哈爾濱工業大學市政環境工程學院 李圭白 瞿芳術

1 城市飲水超濾水廠在我國的發展
將超濾用于城市飲水凈化是凈水工藝的一大進步。超濾能大大提高飲水的生物安全性；是最有效的固液分離技術，能獲得濁度遠低于0.1 NTU的用水；與其他水處理技術組合，能獲得高質量的飲水；是利用21世紀材料科學的最新發展來改造和提高城市飲水凈化技術的重要成果。超濾水廠近年來在我國形成了加速增長的態勢。到2013年底，規模＞100 m3/d的水廠數目遠超過300座，總體規模遠超過200萬m3/d，其中規模在1萬m3/d以上的超濾水廠已超過30座。
2 什么膜適用于城市飲水凈化
膜的品種和規格很多，但用于城市水廠的膜應滿足飲水凈化的要求。對城市飲水而言最主要的是飲水的安全性，即生物安全性和化學安全性，其中生物安全性是首要的。
水中致病微生物有病毒、細菌、原生動物等。用于城市飲水凈化的膜應能去除水中致病微生物，以提高飲水的生物安全性。水中致病微生物中病毒最小，其尺寸在0.02～0.45 μm之間。可用于城市水廠去除病毒的有超濾膜和納濾膜。用于城市水廠的納濾膜需進口，且能耗較大。所以超濾膜是目前用于城市水廠的主流產品。
對超濾膜孔徑和病毒去除率的要求。一般認為，超濾膜孔徑大于納濾膜的1 nm，小于0.1 μm。所以，有的超濾膜孔徑可能大于0.02 μm，不能完全截留病毒。只有孔徑不大于0.02 μm的超濾膜，才能將水中包括病毒在內的致病微生物有效去除，大大提高飲水的生物安全性，適于城市水廠采用。
2009年美國頒布的對水中病原微生物的指標要求見表1，其中病毒的去除率要求達到99.99%。我國《生活飲用水衛生標準》雖然尚未對水中病毒去除率提出要求，但國內外已有一些廠家能生產孔徑不大于0.02 μm的超濾膜，其病毒去除率可達到99.99%。所以要求用于城市水廠的超濾膜對病毒的去除率達到99.99%在技術上是可行的，并且膜價格并不比孔徑更大、對病毒去除率達不到上述要求的超濾膜貴。

根據城市飲水對生物安全性的要求，提出上述對超濾膜孔徑和病毒去除率的要求，是飲水區別于其他用水的一項重要特點，它將對用于城市飲水凈化膜材料的發展起重要引領作用。
3 低通量運行是超濾水廠發展的方向
膜通量和膜污染無疑是超濾應用中最重要的問題。膜通量就是單位膜面積上過濾水的流量，常以L/(m2·h)表示。膜污染就是在膜濾過程中膜阻力增加的現象。膜污染常區分為可逆膜污染和不可逆膜污染。通過物理方法(氣洗、水洗)可恢復的稱為可逆膜污染；物理方法不能恢復，只能通過化學清洗方法恢復的稱為不可逆膜污染。
膜通量與膜價格有關。膜價格高，設備投資很大，為降低設備投資，常采用高的膜通量。膜技術發展初期，膜價格很貴，所以采用高的膜通量，例如：數百L/(m2·h)。
膜污染與膜通量有關。一般膜通量愈高，能耗愈高，膜污染也愈迅速，需采用頻繁的物理和化學方法來清除污染，恢復膜通量，這不僅使膜運行費用增大，還使操作復雜，也影響膜的壽命；此外還存在清洗廢液對環境的污染，在其處理處置方面需加大投資。所以，高的膜通量只宜在小型設備中使用。
任何工程都要求技術上是可行的，經濟上是合理的。膜通量關系到工程的建設費，也關系到工程的運行費。膜通量越高，建設費越小，但運行費(電費、物理清洗費、化學清洗費等)便越高，反之亦然。使在資金償還期內建設和運行費之和為最低的膜通量，就是最經濟的膜通量，可稱為經濟膜通量（與管道中經濟流速的概念相似）。
