以奧運(yùn)公園廢水再生為例論浸沒式膜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化
膜系統(tǒng)是高度集成的工程技術(shù)。需要豐富扎實(shí)的工程知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。在早期，由于未能全面掌握膜及工藝集成優(yōu)化，人們經(jīng)受了許多挑戰(zhàn)和教訓(xùn)，也獲得了寶貴的開發(fā)高效可靠膜系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)。本文以作為北京綠色奧運(yùn)象征之一——清河奧林匹克廢水再生工程為例，探討膜系統(tǒng)的近代發(fā)展及工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化中的三個(gè)關(guān)鍵因素——膜和通量的選擇，系統(tǒng)集成優(yōu)化及污堵控制以及對(duì)膜壽命和性能的影響。
經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，清河使用六列ZW1000V3膜系列，全自動(dòng)在線清洗和全部膜池排空工藝膜式。20多個(gè)月的運(yùn)行進(jìn)一步證明，優(yōu)化的膜系統(tǒng)不僅性能高效可靠，而且能明顯提高膜使用壽命，降低生命周期總成本。更重要的是，膜運(yùn)行TMP和不可逆污堵比設(shè)計(jì)值低，即使進(jìn)水TSS較低，膜系統(tǒng)仍然可去除高達(dá)80%的濁度和30%COD，從而在任何情況下系統(tǒng)都能可靠地為奧運(yùn)提供高質(zhì)量的產(chǎn)水。
一、膜法再生水技術(shù)與綠色奧運(yùn)
水資源匱乏、節(jié)約用水、更嚴(yán)格的環(huán)保法律法規(guī)和人民生活質(zhì)量的提高加速了我國發(fā)展深度水處理的研發(fā)與應(yīng)用。
膜法水處理技術(shù)己成為世界先進(jìn)的深度水處理的主流技術(shù)。近幾年，我國開始將膜技術(shù)應(yīng)用于再生水處理。與傳統(tǒng)工藝相比，膜法水處理技術(shù)具有占地面積小、操作簡便、易于擴(kuò)容等優(yōu)點(diǎn)，特別是其出水水質(zhì)好而且穩(wěn)定，經(jīng)其處理的再生水可用于市政雜用、景觀、工業(yè)補(bǔ)水等方面。
“綠色奧運(yùn)”是北京奧運(yùn)會(huì)的三大理念之一，作為綠色奧運(yùn)的重要組成部分，北京建成了10座再生水廠，2007年利用再生水的規(guī)模已經(jīng)達(dá)到4.8億立方米。清河再生水廠是北京市規(guī)劃的國內(nèi)供水規(guī)模最大、采用了最先進(jìn)的浸沒式超濾技術(shù)的再生水廠，其再生水直接回用于奧運(yùn)公園景觀水體等，相當(dāng)于每天節(jié)約50萬人的日均用水。
本文將以奧運(yùn)清河再生水廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)為例，探討膜法再生水系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
二、膜系統(tǒng)與廢水再生和再利用
近幾十年來，用于廢水再生和再利用的膜技術(shù)在北美和歐洲得到迅速發(fā)展；當(dāng)前中國水處理工業(yè)如同十多年前的北美和歐洲一樣，正經(jīng)歷著相似的變革。更加突出的是，膜技術(shù)的創(chuàng)新更快，競爭更激烈。促使膜系統(tǒng)技術(shù)更成熟，成本大幅度降低，使膜處理技術(shù)變成廣為關(guān)注的、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。
但是，膜技術(shù)在北美和歐洲的快速發(fā)展中也經(jīng)受了許多挑戰(zhàn)和教訓(xùn)！例如，由于早期膜制造及工程技術(shù)不夠成熟，膜系統(tǒng)容易出現(xiàn)斷裂，淤堵，污堵等許多問題，結(jié)果導(dǎo)致?lián)Q膜頻繁和系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定！有時(shí)，即使膜系統(tǒng)可以運(yùn)行，但是能耗高，化學(xué)品消耗高，而且需要經(jīng)常仔細(xì)的維護(hù)。工程界曾經(jīng)一度對(duì)膜系統(tǒng)在廢水再生和再利用中的推廣和應(yīng)用相當(dāng)謹(jǐn)慎。因此為了改進(jìn)和加強(qiáng)膜系統(tǒng)的性能和可靠度，對(duì)膜系統(tǒng)進(jìn)行了大量的技術(shù)工程優(yōu)化研究，積累了大量成功的經(jīng)驗(yàn)。
