超滤在市政海水淡化工程中作为预处理的工艺设计

颜廷文，周丹

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津300381）

1 引言

我国淡水资源形势不容乐观，被联合国列为世界上13个贫水国之一。青岛市是我国北方沿海严重缺水城市之一[1]。青岛市水资源短缺是一个长期存在的问题，高度依赖客运水、地下水过度开采和淡水资源短缺。对于沿海地区及岛屿，利用丰富的海水资源建设海水淡化项目，是解决水资源短缺的有效途径[2]。

2 工程概况

2.1 设计规模及进出水水质

1×105m3/d的青岛海水淡化工程（以出水量计算），进水水质为：总溶解固体30 200 mg/L；氯化物16 600 mg/L；氨氮0.059 mg/L；钾375 mg/L；钠9 033 mg/L；镁1 200 mg/L；钙400 mg/L；铁0.50 mg/L；总悬浮物10 mg/L。

本工程产品水直接进入工业用水管网，供应大型工业用户。本工程产品水水质要求为：反渗透产水需满足氯离子含量小于0.004%，pH6.5～7.5。

2.2 工程预处理工艺

预处理可以减少清洗次数，延长反渗透膜的使用寿命，降低海水淡化过程的能耗和维护成本。本工程采用超滤作为海水淡化的预处理工艺。

超滤的原理是通过压力驱动实现的净化过程，其中低水分子重量物质穿透膜,而微粒、胶体、高分子和病原体被过滤掉。膜的孔径通常为0.001～0.1%μm。经膜处理的出水SDI（淤泥密度指数）小于1～3，尤其对于出水水质稳定、大水量的处理，比传统的过滤器占地面积及层高的大幅度降低更能显现其优越性。

3 超滤工艺在本工程中的设计

3.1 设计参数

超滤处理工段共设置30组膜组件，其中2组备用，全部膜组件分为2个系列，单独运行。每组膜组件设有2套膜架，每组膜组件设置136个膜元件，工程设置共设置膜元件3 808个。超滤膜组件的具体参数列于表1。

表1 超滤膜组件参数表

系统中设置了网式自清洗过滤器，保证了超滤膜系统的安全稳定运行。自清洗过滤器共14台，每台处理量600 m3/h，过滤精度100%μm，并能实现自动清洗。

3.2 超滤膜组设计运行流程

超滤膜组的稳定工作涉及多种程序，设计中需考虑各种运行状态的切换，通过各种管道、阀门与膜组件的连接实现状态对接。管道的空间布局错综复杂，如图1所示。

图1 膜组件剖面管道图

3.2.1 正常过滤产水设计程序

原水通过超滤进水泵自进水池进入超滤进水主管，然后通过自动清洗过滤器输送到膜组件。原水进入膜丝内部并透过超滤膜，经产水总管进入反渗透（SWRO）进水及超滤（UF）反洗水池。超滤系统工作方式为死端过滤，膜丝内腔在正压驱动下收集产水，悬浮物、胶体等杂质将被拦截在膜丝外部。

超滤系统开启超滤进水阀和超滤产水阀，关闭其他自动阀门，采用连续过滤的形式，工作时间约为20～60 min。

正常过滤进水产水设计工作状态各管道流向如图2所示。

图2 进水/产水设计工作状态轴侧图

3.2.2 水反洗程序

反洗与过滤的水流方向相反，打开超滤反洗阀、上排阀，关闭其他自动阀门，开启反洗泵。中空纤维膜丝的产水端转移到超滤的产水端。因为水从相反的方向通过中空纤维膜，反冲洗水冲走了膜外表面的污染物。反冲洗时间取决于具体情况，通常是20～60 s。

3.2.3 气、水反洗程序

在反冲洗水洗的同时，从进水口通入一定的压缩空气，让其通过中空纤维膜丝的进水侧表面，超滤产水从中空纤维膜丝内部压出，通过压缩空气与水的混合震荡，冲走膜外表面的污染物。清洗时间一般20～60 s。

3.2.4 排污程序

当下排气阀打开时，排气阀保持开启状态，其余阀门关闭并通过下部排放阀排放膜组件中的污水。

3.2.5 正冲程序

开启超滤进水阀、上排阀，关闭其余阀门，利用原水使膜表面产生切向加速度来冲刷膜污染的沉积物，以增强反洗的效果。

3.2.6 化学清洗外循环

打开化学清洗进水阀、化学清洗循环阀，关闭其他自动阀门，开启化学清洗泵，采用正冲化学清洗药剂循环回清洗水箱的方式，清洗时间一般为30 min～1 h。

3.2.7 化学清洗液排空

开启化学清洗排空阀、排气阀，关闭其他自动阀门，通过化学清洗排空阀将膜组器和管道内的化学药剂排出。

3.2.8 恢复性清洗和维护性清洗

1）恢复性清洗

在连续过滤膜设备系统中，一般3～5周进行化学清洗，一般采用普通的次氯酸钠等水处理剂进行杀菌处理。

NaClO清洗：用0.03%～0.3%的NaClO水溶液清洗40～60 min。NaClO清洗适用于微生物污染。

稀酸清洗：用pH=2的硫酸溶液清洗40～60 min。硫酸清洗适用于无机污染。

2）维护性清洗

过程与恢复性清洗一致，清洗过程稍短一些，使用低浓度药剂。维护性清洗通常1次/d。

3.2.9 超滤膜组件的完整性检测

气泡观察法：在膜组件中充满水，关闭上排阀，在组件进水侧缓慢压入压缩空气，逐渐提高注入空气的压力。当产水侧有气泡时，对应的压力值为气泡点压力。如果泡点压力小于0.1 MPa，表明膜组件有泄漏点。

压力衰减方法：将膜组件注满水，打开出水阀，关闭上排水阀。在组件的进水侧缓慢注入压缩空气，逐渐提高注入空气的压力至100 kPa。压力稳定时，关闭进气阀。静止保压10 min。如果10 min后压降小于0.3 MPa，显示膜组件的完整性；否则，膜组件有泄漏点。

4 结语

超滤系统工艺技术采用气水双洗方式，配套管路阀门、自清洗单元、加药单元等，成为一套完整系统。本工程超滤设计运行包括：正常过滤产水、水反洗、气水反洗、排污、正冲、化学清洗外循环、化学清洗液排空、恢复性清洗和维护性清洗过程等。

超滤作为海水淡化工程反渗透工艺的预处理，可去除全部的悬浮物、细菌、大部分胶体与非溶解有机物。与传统过滤器相比，具有出水水质稳定、处理水量大、层高低的优点，保证了后续反渗透系统的稳定运行。