隨著膜材料科技的發展，膜價格隨之降低，相應地設備投資也隨之降低，現已降至可接受的水平，從而開始在城市水廠規模化使用。如仍采用高的膜通量，運行費就會顯得過高。為了降低運行費，就要降低膜通量，以減小膜污染及能耗。所以隨著膜價格降低，降低膜通量將是一個大趨勢。
城市大型水廠處理水量大，常達數萬至數十萬m3/d ，特別要求能安全穩定地工作。水廠一旦因故停止供水，對城市生活影響極大，是絕對不允許的，所以對大型水廠工作的穩定性要求極高。
對膜的可逆污染的物理清洗(氣洗、水洗)與傳統砂濾池類似，易于操作和進行。對膜的不可逆污染的化學清洗一般有兩種，一種是維護性化學清洗，即定期以200～500 mg/L的次氯酸鈉溶液對膜浸泡數小時，以部分清除膜的不可逆污染，這種化學清洗雖稍復雜，但實踐表明仍可被接受。當對膜的維護性清洗進行多次仍不能防止膜污染過多積累時，就要對膜進行恢復性化學清洗。恢復性化學清洗涉及多種化學藥劑，操作復雜，特別是常使設備較長時間停運，對水廠的穩定運行影響較大。
在大型水廠中采用高通量，必須要對膜進行頻繁的物理清洗和化學清洗，對水廠穩定運行是不利的，也是不可取的。所以，對大型水廠，宜采用低通量運行策略，以減輕膜污染，減少物理和化學清洗頻率，有利于保證水廠的穩定運行。
對于城市大型水廠，我們關注的重點是膜的不可逆污染，因為它關系到對膜的化學清洗，會影響到水廠的穩定運行。
Feild R W發現，通量降至某低值時，膜的污染可降至零，稱為臨界通量。現已提出各種臨界通量的概念。筆者感興趣的是不可逆污染，并提出超濾膜不可逆污染為零的零污染通量的概念。采用能使膜的不可逆污染極輕或基本為零的通量(即接近零污染通量)，可以基本上不進行或極少進行對膜的恢復性化學清洗，將使超濾水廠滿足穩定運行的要求，并且操作大為簡化，十分有利于超濾在城市水廠的推廣和應用。
山東東營南郊水廠常規工藝升級改造，在濾后增設超濾單元（10萬m3/d），設計膜通量30 L/(m2·h)，現工作通量略高于設計值。膜組的氣水沖洗周期根據不同季節來調整，一般冬春兩季采用5 h，夏秋季節采用8 h一次。南郊水廠投產后，每年進行2~3次維護性化學清洗；并于投產后3年零8個月進行第一次恢復性化學清洗，于4年零7個月進行第二次恢復性化學清洗，表明膜的不可逆膜污染是相當輕微的。
綜上所述，超濾通量選擇的重要影響因素有：膜工程的建設費用、膜工程的運行費用、膜工程運行的穩定性。目前在工程投標中存在只重視建設費，忽視運行費和穩定運行的傾向，結果膜工程投產后造成運行費過高，不能穩定運行等不良后果。國外膜一般價格較高，常采用提高通量的方法來降低建設費以中標，結果有運行效果不佳甚至失敗的案例。對于大型城市水廠，運行的穩定性至關重要，宜采用接近零污染通量的工藝參數。在我國現有體制下，城市水廠特別要求降低運行費用，也宜采用較低的膜通量。
我國90%以上的現有水廠仍采用傳統水處理工藝，面臨升級改造。用超濾技術對傳統工藝進行升級改造，將是超濾應用的一個重要方向。用超濾取代砂濾池，并能利用原工藝的過濾水頭(2~3 m)而不設加壓設備，將使改造方案更加經濟可行，這就要求采用低水頭低通量的膜濾技術。
當用柱式超濾膜(外壓式或內壓式)時，常采用較高的膜通量。其優點是由于可為柱式膜提供較大的工作水頭(0.1 MPa左右)，從而使物理清洗(氣洗、水洗)周期較長，頻率較低，可在物理清洗中節能節水。但它的缺點是用于膜濾的能耗較高(遠大于物理清洗中的節能效果)；其次，由于采用了較高的通量，膜的不可逆污染會加重，從而使化學清洗周期縮短，頻率增加，繼而增加運行費用，運行的穩定性降低，所以柱式膜采用較高通量并非是最佳選擇。