在考慮25年的生命周期成本時(shí)，膜系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)以及不同的膜系統(tǒng)之間存在著巨大的差別；膜系統(tǒng)的生命周期總成本更多取決于長期運(yùn)行成本-膜更換成本及能耗。當(dāng)合適的膜知識(shí)和最新的膜系統(tǒng)集成的工程經(jīng)驗(yàn)不能被恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用到膜的制造、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中時(shí)，業(yè)主就會(huì)面臨極大的投資和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。例如，選擇恰當(dāng)?shù)母哔|(zhì)量膜，且經(jīng)過優(yōu)化的膜系統(tǒng)的生命周期可以長達(dá)十年甚至更長；相反，差質(zhì)量的膜系統(tǒng)的生命周期短至三年甚至更短。在25年的運(yùn)行周期內(nèi)，作為系統(tǒng)的主要部分，膜更換成本可以有三倍多的差別！另外，工程效果差的膜系統(tǒng)還有能耗和化學(xué)品消耗高以及維護(hù)頻繁的弊端。
因此，基于以往成功的工程優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)來對(duì)膜系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化非常重要。無容置疑，北美和歐洲的經(jīng)驗(yàn)對(duì)中國的水處理工業(yè)將有著重要的參考價(jià)值！用于廢水再生和再利用的膜系統(tǒng)有三種類型：1)從外向內(nèi)中空纖維膜，2)從內(nèi)向外中空纖維膜，3)平板膜。平面圖見圖1。
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在不同的應(yīng)用中，這三種膜各有優(yōu)缺點(diǎn)。最近對(duì)于全球已知的膜裝置統(tǒng)計(jì)表明，已安裝的浸沒式中空纖維膜日總處理能力超過了2000ML/天，超過了其他膜系統(tǒng)總處理能力的兩倍。這清楚地表明了低壓浸沒式中空纖維濾膜的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)使它正在成為廢水再生應(yīng)用中的領(lǐng)導(dǎo)者。
三、浸沒式中空纖維膜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化
膜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化受許多因素影響，本文將集中關(guān)注有著重大影響的三個(gè)關(guān)鍵因素：膜和膜通量選擇，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以及膜污堵控制。
1、膜和膜通量選擇
膜元件，作為膜系統(tǒng)的核心，直接決定其性能和可靠性。選擇最適合應(yīng)用目的的膜元件是開發(fā)一個(gè)優(yōu)化膜系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
在浸沒式中空纖維膜的應(yīng)用中，膜絲經(jīng)受到很強(qiáng)的沖擊應(yīng)力，膜絲斷裂通常是限制其成功應(yīng)用，特別是廢水再生應(yīng)用中的主要影響因素。
為了克服膜絲的弱點(diǎn)，浸沒式中空纖維膜已經(jīng)從早期的斷裂率較高的“常規(guī)膜”演變?yōu)閺?qiáng)化膜，以及能夠承受超過50kg拉力的加強(qiáng)型膜（參見圖2）。今天，在經(jīng)濟(jì)技術(shù)可比的情況下，應(yīng)盡量選用耐沖擊應(yīng)力高的膜。
