ZeeWeed?浸没式超滤膜在大型自来水厂的应用
罗 敏
（GE水处理及工艺过程处理，北京 10004）
摘要 低压膜过滤系统已经在自来水厂的新建和升级改造中得到广泛的应用。本文介绍了低压膜过滤系统的特点，并对各种形式的低压膜：内压式和外压式、压力式和浸没式进行了深入的分析与比较。浸没式膜系统在大、中型自来水水厂的独特优势，决定了它将是大型低压膜法系统的发展方向。结合ZeeWeed?浸没式超滤膜的特点，探讨了浸没式超滤膜系统的组成部分和各组成设备的关键设计因素，并介绍了ZeeWeed?浸没式超滤膜在全球的典型应用案例。 关键词 浸没式超滤膜 自来水 ZeeWeed 低压膜过滤系统 设计因素 案例
1 低压膜过滤技术的现状与发展
自来水公司面临更大需水量和更严格标准日益增加的挑战。中国老化的水基础设施存在扩大规模的压力，并且难以满足现在和将来的水质标准。随着自来水公司开始改造传统水处理系统以扩大规模，满足更严格的标准，低压膜系统正变得越来越普及。
低压膜包括微滤膜和超滤膜，是一种高级的过滤技术，只能去除水中的颗粒物和微生物，如贾第鞭毛虫和隐孢子虫。所以需要与其他工艺相结合才能更好的解决饮用水的安全卫生问题（见表1所示）。
表1 基于不同污染物的低压膜预处理工艺 参数 颗粒物、微生物： 浊度 原生动物 细菌 病毒 有机物： TOC 消毒副产物前体 色度 嗅和味 农药 无机物： 铁和锰 砷 硫化氢 注：PAC是指粉末活性炭。 微滤（MF） 无 无 无 混凝 混凝/PAC 混凝/PAC 混凝/PAC 混凝/PAC PAC 氧化 混凝 氧化 超滤（UF） 无 无 无 无 混凝/PAC 混凝/PAC 混凝/PAC 混凝/PAC PAC 氧化 混凝 氧化
低压膜如超滤、微滤多采用中空纤维膜，具有最高的膜装填密度，处理效率高，成本低，是低压膜系统的首选型式。中空纤维膜按进水水流方式不同可分为外压式和内压式，按膜系统制造方式不同可分为压力式和浸没式。 1.1外压式与内压式的比较（见图1所示）
（1）外压式：系统进水从中空纤维膜丝的外部由外向内通过膜产生产品水（进水在外，产品水在内），所以水流通道没有被固体悬浮物阻塞的风险。对压力式膜而言，纤维间死角易导致堵塞，不易清洗，一般外压式膜厂家会采用有效的端头配水方式解决这个问题。
（2）内压式：系统进水从中空纤维膜丝的内部由内而外通过膜产生产品水（进水在内，产品水在外），无死角，适于水质良好的原水。但如果来水水质较差，则较外压式膜而言抗污染能力差，且需要更严格的预处理；此时一般可考虑选择内压式毛细管膜（膜丝内径较中空纤维膜丝粗，通常大于1mm）错流过滤或外压式膜。
注：该论文已发表于?给水排水?, Vol. 35, No. 12, 2009: 17-22
产品水 产品水 （出水）
进水 原水 (a) 外压式 (b) 内压式 图1 外压式与内压式中空纤维膜
1.2 压力式与浸没式膜系统的比较 （1）压力式
将大量的中空纤维膜丝装入一圆柱形压力容器中，纤维束的开口端用专用树脂浇铸成管板，配备相应的连接件（包括进水端、产水端和浓缩水端）即形成标准膜组件，通过不同数量的压力式膜组件并联即组装成膜系统，见图2所示。
（a）压力式膜组件 （b）压力式膜系统
图2 压力式膜过滤系统
（2）浸没式
浸没式膜组件包括固定在垂直或水平框架上的中空纤维膜、设在框架顶部和底部的透过液集水管。每个集水管包含有一层密封膜丝的专用树脂，使得膜的内腔与管道相连以收集产品水，因此浸没式膜组件只有产水端一个连接点。几个或几十个膜组件通过两个硬直角管将其集水管相连接，同时将它们位置固定，形成一个膜箱。周期性反冲洗和平缓温和的空气擦洗可以减少膜面的浓差极化，这种运行方式对应于低的膜污染速率。若干个膜箱并联浸没在膜池中组成一个膜列，若干个膜列并联组成不同处理规模的膜处理系统，见图3所示。
（a）浸没式膜组件 （b）浸没式膜系统