柱式膜采用較大的膜通量，可能是源于對壓力濾池和重力濾池過濾特征的傳統觀念。一般重力濾池的工作水頭為2~3 m，而壓力濾池的工作水頭為5~10 m，所以壓力濾池采用較高濾速也能使濾池工作周期處于常規范圍。但壓力濾池只存在濾層堵塞現象(相當于可逆膜污染)，氣水反沖洗即可恢復其過濾能力；相反地，超濾則不僅有可逆膜污染，還有不可逆膜污染，僅靠氣洗和水反沖洗無法完全恢復膜的過濾能力，而需要定期進行化學清洗，極大地影響超濾的穩定運行，這是兩者的根本差別。所以，以傳統觀念看待柱式膜和浸沒式膜的差別，將會造成設計缺陷，影響超濾的推廣和應用。
4 降低超濾工程建設費用的若干新思路
有些人認為，超濾是一項好的凈水技術，但膜價格太貴。其實，這是一種誤解！據統計，超濾凈水工藝建設費單價為250～300元/(m3·d)，與常規工藝或臭氧—活性炭深度處理工藝相當。
我國大型水廠(＞5萬m3/d)應用超濾凈水技術迄今只有5～6年。隨著膜產業的發展，膜性能不斷提高，膜價格不斷降低，膜工程建設費還會不斷降低。降低膜工程建設費，對超濾在城市水廠中的推廣應用顯然十分重要。
據分析，目前工程中超濾膜組件的費用一般只占工程總費用的一小部分(約為30%)。例如，膜價格即使降低20%，整個膜工程的建設費只不過降低6%，貢獻是很少的。所以有必要探討設計中降低除膜組件以外的其他費用的途徑。
膜工程中除膜以外的其他費用有配套管件和閥門、機電設備、計量檢測儀表和裝置、電控系統和設備、膜池膜架和廠房等。以下可能是降低其他費用的有效途徑：增大膜堆單元的容量，減少膜堆單元的數量；簡化超濾工藝；超濾工程設備化；超濾工程模塊化設計；超濾工程無廠房化等等。
4.1 增大膜堆單元容量、減少膜堆單元數量
每個膜堆單元，都需要全部配套設備和裝置，例如一般需設置6個閥門(進水、出水、排水、水洗、氣洗、藥洗)甚至更多、水量計量和控制裝置、水位水壓計量裝置、真空系統及裝置、水質檢測系統及裝置、斷絲檢測裝置、配電自控系統及裝置等等。水廠膜組單元愈多，配套的設備和裝置也愈多，建設費也會愈高。
一般一支柱式膜的膜面積最大不超過40～60 m2,對大型水廠需要的柱式膜常達數百甚至數千支；數十支膜柱組成一個膜堆單元，膜堆單元數可達數十個，其配套的設備和裝置數量也會相當多。例如，國內某大型30萬m3/d膜水廠，使用柱式膜，僅閥門就有五百多個，平均每萬m3/d有閥門近20個。
浸沒式外壓膜的膜堆單元容量可以設置得比較大。現國內一個浸沒式膜堆單元的膜面積可達15 000 m2，膜堆單元的處理水量可達1萬m3/d，只需設置6個閥門，與柱式膜比較減少了數倍。
增大膜堆單元的容量，減少膜堆單元及其配套設備和裝置的數量，不僅可以降低建設費用，并且也提高了運行的安全性。
從降低膜工程的建設費用和提高運行的安全性兩方面綜合考慮，中、小型水廠比較適宜采用柱式膜，大型水廠比較適宜采用浸沒式膜。
4.2 簡化超濾工藝
為了控制不可逆膜污染，超濾膜的零不可逆污染通量會越來越多的在生產中使用。如能采用零污染通量或接近零污染通量運行，則在膜使用壽命期間可只進行維護性化學清洗，而不進行恢復性化學清洗，從而使工藝設計得到一定程度地簡化，并使清洗廢液無害化處理也得以大幅降低。
據研究在采用低通量運行策略條件下，對超濾膜同時進行氣洗和水反洗并非一定是必要的，如能只采用一種(如水反洗)方式，則也可簡化工藝。
將超濾與前處理有機結合，形成一體化(如將超濾膜置于澄清池清水區)，則若干工藝操作可同時進行(如將膜反洗與澄清池排泥結合進行)，使整個工藝系統得到簡化。
