大庆油田超滤膜净水厂工艺设计要点浅析(王玉国-20140314)

1、大庆油田超滤膜净水厂工艺设计要点浅析王玉国，陆宏宇（大庆油田水务公司，黑龙江省大庆市 163451）摘 要：结合大庆油田水务公司实施的深度处理工程，并在研究国内外成功案例的基础上，从超滤膜的过滤方式和材质的选取、膜通量和回收率的确定、原水水质和水温对基本参数的影响、超滤膜系统设计计算等方面总结了净水厂超滤膜系统设计的关键技术。同时还阐述了超滤膜系统设备材料选型以及超滤系统软件功能的实现，可为今后国内超滤膜水厂的设计应用提供参考。关键词：净水厂；超滤膜；工艺设计中图分类号：TU991.24 文献标志码：B 文章编号：1673-9353（2014）02-doi:10.3969/j.issn.167

2、3-9353.2014.021 工程背景 为满足生活饮用水卫生标准（GB 57492006）要求，大庆油田水务公司投资11.07亿元实施深度处理工程，分别在中引水厂、西水源、南二水源和东风水厂建设超滤膜及系统配套深度处理工程，水厂净水工艺流程为原水预处理常规工艺强化臭氧生物活性炭超滤。我国市政净水厂超滤膜技术的规模化设计建造的工程经验和技术总结很少，尚无成熟设计规范1。笔者结合该工程经验，在研究国内外成功案例和技术规范的基础上，初步总结了净水厂超滤膜系统设计的关键技术，以期为超滤膜水厂的设计应用提供参考。2 超滤膜系统设计的关键技术2.1 超滤膜过滤方式和材质的选取国内外有较多专门从事膜技术研

3、发和生产的技术公司，超滤膜材质主要有PVDF（聚偏氟乙烯）、PP（聚丙烯）、PVC（聚氯乙烯）、PES（聚醚砜）、PS（聚苯乙烯）和CA（醋酸纤维素）等2。超滤过滤方式分为连续压力式和浸没式，大庆油田水质提升工程采用的是中空纤维膜压力式超滤膜。删除了原图1,并对后续图号进行了修改。2.2 膜通量和回收率的确定膜通量直接决定了工程所需的膜面积和设备造价，系统回收率决定膜面积、膜前预处理和进水泵的规模等。工程中选择超滤膜时除了考虑膜通量以外，还需要评价膜压力或所需真空度、膜化学清洗周期、膜老化破损情况和临界膜通量等。工程设计要求在任何运行条件下膜通量均应小于该膜的临界膜通量值，否则，机组运行中的频

4、繁冲洗和化学维护势必造成系统出力下降及运行成本增加。当然，选择过小的膜通量也会造成工程造价的大幅度提高，因此，临界通量的确定值必须通过较长阶段的中试试验才能确定。该工程中试试验周期为1年，临界膜通量的确定应遵循以下原则：保证物理清洗周期长于30 min；CEB周期大于7天；CIP周期大于30天，CEB过程的CT值小于7 000。根据试验结果，最终确定的膜通量（临界膜通量）比各膜制造商提供的通量值下降10%20%。同时，由于严格控制了物理清洗频次，系统回收率均在95%以上。2.3 原水水质和水温对基本参数的影响2.3.1 水质该工程超滤系统的设计进水条件为：常规处理砂滤池出水经臭氧-活性炭滤池处

5、理后的水质。同时也必须考虑如下水质条件：进水温度为227 ；低水温期（进水温度为210 ºC）为150180天；pH值为79；进水浊度正常情况下1NTU，特殊情况下3NTU；进水CODMn正常情况下3 mg/L，特殊情况下5 mg/L；原水余氯：0.5 ppm；锰含量：0.1 mg/L；铁含量：0.3 mg/L；当原水超越臭氧活性炭滤池时，进水来自常规处理砂滤池出水或者活性炭滤池出水含有的细小碳粒携带微生物会对膜丝造成影响。2.3.2 水温水温对膜通量的影响很大。温度降低，水的粘度增大，膜通量迅速降低。高、低温时膜通量相差较大，在不具备中试试验的条件下，可以采用温度补偿通量辅助计算复

6、核膜系统设计规模，但这种方法无法模拟极低水温条件原水物理特性的复杂变化，模拟数据不具备参考意义。该工程位于中国高纬度高寒地区，低温期长达5个月，极低水温期达2个月（水温低于4 ），通过5个月的低温期运行试验，获得了膜通量随时间变化的曲线。在此基础上，充分调研预测水厂全年供水需求规律，通过多次复核计算确保满足全年的供水需求。2.4 系统设计计算超滤膜系统设计计算通常采用以下公式计算1： 产水流量：Qc=Qj+Qfw； 所需膜面积：A=Qc/（J×）； 在线因子：=Tj/Tz×100%； 膜组件数：m=A/Am； 系统膜组或膜池总数：n=m/mn； 系统进水规模：Qt=Qc+Q

