2013年底,清泰水厂30万m³/d的膜处理系统投入运行。膜系统主要由以下部分组成:主过滤系统和水回收系统、反冲洗系统、化学清洗CIP/EFM系统,中和系统,在线膜完整性检测系统,PLC控制系统等。主过滤系统由两套完全独立的子过滤系统(以下简称1#、2#系统)组成,每天净产水29.5万m³/d。水回收系统,负责主系统清洗水的回收过滤,每天净产水5 000m³/d。主过滤系统包括18列膜架(编号为1-A到1-Ⅰ,2-A到2-Ⅰ),每列膜架安装有168只膜柱,运行通量设计为100LMH[L/(h·m²),下同]。每列膜架能够独立运行,也可同时运行,每过滤运行30min后自动进行1次水反洗/气洗,平均每2d进行1次EFM(Enhanced Flux Maintenance)清洗,每35天进行1次CIP(Cleaning in Place)清洗。水回收系统(以下简称3#系统)共2列膜架(编号为3-A、3-B),每列安装有86只膜组件,运行通量设计为60LMH,每过滤运行15min后自动进行1次水反洗/气洗,每天进行1次EFM清洗,每30d进行1次CIP清洗。

主要运行参数方面,由于主过滤系统18列膜架进水的水质相同,清洗方法和步骤也相同,于是选取1-A近两年CIP清洗前后特定通量和水温的变化值作出图1(特定通量=运行通量/TMP×TCF/10,其中TCF为校正到20℃下的校正系数)。2015年与2016年膜系统特定通量值基本一致。温度低时特定通量值普遍较高,CIP清洗前特定通量值都在12LMH/m以上,清洗后特定通量值都在15LMH/m以上,与厂家给定的参考值相符。

系统设计时主过滤系统的运行通量是100LMH,水回收系统的运行通量是60LMH,对2016年12月的TMP、通量进行了统计,如表1和表2所示。

从表1可以看出,主过滤系统TMP是通量为80LMH左右测得,均未超过80kPa;回收系统TMP是通量为35LMH左右测得。表2数据的通量变化可以从17～110LMH,3#的膜通量也可以达到70LMH左右,均在设计允许范围内。

出水水质方面,膜系统出水浊度均在0.05NTU以下。另外在1#、2#系统的产水总管上(3#系统与1#共用一根产水总管)各安装了一台在线激光颗粒物分析仪,对出水中2～400μm的颗粒物数量和粒径分布进行检测,从而判断膜过滤效果。2017年12月31日颗粒数情况如表3所示。从表3中可以得出,颗粒数均小于10个/mL,过滤效果良好。

消耗方面,主要以电耗为主。对2016年单纯膜系统电耗统计如图2所示。

统计中,2016年月平均电耗为0.071 3kW·h/m³。工程调试时的电耗是0.072 5kW·h/m³,水温13.8℃,通量基本恒定在100LMH。表格中的数据既有大于此数值的,也有小于此数值的,在考虑温度和相关泵因进水量时刻变化而不断启停的因素下,此差距在正常的范围内。对3年的药耗进行了统计,见表4。

可以发现,经过一段时间运行研究后,药剂使用量基本恒定,柠檬酸和氢氧化钠的使用量低于首年。

膜系统一周进行一次完整性检测。输入的气压在150～200kPa,保压5 min,若前后相差小于4kPa,则认为该膜阀架膜柱完好,没有断丝情况;若大于4kPa,则系统报警,将安排再次进行完整性检测。若多次复查气压下降迅速,则该膜柱会停止运行,待找出原因解决漏气问题后再恢复运行。若大于20kPa,该列膜架自动停用。

从近几年使用情况来看,膜系统完整性检测结果较好,没有出现大于20kPa的情况,但大于4kPa的报警时有出现,基本是由阀门关不到位和完整性检测气管连接管接头松动引起,修复后检测均正常。

综上所述,目前膜的相关参数都在合理的范围内,未出现断丝现象,运行正常。

膜系统运行稳定,除了原水为炭砂池的出水,水质已经比较干净外,还有一系列的安全保障的设计,如提升池液位过高联动开启超越阀,回用水池液位过高暂停所有膜阀架气洗反洗,进出水阀门故障报警,暂停化学清洗等等,着重介绍下面两种设计。

膜系统PLC采用了AB的冗余控制器技术,主控PLC与膜组I/O机架、公共设备I/O机架之间采用了冗余ControlNet I/O技术。当主机架的任一组件发生故障,控制权就会由主控制器切换到从控制器,从控制器接管对I/O设备的控制,继续执行程序,切换时间在100ms之内,从而实现对每一膜组的冗余热备控制,使每一膜组控制的可靠性大大增强,并使用双网卡,保证两套系统从设备层、控制层、信息层都可独立运行。