图3 浸没式膜系统
与传统的压力式膜过滤不同，浸没式膜是在较低的负压状态下运行使用，利用虹吸或泵抽吸方式将水由外向内进行负压抽滤（如图4所示），实现低跨膜压差(TMP)、适度膜通量的平稳
运行的直流式全量过滤，这使得其整体能耗成本低于压力式膜过滤，一般在0.03-0.06kW?h/m3之间。这主要表现为：
① 膜压差沿中空纤维膜长度方向均匀分布，在膜的进水一侧没有压降损失；
② 抽吸模式的运行对膜压差和膜通量施加了一个明确的限制，使其保持在过滤曲线的恒压控制区。
进水 产水
排水
空气
图4 浸没式膜操作原理
从系统设计上，浸没式膜可被直接浸入到需要处理的水中，因此系统的占地面积非常小。这也就给现有处理厂的改造提供了条件，可以将膜安装到现有的澄清池或滤池或其它水池中，所以浸没式膜系统无论对新建还是已建处理厂的升级都非常理想：即同样的占地面积下，出水水量提高2-4倍，同时保证优质的产品水。使用成列的浸没式膜流程中需要很少的泵、风机和阀门，在进水泵处，使用配水渠将水输送到各个流程池中，减少了水头损失，使水以重力流形式流动。普通的反冲洗设备也可以使用，这减少了占地面积，降低了系统的复杂性，减少了投资和费用。
表2 压力式与浸没式膜系统的比较 系统 过滤 方式 膜材料 预处理要求和抗污染能力 操作 压力 膜寿命 安装 方式 压力式膜 密闭式系统设计 内压式或外压式设计，为直流式和错流式过滤 PES，PS，PVDF，PVC 单根内压式膜组件装填密度高，过流通道小，要求复杂的预处理，抗污堵能力差 采用较高压力过滤(0.035-0.3MPa)，能耗高。通过压力调节可应对工艺波动或进水水质、水温变化的影响。 膜的使用寿命相对较短，视不同膜材料和制造方法而定。 压力式膜需要安装在密封的压力容器内，系统需要更多和复杂的连接件及阀门。 浸没式膜 开放式系统设计 外压式过滤设计，为直流式过滤 PVDF，PVC 单根膜组件装填密度中等，过流通道宽，只要求简单的预处理，抗污堵能力强 采用虹吸或低压真空抽吸(0.02-0.03 MPa)，能耗较低。 占地面积 适用处理规模 膜的使用寿命相对较长，视不同膜材料和制造方法而定。 浸没式膜只需要安装在土建或金属钢池中，只需要少量的连接件及阀门，方便增容或老水厂改造。混凝土池体价格便宜并耐腐蚀，更适于建设项目需要40~100年的使用期。 大 小 33单套系统最多仅能达到4000－8000 m/d 单套系统产量可到40000m/d以上, 非常适合大的处理规模。对于大型水厂，系统会变得型水厂建设。膜分离法的技术优势通过规模效比较复杂。适合中、小型处理规模的水应得到进一步显示。 厂。膜组件构型是压力式膜规模效应的制约因素。 注：PES：聚醚砜；PS：聚砜；PVDF：聚偏二氟乙烯；PVC：聚氯乙烯
总之，压力式与浸没式膜系统各有优势与适用领域，其技术比较见表2所示。从低压膜发展趋势而言，浸没式膜将是低压膜过滤技术的发展方向。根据表2的比较分析可见，对于大、中型自来水水厂的新建或改造升级，浸没式膜系统显示了其独特的优势，将是最佳实用的低压膜法饮用水净化工艺。
2 ZeeWeed?浸没式超滤膜过滤系统的工程考虑
为了满足不同进水水质（如悬浮物、有机物）和预处理工艺的处理需要，GE开发出两种级别的ZeeWeed? 超滤(UF)膜产品：ZeeWeed?500 和ZeeWeed?1000，见图5所示。ZeeWeed?500采用加强型膜丝，具有无比的耐受性和使用寿命，适用于复杂波动的高悬浮物水源；ZeeWeed?1000采用高效膜组件和膜箱设计，具有最小的占地面积和生命周期成本，适用于低悬浮物的水源（如地下水、地表水及三级处理），是滤池升级改造和大型膜过滤系统的最佳选择。
?
a) ZeeWeed500 膜箱 b) ZeeWeed1000 膜箱
图5 ZeeWeed?浸没式超滤膜
?