目前采用普通的中空纖維膜的問題之一是斷絲，為此需設置檢測斷絲的系統和設備。現已可制作出加筋結構的中空纖維膜，從而使斷絲率大大降低，這樣就有可能簡化檢測斷絲的系統和設備。
4.3 膜工程設備化
我國城市飲水凈化工程以及城市污水處理工程多年來一直大量使用鋼筋混凝土建造池體等工藝構筑物，被歸于土木工程學科之一。這是由于建國后很長一段時間，我國鋼鐵產量比較低，價格較貴，為節省鋼材，采用了鋼筋混凝土結構。現在，我國鋼鐵產量世界第一，價格不貴。鋼筋混凝土構筑物則需現場施工，耗費人力大，工作條件差，施工時間長，且易受氣候、環境等因素的影響，特別是近幾年我國人力費用上漲數倍，使得鋼筋混凝土構筑物建設成本大幅上升，現已接近或超過鋼結構，所以現在已到了以鋼結構替代鋼筋混凝土的轉變期。
膜工程采用鋼結構，可實現膜工程設備化，走上工廠制作，現場安裝的現代化建設道路。工廠制作可以利用工廠的現代化裝備，不但速度快，質量高，且可全年生產，不受氣候、環境等因素的限制。現場安裝，可實現機械化，施工時間短，耗費人力少，成本低，且能保證質量。
現已有小型超濾水廠集裝箱化的實例，將全部設備在工廠裝于一個集裝箱內，運至現場落地就位，即可投產。
北京水司2014年建成一座4萬m3/d超濾水廠，將超濾膜與澄清池有機結合成一體構筑物，采用鋼結構池體，實現了工廠制作現場安裝，現場安裝只用了80天即行投產，是萬m3/d以上規模膜水廠現代化建設的一個范例。
4.4 膜工程模塊化設計
新建膜工程的處理水量一般是逐年增加的，而常規設計都是一次建成，建設費用都是一次性投資。
膜裝置是由若干膜堆單元并列組裝而成。每個膜堆單元的工作具有相對獨立性，所以膜工程的膜堆單元數可以隨著處理水量的增加逐步增加，即在膜工程中可采用模塊化設計的方法，每個模塊由若干膜堆單元構成，隨著處理水量的增加，相應地建設新的模塊，從而減少初期建設費用的投資。
膜工程的設備化更有利于模塊化設計。過去，以鋼筋混凝土凈水構筑物為主的水廠，因其需現場施工，工程施工場地大，輔助建筑多，施工周期長，難以實行分期施工分期投產，故常采用一次性建成的方案。而以鋼結構為主的膜工程，采用工廠制作現場安裝的方法施工，則便于實行分期施工分期投產，為模塊化設計和建設創造了條件。
超濾與前處理能有機地實現一體化，則使模塊化設計和建設更具生命力，更便于推廣應用。
4.5超濾水廠無廠房化
我國現有超濾水廠絕大多數都建于室內，車間廠房凈空高，體積大，建設費用較大。如能實現無廠房化，則可大大降低膜工程建設費用。國內外石化企業、化工企業等，不論處于熱帶或寒帶，大都建于室外，所以在該工業領域，無廠房化已經是一個成熟經驗，值得借鑒。
我國除東北、西北等高寒地區外，采用常規處理工藝的水廠的絮凝反應池、沉淀構筑物、濾池等一般皆建于室外，只是濾池的控制系統和機電設備置于室內。這個無廠房化的經驗也是值得推廣到膜工程中去的。
5 結語
我國大、中型超濾水廠開始建設至今不到十年，但呈加速發展態勢，超濾水廠的設計仍是一個新課題。我國超濾水廠基本上是以借鑒國外的設計和運行管理經驗為主。國外的超濾水廠，過去因為膜價格高，所以大多是在高通量的條件下提出的設計和運行經驗。隨著膜價格的降低，低通量運行將是今后發展的方向；而低通量運行存在有別于于高通量運行的特點，這是值得探索的。將超濾用于城市飲水凈化，應能結合我國的國情，發展出具有我國特色的超濾工藝設計，這是需要創新性思維的。
超濾水廠的設計，需要在實踐中不斷總結經驗，提出問題。以上只是針對我國超濾水廠設計建設中的部分問題提出了一些新思路，僅作拋磚引玉，供大家討論和參考。