7、zw=Qj+Qfw+Qzw 系统总回收率：R=Qj/Qt×100%。式中Qc为产水流量，m3/h；Qj为系统净产水流量，m3/h；Qfw为反冲洗流量，m3/h；Qzw为正冲洗流量，m3/h；Qt为膜系统原水进水流量，m3/h；A为设计膜面积，m2；J为设计膜通量，m3/(m2·h)；为在线因子；Tj为膜净运行产水时间，等于总运行时间减去正反冲洗和其他的停运时间，min；Tz为总运行时间，min；m为膜组件数，支；Am为单位膜组件的膜面积，m2；n为系统膜组或膜池总数；mn单位膜组或膜池内膜组件数；R为系统总回收率，%。2.5 总体工艺布局 优秀的超滤膜净水厂讲究管路合理、配

8、水均匀、流程短、能耗低,同时兼顾整洁美观1。膜组的布置力求管路最省，方便检修和拆运膜柱。布置重点除了膜组布局外，就是管道敷设，建议设置管沟或专门管道层，以方便施工和维护。辅助设施既要靠近主生产线，又要有隔离，减小噪音及注意美观。 该项目的超滤车间均采取上下两层的工艺和土建布局。二层是超滤膜的膜堆组件，一层是管道阀组间、电缆及桥架、提升泵和水池、加药系统、化洗系统、中和系统、废水池、化学药剂池、空气动力等公用配套系统。功能分区和布局合理，管理便利，美观大方。2.6 总体控制要求 超滤车间中控室设上位操作员站1台，工程师站1台，数据服务器1台（含22英寸显示器），并开发相应的超滤装置运行智能分析软

9、件系统，超滤车间中控室还需配备网络打印机、UPS电源等附属设备。超滤车间设PLC 1套，采用热冗余配置，组成双机热备系统，下设若干远程I/O站，其中：每个辅助工艺系统设一个远程I/O站，每2个超滤膜堆设一个远程I/O站。本地I/O站通过工业以太网相连，整个超滤车间的远程I/O站通过工业以太网相连组成环网，该环网通过PLC柜内的光纤交换机与超滤车间中控室操员站、工程师站、数据服务器和整个厂区工业以太网光纤环网的连接，以实现远程I/O站、超滤车间PLC、中控室操员站、工程师站、数据服务器和厂区监控系统的数据通讯。每个远程I/O站对应一个操作触摸屏，实现操作人员对膜堆和对应子系统的现场操作2.7 超

10、滤膜处理主系统 超滤装置主系统是超滤工艺的核心部分，若干超滤膜组件集成于框架内组成超滤膜堆，多个超滤膜堆在自动化系统的统一控制下构成相对独立的超滤膜处理主系统。带压原水进入超滤膜处理主系统后，经过超滤膜的过滤处理，水中的细菌、藻类、胶体及悬浮颗粒等物质被截留去除，水质得到了净化处理。2.7.1 膜组件工程中所用超滤膜组件必须与承包商中试试验所用的超滤膜型号一致，每只膜组件均设置手动隔离阀，可实现膜组件单独隔离和拆卸。此外，还需配备取样阀，能够对膜组件单独取样检测。膜组件间连通管须为膜厂家成型配件形式，不建议采用现场加工预制安装，材质要求为UPVC或亚光式不锈钢管材。应考滤和预测膜寿命期内的能力

11、自然衰减。这种预测应包括以下内容：每年运行通量衰减值（Q）；每年运行跨膜压差升高值（P）；每年膜断丝率（b）；每年物理及化学清洗周期、历时、药剂浓度的变化。2.7.2 超滤膜堆 超滤膜堆是由若干膜组件集成于一个框架内，可独立运行的系统。该工程中所有水厂采用相同形式的膜堆配置，即膜堆为模块式配置。应结合原水水质状况，保证在年最低水温等最不利条件下，单个膜堆日均净产水量不低于设计产水量，同时应考虑后续试运行及在膜使用寿命担保期内的性能衰减，对于膜堆中膜组件数量的配置应保证必要数量的备用。 综合考虑膜堆反洗的阀门动作速率要求和膜堆件均匀配水的需要，膜堆的进水采用气动glob调节阀或设置电动调节阀串联

12、气动开关阀两种方式，膜堆出水和反冲洗进水设气动阀，气动阀须设置合理的速率和运行阻尼，保证在反冲洗操作和再次投入过滤运行过程中，不会对膜组件产生振动和背压冲击。 膜堆的进水采用气动glob调节阀或设置电动调节阀串联气动开关阀两种方式。 膜堆清洗中的废水排水可根据水质特点，通过阀门自动切换分别向中和池及废水排放池排放。 每个膜堆均需配备在线压力监测、在线流量监测等必要仪表。 每个膜堆均具备在线完整性检测功能，在线完整性检测自动进行且耗时小于5 min。 每个膜处理系列须配备在线颗粒计数仪，可实现对该系列膜堆的定期巡检。 为便于检修，膜堆中所有气动阀门均须具备手动操作机构。2.8 膜组物理清洗系统

