超滤膜工艺用于泥布湾污水处理厂中水工艺改造

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【摘 要】 随着需水量的增加以及再生水利用水质标准的提高，泥布湾污水处理厂需对原有中水处理单元进行改扩建，主要是对原有纤维球过滤系统升级改造，用超滤膜工艺代替。

【关键词】 中水 超滤膜 工艺

随着人口的增长、经济的迅速发展以及城市化进程的加速和人民生活水平的提高，用水的需求量在迅猛增长，青岛作为一座缺水城市，对中水等城市再生水的需求也日益迫切，泥布湾污水处理厂中水系统的升级改造有着重要的社会意义。

1 工程背景

泥布湾污水处理厂位于青岛经济技术开发区南城区，规划处理规模为10万吨/日，其中一级A标准出水8万吨/日，中水出水2万吨/日。2007年建设了中水一期工程，原中水处理工艺采用隔板絮凝+斜管沉淀+机械过滤工艺，处理构筑物主要包括配水井、斜管沉淀池、机械过滤系统、清水池及二级提升泵房。设计规模为2万m3/d，其中土建规模为2万m3/d，部分设备规模为1万m3/d，预留位置。

1.1 水量要求。随着中水水供水管网的不断完善，泥布湾污水处理厂服务范围内用户逐步增多，中水供水量逐年上升，水量不足的情况逐步显现，因此需对水厂进行扩建。

1.2 水质要求。从2002年起，相继颁布了一系列再生水利用的国家标准，包括《城市污水再生利用分类》、《城市污水再生利用 城市杂用水水质》、《城市污水再生利用 景观环境用水水质》、《城市污水再生利用 工业用水水质》、《城市污水再生利用 地下水回灌水质》、《城市污水再生利用 农田灌溉用水水质》随着这些标准的颁布实施，对再生水利用的水质要求也逐步提高，泥布湾污水处理厂中水工艺及出水水质无法稳定达到相关标准要求，需要对工业系统处理工艺进行升级改造。

2 工艺改造方案

2.1 原有中水工艺。

2.1.1 进水水质。中水处理单元的进水为前续污水处理工艺的出水，即《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B标准的水质。pH=6～9；CODCr≤60mg/L；BOD5≤20mg/L；SS≤20mg/L；氨氮≤8（15）mg/L；总氮≤20mg/L；TP≤1mg/L。

2.1.2 出水水质。再生水处理单元的设计出水用于城市道路冲洗，绿化浇洒及非接触性河道景观用水，水质达到《城市污水再生利用 城市杂用水水质》的要求。pH=6～9；CODCr≤50mg/L；BOD5≤10mg/L；SS≤1mg/L；浊度≤0.2NTU；油≤3mg/L；粪大肠菌群数≤3个/L。

2.1.3 工艺流程。

2.2 改造工艺。

2.2.1 工艺选择思路。根据目前厂区内污水处理的运行情况，二沉池出水水质除SS等指标外，均已经达到一级A排放标准，为着重去除SS、浊度等出水指标，本次中水工艺选择超滤处理主体工艺。

2.2.2 中水处理工艺介绍。中水处理工程采用超滤膜作为过滤单元的主体工艺，从中去除细菌、微生物和悬浮物等杂质，净化后的水清澈透明，浊度近于零。

超滤膜的过滤原理。

超滤是一种利用较低的压力驱动并按溶质的分子量大小来分离和过滤的一种物理分离过程，不发生相变。超滤膜的孔径大约在0.002至0.1μm范围内（切割分子量约为1000～500000Da）。溶液中比膜孔径小的物质将通过滤膜，不能通过滤膜的物质被截留在浓缩液侧。因此产水（透过液）将含有水、离子和小分子量物质，而胶体物质、大分子物质、颗粒、细菌、病毒和原生动物等将被膜截留，通过浓缩液的排放、反冲洗和化学清洗而去除。超滤膜可使用普通的化学药剂进行清洗并可以反复使用。

超滤膜分离产品从形式上分为中空纤维、管式、卷式、平板式等，从材质上分 PP、PE、PS、PES、PVDF、PAN 等多种。这些膜产品能够具备优异的分离能力 ， 是和它的结构及材料密不可分的。中空纤维膜是分离膜的一种重要形式，它具有下列主要特点：

过滤精度高：中空纤维膜的截留孔径为0.2～0.03微米，可去除水中大部分的悬浮颗粒杂质，特别在污水再生回用技术中细菌总数的去除率可达到99.99%，大肠菌群去除率可达到100%。

填装密度大：在单位体积膜元件中，中空纤维膜的有效膜面积最大，过滤分离效率最高，从而大大减少了膜过滤设备的占地面积，节约了土建工程的费用，减少了投资，降低了运行成本。

过滤压力低：采用中空纤维分离膜的过滤设备，具有极低的运行压力，通常运行压力为0.05～0.08Mpa，从而降低了能耗，减少了投资，降低了运行成本。

易清洗：由于中空纤维膜的结构为单皮层，因此，中空纤维膜可以进行反冲洗及化学清洗。在膜的清洗方式中反冲洗无疑是清洗效果最好的膜清洗方式，采用这种清洗方式可获得最好的清洗效果，可使膜性能得以最大限度恢复，从而延长膜的使用寿命，减少运行操作的劳动强度，降低运行费用。

