申立堂1奚韶锋2何俊文1孔德峰1陈军1张鹏霞2
(1泰安市自来水有限公司，泰安271000; 2清华大学中国城市研究院，北京100083)
摘要：环湖水厂原有膜池设计产水量2万m3/d，实际产水量仅为1.2万〜1.5万m3/d，冬季产 水量低于1万m3/d，无法满足要求，运行跨膜压差达20〜40 kPa。改造后更换性能更好的热法PVDF超滤膜，原有膜池原位改造成产水量3万m:i/d膜池，运行跨膜压差为5〜12 kPa，产水浊度大 部分情况下维持在0.05 N T U以下，水回收率超过97%。更换后的热法PVD F超滤膜孔径小，能完 全截留藻类及微生物，抗污染能力提高，维护性清洗周期从7 d增加到45〜50 d。实现了真正的低液 位差虹吸产水，膜池到清水池的2 m水头即可满足设计产水量，产水不使用水泵抽吸，在保障水质、产水量提升的同时实现了节能节水，创造了较好的经济效果。 关键词：虹吸膜工艺；节能节水；低温低浊；水厂改造
中图分类号：TU991 文献标识码：A文章编号：1002 —8471(2021)02—0015—06
DOI：10. 13789/jki.wwel964. 2021. 02. 004
引用本文：申立堂，奚韶锋，何俊文，等.净水厂通过无泵虹吸膜工艺改造实现节能增效[J].给水 排水，2021，47(2): 15-20. SHEN L T，XI S F,HE J W,et al.Energy saving and efficiency im-provement of water treatment plant through pump free siphon membrane process[J]•Water&-Wastewater Engineering,2021.47(2) ：15-20.
Energy saving and efficiency improvement of water treatment plant
usb周边
through pump free siphon membrane process
SHEN Litang1, XI Shaofeng2, HE Junwen1, KONG Defeng1, CHEN Jun1, ZHANG Pengxia2
(1. Taian Water Supply Co,, L td., Taian 271000 ,China ;
2. Tsinghua Urban Institute，Beijing 100083，China)
Abstract ：The original membrane tank of Huanhu Water Treatment Plant was designed to yield20 000 m V d，but the actual yield only reached 12 000〜15 000 m3/d，and the winter yield was lower than 10 000 m3/d,so the yield could not meet the requirement.The operating transmembrane pressure difference was relatively high,up to 20^-40 kPa.The original membrane tank was transformed into a membrane filter with a water yield of 30 000 mVd.The transmembrane pressure di
fference in operation was 5^12kPa.The turbidity of water was maintained below 0.05 NTU in most cases,and the water recovery exceeded97%.After the replacement,the thermal PVDF ultrafiltration membrane has a small pore diameter,which can completely intercept algae and microorganisms,improve the anti-pollution ability,and increase the maintenance cleaning cycle from 7 days to45〜50 days.The siphon water production with low liquid level difference was realized,and the 2 m water head from the membrane tank to clean water tank can meet the design water yield.The water production needn^pumped by water pump,which can save energy and save
