停水反冲洗 (周期60~90min) , 维护性化学清洗 (周期6~15d, 全池排空) , 此类操作干扰悬浮泥渣层的形成。

　　 超滤处理为M工艺的核心工艺, 其可以去除絮体和胶体, 对溶解物则没有明显的去除效果。由于其膜孔非常小 (0.04μm) , 使得其出水浊度非常低 (0.1NTU以下) , 与V型滤池相比 (0.2 NTU左右) , 在浊度和颗粒数去除方面有着巨大的优势。而浊度为综合性指标, 其处于低水平, 意味着水中杂质少, 水品质较高。

　　 M工艺没有后续深度处理工艺, 而S工艺的臭氧活性炭工艺可以进一步去除有机物, 控制消毒副产物。2014年夏季M工艺出现了消毒副产物过高的问题, 如表2所示。将预加氯降低, 并投加粉末活性炭, 膜池出水消毒副产物指标明显降低。同期, S工艺使用相同原水而没有消毒副产物达到临界值的问题, 其三卤甲烷总量在0.5mg/L以下。分析表3数据 (2017年夏季5月) , 超滤膜池出水和V型滤池出水的三氯甲烷的数值基本相同, 但活性炭吸附池出水的三氯甲烷则比V型滤池出水减少50%, 其他消毒副产物指标的数据也有类似关系。这说明, 超滤膜滤池可以代替并优于V型滤池的作用, 但无法代替活性炭吸附池的作用, 如果有条件, 在超滤膜滤池后应增加臭氧活性炭的工艺, 以确保出厂水水质。

　　 表4以常规水质参数指标进行两套系统出水水质的对比。超滤出水的浊度明显低于V型滤池和活性炭吸附池的出水浊度。藻类方面, 超滤出水的藻类比V型滤池和活性炭吸附池的出水藻类低50%以上。但在耗氧量的指标上, 超滤出水明显高于活性炭吸附池出水, 同时也高于V型滤池出水, 这是因为石英砂滤料有一定的厚度, 滤料上也有一定微生物的形成, 会降解水中的有机物, 另外, 石英砂滤料也有较强的吸附作用^[6]。臭味、色度均符合标准, pH的差异则主要是检测误差和药剂投加不同造成的。

　　 M工艺调试阶段, 采用的混凝剂是PAC, 膜池出水残余铝为0.2mg/L左右, 出现超标现象, 而同期S工艺的混凝剂也为PAC, 但其没有残余铝超标的问题。此情况表明, 超滤短流程系统存在残余铝超标的风险, 所以该工艺在选用混凝剂时, 应尽量避免选用铝盐。

　　 综上数据表明, 在过滤性能去除为主的指标上, 超滤更好, 而吸附或分解作用去除的指标上, V型滤池和活性炭吸附池的出水则更占优势。从水质角度评价, 在原水水质正常情况下, 以澄清膜池为核心的短流程M工艺具有较大优势, 而如果原水中有较难处理的溶解性有机物, 则工艺完备的S工艺会更合适。

　　 S工艺投加的药剂主要有预臭氧、三氯化铁、聚氯化铝、PAM、臭氧。M工艺投加药剂为三氯化铁, 次氯酸钠, 统计药剂使用如表5和表6。

　　 比较混凝剂消耗量, M工艺混凝剂种类少, 用量为S工艺的10%~40%。但M工艺因维护性化学清洗的需要, 有次氯酸钠的消耗, 其清洗周期一般为6d, 每天维护性化学清洗2座膜池单耗为17mg/L。

　　 另外超滤膜恢复性化学清洗每年2次, 使用次氯酸钠、氢氧化钠、柠檬酸, 总药剂量分别为14 400kg (10%商品药液) 、24 000kg (45%商品药液) 、24 000kg (99.9%商品药剂) , 按每天平均水量5万m³/d计, 则合算清洗药剂投加量分别为0.8 mg/L、1.3mg/L、1.3mg/L, 其数值很小。总体M工艺比S工艺药耗少。