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在廢水再生和再利用中有許多不同類型的浸沒式膜。ZW中空纖維膜是這一領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。ZW膜包含有ZW500和ZW1000系列，每一系列有各種不同的膜產(chǎn)品來滿足不同進(jìn)水質(zhì)量及處理的要求。
對(duì)清河項(xiàng)目，進(jìn)水為優(yōu)質(zhì)二級(jí)出水，ZW1000系列投資省，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)可靠，細(xì)小的微孔可保證高質(zhì)量的出水。
通量的選擇對(duì)于投資、運(yùn)行和生命周期成本有著直接影響。膜系統(tǒng)的長期運(yùn)行性能不僅取決于高品質(zhì)的膜元件，同時(shí)也強(qiáng)烈依賴于設(shè)計(jì)／運(yùn)行通量。設(shè)計(jì)過高通量（常發(fā)生在激烈競標(biāo)中），使初期投資成本低而具有吸引力。但是膜污堵高、使用壽命縮短，能耗和化學(xué)品消耗也增加，反而造成膜系統(tǒng)生命周期總成本增高。不必要的低通量，又會(huì)使初期投資成本明顯增高。遺憾的是，可靠的設(shè)計(jì)通量難以通過短期的中試獲得，因?yàn)樾枰L時(shí)間才能看到許多關(guān)鍵因素對(duì)不可逆污堵的綜合累積效應(yīng)，包括進(jìn)水水質(zhì)及變化、最低進(jìn)水溫度、允許的最小產(chǎn)水量（一列膜停機(jī)時(shí)）及高峰流量的影響等。
因此，最終的通量選擇必須在保證滿足所有的處理要求條件下，對(duì)各種因素進(jìn)行全面平衡。實(shí)踐證明，可靠的通量只能基于相似大規(guī)模膜系統(tǒng)的長期運(yùn)行數(shù)據(jù)來確定—工程數(shù)據(jù)庫
2、浸沒式中空纖維膜系統(tǒng)的集成和優(yōu)化
圖3是浸沒式中空纖維膜系統(tǒng)的工藝流程示意圖。
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與傳統(tǒng)系統(tǒng)不同，進(jìn)水水質(zhì)，溫度及其流量等的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的影響相對(duì)要嚴(yán)重得多。在任何情況下，膜系統(tǒng)所有的進(jìn)水必須通過膜，即使在高峰流量／最小通量（膜使用壽命晚期）條件下。因此，膜系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)，集成和優(yōu)化比任何時(shí)候都更加重要！對(duì)于動(dòng)態(tài)條件分析不足常常會(huì)導(dǎo)致膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果出現(xiàn)很大的偏差。比如，在工程早期，一些項(xiàng)目的細(xì)節(jié)問題被遺漏，或假設(shè)的最具挑戰(zhàn)的水質(zhì)或高峰流量太偏，經(jīng)多個(gè)環(huán)節(jié)采用的保守設(shè)計(jì)，導(dǎo)致膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)過于保守，投資成本過高。另一方面，設(shè)計(jì)激進(jìn)的膜系統(tǒng)不僅會(huì)有產(chǎn)水量不足問題，而且在高峰流量下可能出現(xiàn)嚴(yán)重的污堵等運(yùn)行問題。
優(yōu)化的關(guān)鍵是動(dòng)態(tài)條件的全面分析，膜池和運(yùn)行模式。從動(dòng)態(tài)條件來看，膜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化必須考慮以下因素：浸沒式膜的種類及運(yùn)行模式，預(yù)處理，溫度變化/最低溫度，懸浮固體／污物負(fù)荷和高峰持續(xù)時(shí)間，系統(tǒng)水力負(fù)荷，流量變化程度和持續(xù)時(shí)間等。
根據(jù)進(jìn)水特性和膜的種類不同，膜系統(tǒng)可以依照兩類主要操作模式來設(shè)計(jì)：
1、部分膜池排空/溢流模式。
2、全部膜池排空/膜池排空模式。
