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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/(㎡˙h),膜池内总停留时间45min。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/(㎡˙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。
1.2常规-深度长流程系统
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。
占地面积比较
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5160㎡,单位水量占地面积为0.034㎡,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。
工艺与水质比较
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4mm/s,其斜管上部清水区浊度仍可长期稳定在1NTU以下。
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(0.2NTU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。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。
混凝剂及药耗比较
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14400kg(10%商品药液)、24000kg(45%商品药液)、24000kg(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0.8mg/L、1.3mg/L、1.3mg/L,其数值很小。总体M工艺比S工艺药耗少。
电耗比较
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。
运行及维修管理比较
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60~90min1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
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。
微信对原文有删减。原文标题“澄清膜池短流程与常规-深度长流程运行比较研究”;作者:方帷韬、何华、曹楠、孙继坤、孙福强、刘永康;作者单位:北京市自来水集团有限责任公司。刊登于《给水排水》2018年第8期。
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