　　 S工艺以高程差为各工艺段运行的驱动力, 其动力消耗主要为加药、搅拌、污泥回流、冲洗等工作。M工艺利用虹吸为驱动力, 也属高程差的驱动力。但超滤冲洗非常频繁, 所以其电耗比S工艺稍高, 如表7所示。

　　 从表7中看出, 水量越大, 则单耗越低, 比较相同负荷率的电耗, M工艺比S工艺高27%, 这主要是其冲洗电耗较高所致。考虑到S工艺用电统计包括了臭氧和活性炭池的用电, 如果去掉这两个工艺段的用电, 则差值更大。但水厂运行, 取水电量和配水电量占全厂电量的80%~90%, 净水处理工艺电耗对水厂综合电耗影响较小。

　　 S工艺工段较多, 但操作简单, 高密池、臭氧系统运行无需人工干预, V型滤池和活性炭吸附池冲洗, 都为定时自动冲洗, 且整个系统运行非常稳定, 运行人员定时巡视即可。M工艺混合絮凝部分无需人工干预, 但膜池冲洗频繁, 需要时刻注意出水阀门开度和跨膜压差的变化, 每6d进行1次维护性清洗, 排水、上药、上水需要运行人员现场操作, 每年2次的恢复性化学清洗劳动强度也非常大。而且高负荷下 (80%以上) , 超滤膜很容易出现跨膜压差快速增长的问题, 膜池运行异常情况发生的频率非常高, 需要运行人员注意力高度集中, 其运行难度要远大于常规工艺。

　　 S工艺投产已有9年, 高密池、V型滤池、臭氧系统、活性炭吸附池等配套设备极少出现问题, 只要定期进行基本的维护保养即可, 设备出现问题也不会对全系统运行造成较大影响;活性炭3年换1次, 工作量比较大。总体评价, S工艺设备运行故障率不高, 维修工作量相对较小。

　　 而M工艺投产至今约4年, 由于动作频繁, 其阀门接连出现突发故障, 大部分为销键断裂;抽真空、反冲洗水泵一旦出现电控系统损坏, 即造成系统瘫痪;每年2次超滤膜离线恢复性化学清洗也需要大量的人力物力支出。对比2套流程, 超滤系统运行非常依赖设备, 依赖自控体系, 某些设备一旦损坏, 会对全系统运行造成影响, 再有超滤膜日常反冲洗60~90min 1次, 设备动作频繁, 疲劳损伤大, 容易出现故障。综合比较, M工艺的维修工作量远大于S工艺的维修工作量。

　　 总结澄清膜池短流程处理系统和高密池、V型滤池、臭氧活性炭长流程处理系统在运行中的不同表现, 得出以下结论:

　　 (1) 澄清膜池短流程工艺效率高, 占地面积较小, 适合水厂建设用地紧张或应急扩建改造等项目。

　　 (2) 原水优质稳定, 以较低浊度为主的水厂建设项目, 短流程的澄清膜池工艺可满足要求。而水质较复杂, 有机物含量高, 则需增加预处理和深度处理工艺, 以保证出厂水水质合格。

　　 (3) 高密池工艺混凝剂药耗高, 澄清膜池工艺混凝剂药耗较低, 总体澄清膜池短流程工艺药剂消耗较少。

　　 (4) 澄清膜池系统常规冲洗、维护性清洗及恢复性清洗涉及设备设施较多, 工序复杂、操作频繁、能耗较大。常规-深度长处理流程设备设施工序简单, 能耗较低。

　　 (5) 以超滤系统直接代替沉淀和过滤功能, 存在超滤膜运行环境难以控制, 跨膜压差增长快速, 超滤系统运行及维护工作量较大的问题。在常规处理工艺基础上增加预臭氧、臭氧活性炭等工艺, 减轻各工艺段处理压力, 则系统运行稳定, 设备故障率低。

　　 (6) 根据比较结果, 建议水厂建设尽量保证建设用地, 最好采用工艺段齐全的处理系统, 超滤工艺可作为最后一道处理工艺段, 这样既可保证出厂水的品质, 又能保证运行维护工作量可控, 水厂总体运行稳定。