市政给水厂集约型压力式超滤膜设计

1.1 工程背景

某水厂现状供水规模3.5万m3/d，厂区占地面积约5 000m2，采用“混合絮凝池-气水反冲滤池-清水池”净水工艺。原水取自附近水库，水质满足《地表水环境质量标准》Ⅲ类水标准，现状原水和水厂出厂水浑浊度和有机物含量均不高，但是目前水厂仅有简单的常规处理工艺，且处理设施老化，应对水源水质突变能力弱，供水水质存在安全隐患。此外，水厂的实际供水量已超过设计供水规模，处于超负荷运行状况。为了实现水量及水质的双重提升，需对水厂进行扩容改造，提高水厂产水规模至6万m3/d，并增设深度处理设施，工程总投资约10376.78万元。

1.2 工艺流程

本工程是在原厂址进行的扩容改造工程，厂区面积较小。为应对原水浊度、色度、有机物、藻类、微生物等问题，提高水厂抗冲击负荷能力，确保水厂出水水质安全可靠，并结合水厂用地限制条件，本工程设计采用管式静态混合-折板絮凝斜管沉淀-超滤的超短流程处理工艺，整个流程最终达到水质处理目标［在满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749）的基础上，满足当地相关出水水质指标标准，其中出厂水浊度≤0.1 NTU］，降低健康风险和改善饮用水口感。

1.3 分期建设过程

本工程扩容改造过程中需保证3万m3/d的安全供水规模，因此，结合厂区用地条件，本工程需进行分期建设：

（1）一阶段。拆除厂区现状附属设施，新建3万m3/d生产线，施工期间现状滤池、清水池保持运行，供水规模为3.5万m3/d，满足改造期间供水安全。一阶段建设过程如图1和图2所示。

图1 一阶段附属设施拆除示意

图2 一阶段建设工程平面布置

（2）二阶段。拆除厂区现状滤池、鼓风机房等水处理设施，新建3万m3/d生产线，一阶段新建设施可保证供水3万m3/d；改造完成后，供水规模达到6万m3/d。二阶段建设过程完成后，给水厂平面布置如图3所示。

图3 二阶段建成后给水厂平面布置

1.4 超滤膜系统设计难点分析

本工程需在原厂址实现不断水改扩建，用地条件十分紧促，因此，本工程超滤膜系统设计主要存在以下难点：

（1）平面受限。如图3所示，本工程场地狭窄，一、二阶段工程均是在有限平面空间内完成，超滤膜系统平面布置会受到很大影响。

（2）高程受限。超滤膜系统需下叠清水池，需与现状清水池高程匹配，超滤膜系统高程布置会受到影响。

（3）功能复杂。如图3所示，厂区无多余用地来建设加药间，因此，超滤膜车间中还需增加给水厂加药及储药功能。

2.1 超滤膜系统比选

超滤膜有压力式和浸没式两种，浸没式超滤膜具有跨膜压差小、运行能耗低、节省能耗、抗污堵能力强、单格膜池规模大、一段膜回收率高、系统阀门设备配置少等优点，劣势在于土建工程复杂、化学清洗药剂用量多、车间环境较压力式膜车间稍有不足等；压力式超滤膜系统具有可利用跨膜压差的范围宽、膜通量大、土建相对简单、膜车间整齐美观、化学清洗药剂用量少等优点，劣势在于运行压力大、能耗高、单个膜堆规模小、分组多、对进水预处理要求高、系统阀门设备配置多、膜堆的互换通用性相对较差等。本工程推荐采用压力式超滤膜。

2.2 超滤膜系统设计参数

超滤膜车间共设2座，单座设计规模3万m3/d。

本工程日常情况下，原水水质较好，但是遭遇台风或强降雨等恶劣天气时浊度峰值较大；此外本工程采用“静态管式混合-折板絮凝斜管沉淀-压力式超滤膜”的短流程净水工艺，设计膜通量不宜过大，因此，本工程超滤膜系统设计通量取60 L/(m2·h)，最大运行通量≤70L/(m2·h)。单座膜车间设膜堆6组，呈单行布置。单个膜堆设72支超滤膜组件，立式安装，每支超滤膜组件的有效面积≥52m2。采用PVDF中空纤维膜，膜孔径为0.1μm，最大跨膜压差为0.15MPa，设计产水率≥95%。