1#、2#系统单列膜阀架有21个气动阀门,3#系统因为有个错流排放管路,因此有22个气动阀门。管路连接采用block-bleed设计,即无论是进水、产水、反洗供水、化学清洗、排放等管路,都有3个气动阀门控制,形成一个“T”形,上部的两个阀门可以保证过滤、气洗反洗、化学清洗、排放、冲洗等流程中加上双保险,保证各个流程中的介质不互相渗透。下部的这一个阀门可以保证上一个流程结束后管道中残存的液体及时排放,防止污染膜,也为判定阀门漏与否提供了方法。另外,这样的设计不但使膜阀架排空变得简单快速,而且在任意阀门故障时都可以隔离此膜阀架,独立处理,防止因个别阀门关不死造成运行状态不同膜阀架相互干扰影响生产,方便检修。

膜系统运行至今,基本都是稳定运行的,但有个别因设备使用寿命或者设计缺陷引起了一些问题,根据实际的使用情况,对其进行了优化。

清泰水厂膜系统共有500多个阀门,其中90%以上为气动阀门,每个气动阀门有2个行程开关,。其中某些主管路上的阀门,平均每3min需开关一次,膜阀架上最频繁的阀门是平均30 min开关一次,管路连接采用block-bleed的设计对于保证膜系统的出水水质安全起到了良好的作用,但阀门数量增加,出现故障的概率也将增大,因此阀门的稳定运行变得尤为关键。在近几年的运行中,出现过阀门卡死、阀门漏水、阀门上的行程开关信号无反馈等故障。阀门阀体漏水共有37个,阀门卡死有6个,行程开关有问题的大约有100多个。出现问题的阀门基本都是膜阀架上口径最大的,如V1010、V1018、V1013、FCV1001这4类阀门,管径为DN300或DN250,不但易出现漏水,而且在这4个位置阀门上的行程开关信号也出现较多异常,因此会造成回用水池液位高、气洗反洗时水回流至鼓风机、化学清洗药剂流失、化学清洗不能进行等问题,严重影响膜系统或单列膜阀架的正常运作。

针对上述情况,决定先更换每列膜阀架上故障的这4类阀体,根据阀门厂家的建议,由原先的活套式橡胶阀体更换为橡胶硫化处理过的阀体,不易变形,强度更大。更换经过改进的阀门后,目前使用均正常,未出现漏水或卡死现象。

另外在安装期间出于运输、安装及美观考虑,在安装时将部分阀门倒装,但是这样使得阀门上轻下重,阀门内的橡胶更易变形,久而久之造成漏水。为了减少其隐患,我们将这部分阀门气管和线路加长,将气缸和阀体正立安装。

为了解决行程开关问题,查找了相关资料,购买了其他两个品牌各40个行程开关,分别安装在1#、2#相对应的反冲洗系统和膜阀架上,经过一年的使用,结果如表5所示。

从表5可以看出,经过一年频繁的启停,品牌1的行程开关偶有问题,但故障率比原先降低了许多,使用寿命增加,其中大部分故障是行程开关的触点松动,接触不到位引起,这是机械式行程开关的通病。品牌2的行程开关采用电感式,不需要机械接触及施加任何压力即可开关动作,动作可靠,应用寿命长,因此一年内未发生故障。后期将陆续把剩余的行程开关更换为此类电感式行程开关。

另外,厂维修人员在拆卸膜阀架上的阀门时,发现管道与管道之间没有活结,阀门直接嵌于其中,每次更换时都需要使用千斤顶,这样不仅增加了人力物力,也易造成PE管道断裂。因此建议设计膜阀架系统时,应在每根管道上都加装一个活结。同样出于检修便利考虑,在条件许可的情况下,每列膜柱之间不必布置得很紧凑。

从表4可以看出目前膜后水颗粒数较少,小于10个/mL,合格率100%。经过一段时间运行,将颗粒数作为膜系统出水的内控指标之一。在2015年浙江省现代化水厂评审中,专家组也根据我厂工艺特点,将颗粒数指标作为膜处理单元评价标准之一。

工程交付后,颗粒计数仪进水管接在出水总管上端,容易混入气泡。为了防止水管中经常性出现不满管或者气洗时大量的空气进入管道,影响检测,之后将取水口改开在水管的侧面。在日常使用中,注意清洗维护。当滤杯中的网筛上附着了一层污染物时,应及时对滤杯进行清洗。目前根据水质条件,对其1个月进行清洗一次,对于其他不同的水质,应适当增加或者减短维护周期。

目前膜系统使用的是2台微油的空压机,为了防止油随气进入膜柱内,除了定期维护,及时更换滤芯外,还在管路中增加了两级滤芯,保证气体纯净。为了防止空气质量问题引起阀门磨损堵塞,还在各组膜阀架的进气管道上安装了一个过滤器,自动排水。

清泰水厂膜系统有4台鼓风机。靠近膜阀架两侧的风机都出现了漏水的现象,原因主要是以下3点:(1)气洗的阀门因使用时间长,执行缓慢,关不及时以致于反洗的水压回至鼓风机处;(2)组装时膜阀架的高度高于鼓风机至膜阀架这段气管的高度,只要阀门一开启或者渗漏,管道中的水就会流进鼓风机系统;(3)膜阀架系统的管路中唯独气洗管路未采用blockbleed设计。久而久之,鼓风机出气管后的空冷器和阀门生锈腐蚀。为处理这一问题,在气洗管道上增加了止回阀,保证水不流入鼓风机系统内;增加了自动排水阀,将管道中剩余的水及时排放掉;更换生锈的阀门和空冷器换热管,材质由黄铜更换为白铜,厚度由0.501mm增加到0.71mm,增强其耐腐蚀性。