15
water while ensuring the water quality and the water production are improved,thus creating a better economic effect.
Keywords：Siphon membrane technology；Water and energy saving；Low temperature and low turbidity；Algae removal
〇前言
随着城镇的快速发展及人民生活水平的改善，对供水的需求量及供水水质要求也在进一步提高，促使
新技术、新工艺和新设备在净水厂升级改造中 得到应用。净水厂升级改造的目标是在确保供水安 全及供水量的前提下，合理降低运行能耗，提高产水 率以实现节能节水[1]。其中虹吸浸没式超滤膜工艺 因其产水水质优良、电耗低[2]，在净水厂升级改造中 发挥了越来越重要的作用。
1工程概况
环湖水厂始建于2014年，占地2. 1万m2，原水 取自泰安市大河水库，原水浊度波动较大，暴雨时油 度激增，存在着季节性的藻类暴发现象，春秋季暴发 蓝藻、绿藻.冬季暴发褐藻，同时冬季原水还存在着 低温低浊现象。
环湖水厂初建时采用PV D F膜，该膜抗污染性 能较差，迄今膜污染已较严重，产水通量较小，导致 产水量不足，且采用抽吸泵抽吸产水，运行跨膜压差 达20〜40 kPa，进一步加剧了膜污染。膜经过清洗 产水量虽能短暂达到原设计产水量2万m3/d，但经 过一段时间后膜污染重新快速累积，导致大部分运 行时间内产水量无法达到设计产水量，实际日供水 量在1.2万〜1.5万m:i/d，不能满足用水高峰时水 量需求。冬季水温低时产水量不足问题更突出，冬 季实际供水量不足1万m V d。采用抽吸杲产水，运 行能耗较高，且由于抽吸泵已经达到扬程极限，损耗 严重，6台抽吸泵已有3台损坏，进一步增加了运行 成本。
鉴于上述情况，环湖水厂决定对膜车间进行升 级改造，提高产水量，同时摒弃泵抽吸产水的方式，采
用虹吸方式产水，实现节能。选择抗污染性能优 良、产水通量大的浸没式热法PV D F超滤膜，经过 长时间的中试实验，验证在环湖水厂原水水质波动 较大的情况下膜长期虹吸运行的效果.确定运行最 佳参数.最终形成了升级改造的技术方案。改造工程在原有的膜滤池上进行，没有新增占地面积，膜滤 池到清水池的虹吸水头为2 m，改造后设计产水量 为3万m V d。项目开工时间为2019年3月，项目 主体工程于2019年7月完工。
改造后环湖水厂的产水工艺流程如图1所示，原水依次进人絮凝池及斜管沉淀池进行絮凝沉淀，然后进人虹吸膜滤池，最后进人清水池消毒。同时 针对水源季节性藻类暴发的现象.可选择性启用前 加氯、加高锰酸钾、加粉末活性炭等预处理.减轻藻 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，更好地保障虹吸膜系统的运行。
P A C粉末活性炭
图I改造后环湖水厂工艺流程
Fig. 1Process of treatment process after transformation of
Muanhu Water Treatment Plant
2工程设计
2.1设计要求
处理规模3万m:7d，产水方式为虹吸产水.产 水率大于等于95%。产水水质指标要求见表1。
表1产水水质指标要求
lab. 1Requirements for water quality indicators
检测项目指标
浊度/N T U<0• 1
p H值 6. 5〜8. 0
大肠杆菌去除率/%99. 99
该边
菌落去除率/ %99.99
2.2工程改造内容
2.2. 1折板絮凝池
絮凝池容积为178 m3，两组并列运行。产水 3万m V d时停留时间约为17 min，水头损失为0.7 m。通过现场测试，将单侧絮凝池处理水量提
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升至700 m7h运行时，第一块折板被没过，因此加 高第一格絮凝池的折板〇.25 m，保持水流能够上下 折返。
2.2.2斜管沉淀池
斜管沉淀池容积为345 m3，两组并列运行，设 计产水量3万m3/d，表面负荷10. 6 m3/(m2.h)。为了适应水量增加及提高絮凝沉淀的效果.增加1 920 m m X300 m m X450 mm指型槽 12 个，增加 950 m m X300 m m X450 m m指型槽8个，增加过流 面积，降低斜管沉淀池表面负荷。
2.2.3虹吸膜滤池
拆除原有的膜组件、膜架等，对原有的6格膜滤 池进行原位改造。在原有产水管道上增加虹吸产水 旁路，安装D N400气动调节蝶阀，安装压力变送 器，根据膜滤池液位和流量智能化调节虹吸管路阀 门开度，虹吸管路上设有抽真空装置以维持真空度. 实现虹吸产水。单格膜滤池尺寸4.3 m X3.8 m，膜 设计产水通量为30 L/(m2*h)，单格膜池装填膜面 积7 638 m2。改造后单格膜滤池实景如图2所示。