2.3 超滤膜车间整体布置

本工程超滤膜车间含超滤膜系统、厂区明矾/次氯酸钠/氢氧化钠投加系统及原料储存间；其中超滤膜系统分为8个子系统，分别为超滤装置主系统、原水提升系统、预处理系统、物理清洗系统、化学清洗系统、空气动力系统、中和系统、膜完整性检测系统。单座超滤膜车间下叠清水池1座，有效容积约1 000m3。为了克服超滤膜系统所受厂区面积、清水池高程和超滤膜车间功能的影响，本工程创新设计了一种上行下给式集约型超滤膜系统，具体设计如下文所述。

2.4 集约型超滤膜系统设计

2.4.1 设置上行下给式进水系统，节省平面空间

在常规超滤膜系统中，进出水系统布置具有以下特点：

(1) 提升泵出水管及自清洗过滤器位于超滤膜系统一侧，如图4所示。

(2) 进水管分布于膜堆侧边（图4）或膜堆下方（图5），然后通过向膜堆均匀布水。

(3) 产水管位于膜堆下方。

图4 常规压力超滤膜车间布置（一）

图5 常规压力超滤膜车间布置（二）

因此，常规超滤膜系统布置方案中，进水系统会占据较大平面空间。

本工程由于受限于厂地面积，无法按照常规方案布置超滤膜系统进水系统，因此本工程创新地设计了一种“上行下给”式进水系统，从平面进水改为竖向进水，向空间要规模。所谓“上行下给”式进水系统，即是在超滤膜堆上方设置管廊层，提升泵出水总管先上升到管廊层，自清洗过滤器及配水管均设置于管廊层，在管廊层完成配水后，向下输送至每个膜堆，如图6所示。

图6 上行下给式压力超滤膜系统布置

2.4.2 优化管廊层管道布置，方便运行维护和检修

为了方便日常巡检，本工程化学清洗管、化学清洗回流管、反冲洗水管、反冲洗气管等均布置于管廊层。其中，2座超滤膜车间共用化学清洗管和化学清洗回流管，利用管道支架，架设于高处；反冲洗水管、反冲洗气管采用支架固定于地面；随后，化学清洗管、化学清洗回流管、反冲洗水管、反冲洗气管从上而下连接超滤膜组，管道集中至膜组件末端（如图7所示），提高美观性。此种管道优化布置方式，在管廊层形成内外两侧巡检通道，如图7所示。

图7 管廊层管道布置

2.4.3 清水池、反冲洗泵房、中和池合理布置，充分利用下叠平面空间

如图8所示，本工程超滤膜车间下叠清水池。在保证清水池有效容积和停留时间的前提下，本工程利用清水池作为反冲洗水泵吸水井，并排布置反冲洗泵房；另外，中和池设置于角落，方便中和池的循环与排放；中和池与清水池相交处采用双壁板设计，安全保障。清水池、反冲洗泵房、中和池合理布置，充分利用下叠平面空间，克服厂区平面受限带来的影响。

图8 清水池、反冲洗泵房、中和池平面布置

2.4.4 合理布置各功能单元，充分利用建筑内面积

为满足超滤膜系统布置要求和厂区加药和药品储存功能，本工程1#超滤膜车间设置地上两层半，地下一层，由下至上合理布置各功能单元：地下设置清水池、中和池和反冲洗泵房，布局合理紧凑；地上一层布置超滤膜系统进水池、提升泵房、超滤膜组件、鼓风机房和加矾间；地上二层设置高、低压配电间、管廊层、化学清洗间，并预留吊物孔，方便阀门设备等起吊；三楼设置设备控制间及超滤膜系统化学药品储存和投加间。2#膜车间设置地上两层，地下一层，超滤膜系统布置相同，但是2#膜车间二层设置有中控室、化验室、水质仪表间，变频器室等辅助设施，并设置化学储药间，储存和投加厂区所需的次氯酸钠和氢氧化钠。两座超滤膜出车间布置如图9、图10所示。