化学清洗系统也有2套独立的清洗装置,分别由4个3m³的原药罐、1个15m³的碱罐、1个15m³的酸罐及相应的泵和仪表组成,其中碱罐和酸罐底部都内嵌2个加热器。4个原液罐分别储存30%的氢氧化钠药剂、10%的次氯酸钠药剂、50%的柠檬酸药剂、15%的亚硫酸氢钠药剂。清洗药液通过加热器进行加热,维持温度在25～35℃。工作一段时间后,碱罐的加热器表面发生结垢现象,使加热器不能正常工作。酸罐中的4个加热器表面正常,无结垢。出于安全性和环保考虑,采用喷砂机进行除垢。

经过一年多的不断研究,为安全起见,将碱罐的4个加热器在水温较高时(即20℃以上),维护周期定为5个月;当水温较低时,维护周期为4个月。由于拆除加热器工序复杂,拆除一个碱罐的2个加热器需要约4h,装好后还需进行漏水性试验。因此清洗加热器要选择好时间段,不能是在膜阀架进行化学冲洗时,也不能是在进行CIP化学清洗的周期内,否则会极大地影响膜系统的正常运行。

为了增加加热器的耐腐蚀性,将4台碱罐加热管材质由不锈钢316L更换为钛材,酸罐中的加热器材质不变。同样为了拆卸方便和不损坏端子,在现场了设置控制柜,将加热器内部的接头直接引到外置控制柜中,再与后续的电缆相连。

对于化学清洗系统还有如下建议:(1)定期检测次氯酸钠原液有效氯浓度,防止药剂失效;(2)每2个月检查一次进行CIP配药后的有效氯浓度和氢氧化钠浓度,确认气动隔膜泵的运行工况无偏离;(3)当系统进水的浊度较低时,可以适当延长EFM的清洗周期,对主系统EFM周期最长不应超过120h;对回收系统EFM周期最长不应超过72h,但CIP周期最好不改变。一旦发现特定通量下降过快、CIP清洗不彻底等现象的出现,则应及时采取措施,如加大清洗液浓度、缩短清洗周期等方式使膜的性能得到及时恢复;(4)进行CIP操作时每天至少清洗4～5列膜阀架,保证单套系统的CIP操作在3天内完成,避免CIP持续时间过长影响其他膜架的EFM操作;(5)考虑到系统的运行费用及减少环境污染,一罐CIP药液的使用次数可设置为4～5次。若在所有膜阀架都已完成了CIP操作,其药液的使用次数仍未达到,则确认将配制的CIP药剂用于EFM操作中;(6)CIP清洗时,由于2套过滤系统完全独立,在一套的一组膜阀架开始做酸洗时,另外一套的一组膜阀架可以开始碱洗,这样两者清洗后的废液去中和水池可以互相中和还原,节约药液的使用量;(7)所有CIP结束后,除了系统本身对CIP的加药管道进行冲洗外,还需操作氢氧化钠、次氯酸钠管道上的自来水阀门,对管道进行冲洗,防止药液在管道内结晶造成阀门、管道的堵塞;(8)若条件许可,加热器最好是先对自来水进行单独加热,然后将加热后的水与药剂混合,混合后的药液再送至膜阀架进行清洗,以减少加热器结垢损坏,减少清洗次数,提高使用寿命。

清泰水厂配电系统中采用了18台大功率变频器,变频器为典型6脉整流负载,使用中经常发生过电流或过电压的报警,检查后发现是其网测产生了过量的谐波,严重干扰了配电系统,导致配电系统电气设备不能正常运行。

根据《电能质量公用电网谐波》(GB/T 14549-93)要求,0.38kV系统电压总谐波畸变率THD_V<5%,谐波电流根据清泰水厂的系统短路容量各次谐波电流允许值见表6。

对此高压配电房2台变压器低压进线处进行谐波检测,发现5次谐波电流严重超标,具体数值如表7所示。

针对变频器产生这样的谐波含量,我们经过研究对比,采用了有源滤波器滤除谐波,安装位置见图3。有源滤波器启动后,数据如表7所示。

从表7数据可以看到,采用有源滤波后,5次谐波电流含量分别降低到90.5A、72.5A,低于国标要求的131A,其他各次谐波均满足国标要求,达到谐波治理的要求。使用后,基本不再发生过电流或过电压的故障报警。因此,在项目中大量采用大功率变频器时,应考虑到谐波对系统的影响。

清泰水厂压力膜系统运行至今,过滤良好,在此过程中也积累了关于膜系统运行管理的经验和突发状况的解决办法,并对其中的不足之处进行了优化和完善。参考合适的运行指标,掌握膜系统的运行规律,保证膜柱本身运行正常外,辅助子单位与配套设备的稳定可靠运行也是不容忽视的。只有当膜系统的所有设备都正常运行,才能进一步保证产水质量和使用寿命,最大化地发挥其价值。