图2单格膜滤池实景
Fig. 2 Image of single membrane tank
膜滤池采用热法PV D F中空纤维膜.膜结构电 镜图如图3所示。其结构特点是：断面为三维互穿 网络，非对称型孔结构.膜外表面孔径最小.从外向 内孔径逐渐增大.内表面孔径最大:3:。膜外表平均 孔径8 rnn.外表面小的孔径实现了高的截留精度，细小颗粒截留在膜的表面，而不进人内部结构，易被 清洗，经中试验证可以应对由于沉淀池负荷增大引 起的来水浊度的升高，从而保持稳定的产水水质；而 内表面大的孔径则实现了高的水通量。这种结构的 膜完全可截留藻类及微生物，具有在低压差下保持 高通量稳定产水的特性.最适于在低水头下的虹吸运行，特別是在冬季原水水温低的情况下仍能保持 较高的产水通量，同时具备较好的抗污染能力。
图3中空纤维膜SEM
Fig. 3 SEM of hollcm fiber membrane
2.2.4药洗系统
原系统未配备清洗药液中和系统，本次改造增 加了清洗药液中和系统，对膜滤池清洗药液中残留 的化学品中和处理，减少化学品排放危害。增加相 应的自控程序，实现药洗系统加药一清洗一中和全 流程的自动控制。
2.2.5自动控制系统
为了保证虹吸产水的稳定运行.环湖水厂改造 的同时对膜系统的自动控制系统也进行了升级改 造。自动控制系统包括膜系统、产水系统、气水反洗 系统、维护性清洗系统、恢复性清洗系统及完整性检 测系统等，其自动控制系统设置一个P L C总站、每 个膜池及公用设备有独立的PI丄'子站，通过以太网 进行连接。
在自动控制系统完善升级的同时，优化了运行 程序。自动控制系统通过先进的检测调控手段，对 膜的污染状况进行在线监控_实时调整膜的运行参 数及维护清洗方案，保证虹吸产水的稳定性。优化 产水步序.降低系统排水量，提高产水回收率。
3工艺及运行效果分析
环湖水厂的浸没式超滤膜工艺主要包括产水、气水反洗、曝气、维护性化学清洗与恢复性化学清洗 等流程。产水周期为1.5 h，反洗时间为100 s；维护 性清洗周期为45〜50 d：产水量达到设计产水量3 万m3/d，用水高峰期时产水量可达到3.5万m V d；膜滤池到清水池的2 m虹吸水头即可满足设计产 水量：运行跨膜压差为5〜12 kPa，维持在较低的水 平；产水平均回收率超过97%。
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图4跨膜压差
Fig. 4 Transmembrane pressure
从图4可以看出，在一个维护性清洗周期内，初 始运行跨膜压差为5〜6 kPa，当跨膜压差达到10〜12 k P a时.进行维护性清洗，经周期性的清洗.跨膜 压差能恢复到5〜6 kPa。综合来看，跨膜压差处于 较低的水平.说明虹吸膜系统运行稳定.膜污染程度 较轻•设计运行参数合理。环湖水厂升级改造后运 行一年多以来，由于膜抗污染能力较强，尚不需进行 离线化学清洗。
3.2日最局产水量
改造后环湖水厂日最高产水量随运行时间变化 如图5所示，根据每日用水需求情况，日最高产水量 为1 019〜1 601 m:V h，达到设计产水量3万m V d,
图6原水及产水浊度
Fig. 6 Turbidity of raw water and produced water 环湖水厂原水浊度波动较大，暴雨等极端天气 下原水浊度可攀升至42. 53〜124. 67 N TU，冬季低 温低浊时原水浊度一般为4.85〜13. 28 NTU。无 论原水浊度如何波动.膜滤池出水浊度一直维持在0.01〜0.08 N TU，大部分情况维持在0.05 NTU 以下。这表明在原水水质发生急剧变化.絮凝和沉 淀池负荷增大的情况下，产水水质亦能维持稳定，表 现出优
越的截留性能。
采用《生活饮用水标准检验方法》（GB/ T 5750. 4 —2006)检测水质指标，膜滤池出水中的浊 度、无机物、度、耗氧量以及细菌总数等指标均远 低于国标限值.未检出藻类及微生物，其余指标也优 于国标的要求。
最高峰时产水量达到3.5万m3/d。冬季实际产水 量能达到并超过3万m:7d。
曰期
图5日最高产水量
Fig* 5 Daily maximum water yield with running time
3.3产水水质
浊度是重要的水质指标。原水和膜滤池产水浊度均由在线浊度仪进行实时测试。改造后 工艺运行期间原水浊度及膜滤池产水浊度情况如图6所示。
工程运行以来，实现了不新增占地的情况下产 水量提高两倍以上，同时实现了虹吸运行。在冬季 原
水呈现低温低浊现象的情况下能保证产水量并保 持较低的跨膜压差；原水浊度在4.89〜124. 67 N T U范围波动时，产水浊度为0.01〜0.08 N TU，大部分情况下维持在〇.〇5 N T U以下，产水水质 优良。