图9 1#超滤膜车间剖面

图10 2#超滤膜车间2层平面布置

2.5 集约化超滤膜系统设计效果分析

工程投资方面，1#膜车间设计规模3万m3/d，工程总投资1643.06万元，吨水投资约547.69元；2#膜车间设计规模3万m3/d，工程总投资1730.84万元，吨水投资约576.95元。

本工程集约型超滤膜系统具有以下几方面特点：

（1）有效降低超滤膜车间的占地面积。对现有压力式超滤膜车间占地面积进行统计，结果发现：在调查的多个压力式超滤膜车间中，由于膜通量不同，导致面积指标也无法直接比较。本工程引入与膜通量相关的相对面积指标，统一将面积指标换算为膜通量为70 L/(m2·h)时进行比较，以反映压力式超滤膜系统面积指标与生产规模、占地面积及膜通量的关系，即：相对面积指标=实际面积指标×设计膜通量÷70。根据各水厂相对面积指标可知，在设计膜通量为70 L/(m2·h)时，本工程相对面积指标仅为111.15m2/（万m3/d），相对其他压力式超滤膜车间，节地效果显著，如表1所示。

表1 压力式超滤膜系统面积指标对比

（2）克服清水池高程问题，充分利用地下空间。本工程因厂区面积受限，需在超滤膜车间下设置清水池，增加水厂清水池调蓄容积。传统超滤膜系统布置方案中，管廊常常布置于膜组件下方；本工程上行下给式集约型超滤膜系统设计，可减少超滤膜系统对地下空间的占用，减小超滤膜车间地下深度，从而与现状清水池高程匹配。

（3）超滤膜系统检修维护方便。本工程将超滤膜系统重要阀门均设置于二层管廊层，并优化管廊层管道布置，形成管廊层内外双检修通道，方便日常的检修和维护。

本工程自通水以来，出厂水水质符合《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）及当地相关出水水质指标标准。

3.1 对浊度的去除效果

根据对2018-2021年三年原水浊度分析，原水浊度变化较小，最小值为0.93 NTU，最大值为4.56 NTU，平均值为2.35 NTU，但是2020年6月份最高浊度达到13.50 NTU，存在突发性升高的现象，导致出水出现浑浊情况。本工程建成通水后，水厂原水平均浊度为2.36 NTU，出厂水浊度平均值为0.03 NTU，去除率达到98.73%。

3.2 对CODMn的去除效果

原水CODMn在0.72~1.92mg/L，平均值为1.42mg/L，总体耗氧量较低；但2020年6月耗氧量也达到了3.36mg/L，存在突发性升高的现象。本工程建成后，超滤膜滤后水CODMn在0.58~1.05mg/L，平均值为0.91mg/L，净水工艺对CODMn的平均去除率为35.92%。

3.3 对微生物的去除效果

对超滤膜出水微生物指标进行每日检测，结果表明：本工程超滤膜出水中大肠菌群均未检出，细菌总数只有两次结果为1 CFU/mL，其余检测结果均为0。

（1）针对水厂扩容改造的用地问题，本工程采用了“管式静态混合器-斜管沉淀池-压力式超滤膜+清水池”的短流程净水工艺，出水水质可满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749）和当地相关出水水质指标标准，出水平均浊度为0.03 NTU、CODMn为0.91mg/L、氨氮0.11mg/L，处理效果稳定，供水安全性高。

（2）针对超滤膜系统平面受限、高程受限、功能复杂的难题，本工程创新设计了一种集约型压力式超滤膜车间，通过设计上行下给式超滤膜进水系统，有效解决了超滤膜系统面积受限难题；并通过优化管廊层布置、充分利用下层空间布置清水池、反冲洗泵房和中和池、合理利用上层空间布置各功能单元等措施，实现超滤膜车间的集约化设计。

（3）本工程压力式超滤膜车间相对面积指标仅为111.15 m2/（万m3/d），节地效果显著，可解决厂区面积受限时压力式超滤膜车间的布置问题。