ZeeWeed浸没式超滤膜系统包括预处理系统（自清洗过滤器，或强化混凝或粉末炭）、膜池、膜箱、产水泵（反洗泵）、鼓风机和化学清洗系统。典型工艺流程如图6所示。
进水
膜列膜列膜列 膜列 1 2 3 4
浸没式超滤膜池 膜箱
排水 反冲洗进水 P P P P 产水泵
清水池
图6 ZeeWeed?浸没式膜系统
在正常运行过程中膜系统生产透过液（产水），原水通过进水管和进水控制阀进入膜池。膜浸没在膜池中的原水中，透过液泵从膜内侧将水负压抽吸过膜壁。每个膜列的所有膜箱产生的透过液通过透过液泵收集到共用的透过液抽吸管后，再到所有膜列共用的透过液母管中，最后进入下一步的处理。
进水中固体物质积累在膜的表面，会逐渐增加跨膜压差（TMP）值。反洗过程可以去除膜表面的固体物质，从而使TMP恢复到前一个产水周期中TMP值。多数反洗是每天进行的，有助于保持TMP且延长清洗周期，降低平均能耗。反洗过程包括将透过液反向透过膜、曝气擦洗膜去除沉积物，防止它们沉积在膜表面，并且将膜池中的液体排到废液池或污水管。在反冲洗时，空气进入了超滤膜箱的底部在超滤膜的表面形成紊流，上升中的气泡擦洗并清洁超滤膜丝的外表面，提高超滤膜的处理效率。然后，重新将进水注入膜池，开始产水。产水还需周期性
?
地停止以对膜进行化学清洗，以去除膜的有机污染或是结垢物质。恢复性清洗的频率根据处理厂的水质和运行条件而变化。
当浸没式膜系统越来越普及，很有必要了解该系统的组成和运行，并注意支持系统或配套设备的设计。尽管膜系统设计的重点是与膜有关的参数，比如膜的种类、纤维数、膜元件配置、通量和性能等。成功的膜系统的真正挑战是系统运行所需配套设备的设计。成功的设计离不开由设计院、膜供应商和最终用户组成的小组，该小组保证一体的设计，考虑系统水力条件、整个水处理厂、现场约束条件、规范要求、成本、运行、维修、系统冗余以及膜系统成功运行所需的其它条件。膜系统配套设备包括泵、鼓风机和空压机等，负责日常运行，包括过滤、反洗、清洗和完整性测试等工艺过程。表3列出ZeeWeed?浸没式超滤膜系统的组成部分和各组成部分的关键设计因素。
表3 浸没式膜系统组成部分和关键设计因素 膜系统组成部分 进水 关键设计因素 渠道或管道进水 调节阀控制进入各膜池的流量 原水过滤器 膜通量 回收率 运行与清洗周期 抽吸方式 冗余性（N-1，N-2，??） 完整性测试 池型结构 池子材质 池子涂层 池子尺寸 母管 隔离膜池的阀门 泵材质和密封 泵的配置 相对于膜池的位置 能力（适应膜池的扩充） 扬程（适应变化的水头损失） 汽蚀余量 抽真空 变频控制 反洗泵的材质和配置 反洗水源 反洗水排放 空气擦洗系统 清洗溶液转移泵的材质和配置 清洗水源和水量 药液的排放 化学中和的位置 药剂的储存和投加 空压机的类型 压力衰减测试的频率 法规要求 取出和替代池中膜箱的能力 膜系统设备维修的空间 影响因素 系统布置 进水控制 进水水质 出水水质 系统运行与管理 系统灵活性 系统可扩展性 水力 配水，反冲洗，在线化学清洗，排水 成本 耐久性 能力 防腐蚀 汽蚀余量 建筑物尺寸和布置 过滤时产生的空气携带量 超滤膜 膜池 产水泵 反洗系统 清洗系统 同时进原水和反洗水的能力 利用透过液母管减少泵扬程 排放反洗水至水厂前端 鼓风机放在单独的房子内减少噪音和振动。 循环/排空泵的多种用途 在膜池中中和溶液的能力 排放药剂溶液到下水道。 膜完整性系统 上层结构 满足1个膜系列内膜箱完整性测试的空气储存量 完整性测试所需时间 相邻完整性测试之间的时间间隔。 膜车间净空高度 3 典型工程案例分析