在早期階段，膜系統(tǒng)經(jīng)常按照部分膜池排空/溢流模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。最近，對(duì)于新的ZW500和ZW1000系列產(chǎn)品開始使用膜池排空模式來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖4所示。
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這種設(shè)計(jì)不僅繼承了部分膜池排空設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，而且還有許多其他優(yōu)點(diǎn)。
(1)懸浮固體耐受度較高—絮凝劑添加量提高到20～30mg/L(ZWl000)。
(2)最大膜壓（TMP）可達(dá)≈13psi，通量增加可高達(dá)≈40%。
其中一個(gè)關(guān)鍵好處就是膜系統(tǒng)可獲得較高的TMP而不會(huì)增加成本，這樣就可以使濾膜在較高優(yōu)化通量下運(yùn)行。
三、膜污堵的降低及控制
膜污堵有兩種類型：可逆和不可逆污堵。可逆污堵可以通過適當(dāng)?shù)那逑垂に嚤煌耆謴?fù)，而不可逆污堵很大程度上不能被恢復(fù)，且具有累積性。不可逆污堵主要依賴于膜質(zhì)量，即時(shí)運(yùn)行通量，進(jìn)水特性，峰值因素，清洗模式和頻率等。
在相似的進(jìn)水特性和其他條件下，即時(shí)運(yùn)行通量越高，峰值因素越大，污堵速率越高。圖5和6表明，如果通量從40LMH增加到54LMH（僅僅增加25%），總體膜污堵速率增加2.7倍。這樣污堵速率增加的很大一部分都是不可逆污堵，進(jìn)一步證明了即時(shí)運(yùn)行通量選擇不當(dāng)、長期在高即時(shí)運(yùn)行通量下運(yùn)行可導(dǎo)致膜系統(tǒng)不可逆污堵大幅度上升，膜的有效使用壽命大幅度縮短。
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進(jìn)水中的化學(xué)物質(zhì)如膠體和有機(jī)物、膜池中顆粒物負(fù)荷及類型同樣對(duì)總體污堵速率和不可逆污堵速率有影響。為了保證膜可靠運(yùn)行，最終總懸浮物濃度/負(fù)荷量要受到最大濃度的限制。（詳情將會(huì)在以后的出版物中討論）
清洗工藝、模式和頻率是工程優(yōu)化設(shè)計(jì)中控制不可逆污堵的關(guān)鍵。
實(shí)踐證明，清洗模式II能夠有效的降低污堵速率，可以最大程度的保護(hù)膜以避免不可逆污堵。清洗模式II必須自動(dòng)在線進(jìn)行。因此使用合適的控制系統(tǒng)來控制不可逆污堵非常重要。
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四、清河膜法再生水系統(tǒng)應(yīng)用案例
1、項(xiàng)目背景
清河再生水廠是北京市為2008奧運(yùn)會(huì)規(guī)劃的規(guī)模為8萬噸/日、高品質(zhì)的再生水廠。該項(xiàng)目已于2006年8月建成，目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)水完全符合國家中水回用標(biāo)準(zhǔn)。其再生水直接回用于奧運(yùn)公園景觀水體，每年可節(jié)約清潔水源3千萬立方米；從而緩解北京日益嚴(yán)重的缺水問題并改善和提升奧運(yùn)村的形象。
2、工藝過程優(yōu)化及特點(diǎn)描述
清河再生水廠采用了新一代ZW1000V3膜元件，膜箱和新的膜集成工藝。關(guān)鍵系統(tǒng)主要包括：0.5mm細(xì)格柵，ZW1000膜系統(tǒng)，全自動(dòng)在線膜清洗系統(tǒng)，在線絮凝劑添加系統(tǒng)，活性炭濾床并配有臭氧系統(tǒng)，最終出水經(jīng)CIO2消毒后送到奧運(yùn)湖。圖8給出了整體處理工藝過程。
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基于設(shè)計(jì)要求和進(jìn)出水變化特性，同時(shí)考慮到前文提到的所有因素，對(duì)膜系統(tǒng)經(jīng)過全面優(yōu)化設(shè)計(jì)包括：