可维修：中空纤维膜元件是由几千根或上万根中空纤维丝组装而成，一旦有个别纤维丝损坏，可以通过一定的方法检测出来，并对膜元件进行修复，经过修复的膜元件可以继续使用，而对分离效果没有任何影响。

与PE、PAN、PES等膜材料相比，PVDF膜材料具有优良的耐氧化剂性能，其耐氧化剂（耐余氯可达4800000ppm·h）的能力是PES等材料的10倍以上，可以保证膜材料在不同环境条件下能够正常使用。PVDF材料与PES等材料相比，其耐受氧化剂清洗的能力更强。因而便于清洗，污堵后经过清洗可以能够更好的恢复性能并长期保持通量稳定。

因膜的污染系数与水通量成正比，合理的水通量可以使超滤膜在反洗、气洗的过程中获得较好的恢复，过高的水通量将会难以恢复膜的通透性，降低膜的使用效率及寿命。

膜的微观结构

超滤膜通常由表面一层非常薄而致密的皮层和该皮层底下多孔的支撑层构成。致密皮层为功能层，起到过滤和截留污染物的作用。根据制造和成型工艺不同，致密皮层可在膜丝的内表面（内压式）或外表面（外压式），或者内外表面（这种结构为双皮结构）。普通水处理用超滤膜多为单皮层结构，双皮层结构通常用在超纯水的制备上，切割分子量在10000Da左右，小分子如果透过一侧皮层，进入膜孔内部时，有可能被另一侧皮层截留，从而保证产水的水质。

膜丝结构

中空纤维超滤膜有内压膜和外压膜两种膜丝结构，相比来讲外压膜比内压膜具有以下特点：①膜的比表面积大于内压膜，相同条件下产水量更大；②所形成的组件流道宽阔通畅，不易污堵，抗冲击性更强；③污物附着在膜的外壁，反向冲洗容易脱落，容易排出；④可以采用气水双洗，减少自耗水用量，提高产水率

2.2.3 工艺流程。

3 工艺对比

目前在污水处理和中水处理上常用的过滤工艺有纤维球过滤、砂滤池、彗星式纤维滤料过滤器、连续膜过滤等。

纤维球过滤器内部装填的滤料是由化学纤维制成的纤维球滤料。在过滤过程中，纤维球滤料受到自上而下的水流的压力而被压缩，使纤维球滤层的空隙变小，越往下部压缩，程度越大，从而造成整个滤层的空隙大小沿水流方向由大变小，比较符合理想滤料的情形。纤维球过滤具有纳污容量大、工作周期长、滤速高、反冲洗彻底等诸多优点。

高效砂滤池基于对深层过滤机理的深刻理解，对普通快滤池进行大胆革新，设计出全新的砂滤工艺，在出水浊度得到保证的前题下，过滤速度和滤层的纳污容量均增加一倍以上，使得滤池的占地面积和总投资大幅下降。

彗星式纤维滤料为一种不对称构形过滤材料，一端为松散的纤维丝束，称“彗尾”，另一端为比重较大的实心体，称“彗核”，彗尾纤维丝束固定于彗核内，整体呈彗星状。彗星式纤维滤料的不对称结构使得其兼有颗粒滤料和纤维滤料的特点。

彗星式纤维滤料与使用常规滤料的过滤器相比，彗星式纤维滤料过滤器有如下几个特点：

（1） 过滤器可在滤速10～100 m/ h 的范围内运行。

（2） 适应原水悬浮物浓度范围10～100 mg/L。

（3） 彗星式纤维滤料过滤器的突出特点是对原水水质水量变化的适应性较强。

连续膜过滤（CMF）系统是专为中水处理回用、反渗透和纳滤预处理项目、和浊度比较高的物料处理而使用的膜过滤单元。该CMF系统采用具有独特结构的高抗污染型中空纤维膜元件和独特的气水双洗工艺技术，特别适用于过滤城市污水经生化处理后的排放水，从中去除细菌、微生物和悬浮物等杂质，净化后的水清澈透明，浊度近于零。

4 工程改造的限制条件及解决措施

由于泥布湾污水处理厂地处市区繁华地段，周边无多余的土地可利用，此次改扩建工程尤其是核心工艺的改造受到了较大限制 为解决用地问题，此次改扩建充分优化设计方案，利用现有设施进行改造，以节省占地利用结构的相似性，选用连续超滤膜对原有机械过滤工艺进行改造 在不增加占地的条件下实现了对主工艺的升级改造此次改扩建在原有厂区内进行，实现了不征用土地实施改扩建工程的目的。

5 结论

泥布湾污水处理厂中水改扩建工程紧密结合原水厂实际情况，深入研究优化各工艺设计方案，方案合理可行，实现了提高水量水质的目的，为我国再生水给水处理传统过滤工艺改造和新建水厂提供了示范和借鉴。