经更换之后的热法PV D F超滤膜经周期性维 护性清洗后.跨瞋压差均能恢复到初始状态，在整个 生命周期内，运行所需虹吸水头均不会超过设计值。
3.1跨膜压差
跨膜压差指超滤膜产水过程中膜两侧的压力 差，是表征超滤膜运行状态的一个重要参数。在相 同的膜通量下，跨膜压差越低，表明膜的透水能力越 强。跨膜压差的大小决定了系统运行能耗的高低, 是膜水厂重点监测的参数。环湖水厂已改造的6格 膜滤池中，毎格膜池运行丁况稍有不同.以6#膜滤
池为例，对跨膜压差进行分析。图4为6#膜滤池 跨膜压差随运行时间的变化图。
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18
2018年冬季(改造前）■2019年冬季(改造后）
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15
时间/d
2025 28
图8
抽吸泵输出功率变化
Fig. 8 Output power of suction pump
在一个清洗周期内，抽吸泵频率由35 H z 逐渐变 化至45 Hz ，输出功率由6. 5 kW 变化至13. 5 kW ，在 一个清洗周期的后3天，由于膜污染累积严重，泵扬 程已到达极限，抽吸泵频率达到45 Hz ，输出功率达 到13. 5 kW ，此时只能通过维护性清洗重新恢复产 水通量。如短时间产水量较大的情况下，抽吸泵的 频率也会到达较高的数值。而冬季膜污染情况更为 严重，抽吸泵频率长时间保持在45 Hz 。
每台抽吸泵平均输出功率为10. 5 kW /h ，6台 泵年消耗电量为551 880 kW ，改造后的膜滤池利用 膜滤池与清水池之间的液位差进行虹吸产水，再无 泵抽吸的电耗，每度电按0. 8元计，则全年节约电费 约 441 504 元。1 2 3 4
5
6 7 8
9
10 11 12 13
周期
图7 4±t 膜滤池改造前后冬季产水置 Fig. 7 Water yield of 4 ^ membrane tank before
and after transformation 表2
抽吸泵频率变化
Tab. 2 Frequency variation of suction pump
时间第一周期 频率/Hz 第二周期 频率/Hz 第三周期 频率/Hz 第四周期 频率/Hz 第1天35. 235. 635. 435. 5第2天36. 336. 637.036.4第3天38. 638.839. 138. 9第4天40. 941.041.340. 8第5天45.045.045.045.0第6天45.045.045.045.0第7天
45.0
45.0
45.0
45.0
3.4膜污染情况分析
改造前采用泵抽吸产水，由于泵的吸力较大，水 中的污染物比较紧密地附着在膜的表面，形成致密 的滤饼层，反洗效果不好，膜污染严重，维护性清洗 周期为7 d 。改造后采用虹吸方式产水，跨膜压差较 小，膜表面形成的滤饼层较为疏松，经反洗之后污染 物大部分能除去，保持膜的污染在较轻的程度，维护 性清洗周期从7 d 延长至45〜50 d ，减少维护性清 洗和恢复性清洗的次数，降低了膜清洗费用。3.5改造前后冬季运行情况
改造前环湖水厂产水量无法达到原有的设计 产水量2万m 3/d ，在冬季原水呈现低温低浊时产 水不足的问题更突出.其原因是环湖水厂冬季水 温较低，水温最低达到3.2 °C ，水温降低，原水的 粘度升高，水透过膜的阻力增大；另一方面，环湖 水厂冬季原水呈现低浊特点，冬季原水浊度为4. 85〜13. 28 N TU ，絮凝沉淀效果差，导致膜污染 严重，跨膜压差增大。原有的膜滤池采取低通量 运行模式控制膜污染，导致产水量不足，无法满足 用水量需求。
以7天为一个统计周期，4 #膜滤池改造前后冬 季每个周期产水量平均值如图7所示。横坐标为每 年冬季从12月1日起至次年2月27日，每7天作 为一个统计周期，纵坐标为每个统计周期内的平均 产水量。从图中可以看出，改造前的2018年冬季 (2018年12月至2019年2月），4 #膜滤池产水量 为50〜65 m 3/h ，大部分时间维持在55〜60 m 3/h ，6 格膜滤池总产水量低于1万m 3/d 。改造后的2019 年冬季(2019年12月至2020年2月），4 #膜滤池 产水量大幅度提升，单格膜滤池产水量达173〜 231 m 3/h ，大部分时间为180〜210 m 3/h ，6格膜池 总产水量达到3万m :7d 以上，在冬季水温较低的 情况下可以满足用水量需求。4
经济效果分析
视频直播技术方案
4.1节能效果
改造前环湖水厂使用6台泵进行抽吸产水，每 台泵额定功率为18.5 kW /h ，对抽吸栗的频率进行 记录，统计2018年6月内的4个维护性清洗周期的 频率变化，如表2所示，相应的输出功率如图8
所示。
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