(1)ZW1000膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了優(yōu)化的膜運(yùn)行控制系統(tǒng)和膜池全排空模式（見圖4）。膜系統(tǒng)含有6個(gè)膜列，每個(gè)膜列含9個(gè)ZW1000膜箱，每個(gè)膜箱含有60個(gè)膜元件。在任何一列膜處于清洗或維修狀態(tài)下，膜系統(tǒng)都可100%滿足80,000立方米/天的供水量。
(2)ZW1000膜和通量的選擇——優(yōu)化的膜系統(tǒng)的運(yùn)行凈通量不超過30LMH，即時(shí)運(yùn)行通量不超過40LMH，運(yùn)行膜壓不超過-80kPa。
(3)可進(jìn)行模式II的全自動(dòng)在線清洗。必要時(shí)，還可自動(dòng)在線在膜池前添加絮凝劑以去除進(jìn)水中總磷（TP）。當(dāng)添加絮凝劑時(shí)，優(yōu)化的膜運(yùn)行控制系統(tǒng)可控制膜池中TSS負(fù)荷量以100%滿足TSS的優(yōu)化設(shè)計(jì)要求。不會(huì)明顯對(duì)膜增加不可逆污堵（見運(yùn)行數(shù)據(jù)）。
3、清河膜系統(tǒng)操作性能分析
(1)膜進(jìn)出水變化特性
清河膜系統(tǒng)的進(jìn)水是來自于清河污水生物處理廠的二級(jí)優(yōu)質(zhì)出水，表3總結(jié)了近期膜進(jìn)出水的特性，
(2)膜的總回收率和TMP變化特性
圖9給出了運(yùn)行TMP的變化情況，圖10顯示流量變化對(duì)水總回收率的影響。
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(3)膜系統(tǒng)對(duì)濁度及COD的去除性能
膜系統(tǒng)于2006年8月調(diào)試，從2006年11月開始正常運(yùn)行，運(yùn)行超過了20個(gè)月。截至2008年6月30日，在設(shè)計(jì)產(chǎn)水量（每天八萬立方米）和設(shè)計(jì)回收率（90%）條件下，平均TMP位于-10至-15kPa的范圍內(nèi)，低于正常設(shè)計(jì)TMP。運(yùn)行結(jié)果證明：
(1)在優(yōu)化設(shè)計(jì)條件下，運(yùn)行引起的膜污堵是可恢復(fù)的。這也同時(shí)表明配置有自動(dòng)在線清洗的優(yōu)化膜系統(tǒng)性能可靠，膜的使用壽命能被明顯延長。而且在低TMP運(yùn)行條件下，能耗和藥耗相對(duì)減少。
(2)在不超過最大流量條件下，優(yōu)化膜系統(tǒng)可耐受進(jìn)水流量大幅變化，其運(yùn)行TMP受進(jìn)水流量大幅變化的影響小而穩(wěn)定，并保持高的總水回收率（平均＞90%的設(shè)計(jì)值）。
(3)即使進(jìn)水濁度較低（＜2NTU），ZW膜系統(tǒng)對(duì)濁度去除效率高于60%，在大多數(shù)情況下，可以接近80%的去除率。相比來說，傳統(tǒng)的多介質(zhì)過濾器去除濁度的效率要低得多。在這樣的濁度去除水平下，膜系統(tǒng)的出水從外觀來看已經(jīng)非常接近自來水。
(4)ZW膜可以有效的脫除膠體/色度COD。COD脫除率在20%至30%，可明顯改善下游諸如臭氧和碳過濾的處理效率。
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五、總結(jié)
膜系統(tǒng)包含兩個(gè)關(guān)鍵要素：膜元件和系統(tǒng)集成優(yōu)化。清河再生水廠近兩年的成功運(yùn)行再一次證明了膜的質(zhì)量和通量、系統(tǒng)集成優(yōu)化和降低污堵是決定膜系統(tǒng)整體性能的三個(gè)最關(guān)鍵因素。經(jīng)過優(yōu)化的ZW浸沒式中空纖維膜系統(tǒng)可在穩(wěn)定的低TMP（-10至-15kPa）、低污堵速率下長期可靠運(yùn)行。從而，延長膜的有效使用壽命，明顯降低生命周期總成本。即使進(jìn)水TSS/COD極低，優(yōu)化的ZW膜系統(tǒng)也能獲得高達(dá)80%的濁度去除率、20%至30%的COD去除率。從而，極大地改善了下游臭氧和碳過濾等的處理效率；降低高級(jí)廢水再生系統(tǒng)的總體成本，使出水能可靠的滿足各種廢水再生和再利用的目的。
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