13、物理清洗系统是对超滤装置主系统的膜堆进行物理清洗的辅助系统。该系统由反洗水池、反洗泵、鼓风机（外压膜）及其仪表、管路、阀门等配套设备组成。物理清洗包括水反洗、气水反冲洗、正向冲洗低压气体表面擦洗（外压膜）等过程。反洗水泵将超滤出水提升加压后由超滤产水管进入系统，带压清洗水或气水脉冲将膜表面的污染物冲洗出系统，也可以在反洗后用正向冲洗将反冲洗中膜表面脱落的污染物带离系统，膜元件的通量得以恢复。超滤反冲洗水为超滤膜滤后水。反洗水池设置液位计及进水电动阀，系统运行时能够根据液位信号控制进反洗水池进水阀门的开关，保证反洗水池液位稳定在一定范围，同时在反洗水池中设置液位开关进行极限高低液位保护。 物理清

14、洗以膜堆为单位顺次进行，可由超滤车间PLC发出的反冲指令，自动依次轮流启动在线的反冲洗泵、鼓风机。若干膜堆共用一路清洗母管。每路反洗进水（气）母管对应2台反洗泵或鼓风机（1用1备）。每台反冲洗泵、鼓风机（若有）均采用变频控制。为控制物理清洗的强度及计量反洗水量，反洗母管设电磁流量计、压力传感器，系统可根据反冲洗流量或反冲洗压力设定值自动调节反冲洗泵的频率。2.9 化学清洗系统化学清洗系统是对超滤装置主系统内的膜堆进行在线化学清洗的重要辅助工艺系清洗（CIP）。化学清洗由系统控制全自动运行，其中维护性化学清洗可根据设定过滤周期和运行排队机制自动进行，恢复性化学清洗可在系统达到设定化学清洗时间或跨

15、膜压差达到系统设定值时进行报警，开始清洗。化学清洗可以根据运行需要人为介入，其中维护性化学清洗在现场控制柜半自动一键执行；恢复性化学清洗药液配制和清洗过程可分别在现场控制柜半自动一键执行。化学清洗系统设计应充分考虑其安全性，如药剂贮存、管路的耐腐蚀、人员操作防护、通风设施、事故应急处置措施等等。化学清洗系统由加药装置、清洗液循环装置、化学药剂贮存装置、以及配套的管路、阀门、仪表和控制系统组成。化学清洗工艺过程分为维护性化学清洗（CEB）和恢复性化学清洗。3 超滤膜系统设备材料选型3.1 管道与管材 膜系统中各种管道材质的选择取决于内部流动液体的腐蚀性、操作压力、温度和配件价格等。该工程超滤系统

16、膜堆端配管全部采用316L不锈钢材质，化学清洗系统中输配高浓度化学溶液的管路采用PVC-C材质，化学清洗液浓度低于200 ppm以下的输配管路也可采用PVC-U或HDPE材质。3.2 阀门配置超滤膜系统上阀门配置设计需要注意以下几点：避免超滤膜系统阀门数量太多，膜组上阀门开关频繁；阀门开关速度要快，反冲洗历时12 min，阀门启闭时间最好小于5 s；由于膜组需要化学清洗，故阀门应具有耐腐蚀性。综合考虑膜堆反洗的阀门动作速率要求和膜堆件均匀配水的需要，膜堆的进水采用气动glob调节阀或设置电动调节阀串联气动开关阀两种方式，膜堆出水和反冲洗进水设气动阀，气动阀须设置合理的速率和运行阻尼，以保证在反

17、冲洗操作和再次投入过滤运行过程中，不会对膜组件产生振动和背压冲击。为防止破损膜对系统出水产生污染，某些公司的膜组件中直接内置了反压自动隔离阀。因此，对于没有内置自动隔离阀的膜组件，工程设计中应考虑设置手动隔离阀。3.3 水泵和风机设计 超滤膜系统进水泵或产水泵配置有3种模式：若干柱状膜组对应1套进水泵组；1组柱状膜组对应1台进水泵；1个浸没式膜池对应1台过滤泵。 该工程中采用的若干柱状膜组对应1套进水泵组的模式如图1所示。该模式适用于一个化学清洗周期内设计膜压差和临界膜压差相差较小的情况。进水泵压力维持在一个基本稳定值，受化学清洗顺序影响，每组膜的污染程度不同，若要控制单组膜产水量，需调节单组

18、膜进水或产水阀门，造成能量浪费；若不调节阀门，产水量相差大，在相同反冲洗强度前提下，难以控制膜组均在最佳合理运行工况下，产水量大的膜组反冲洗强度不够，产水量小的膜组回收率低。图1 若干柱状膜组对应1套进水泵组的模式1组柱状膜组对应1台进水泵的模式如图2所示。该模式主要适用于设计膜压差和临界膜压差相差较大的情况。膜组所需的压力和流量可以调节，但设备较多。 图2 1组柱状膜组对应1台进水泵的模式以下对膜系统所用的主要水泵和风机选型作简要说明2。 若干柱状膜组对应1套进水泵组模式的进水泵：该泵需提供较稳定的水压，通常采用离心式水平中开泵，配置变频措施，该泵效率高、运行可靠。有时也采用卧式端吸泵和立式

19、涡轮泵，水泵曲线应较平缓，当1组膜进入反冲洗时，流量的降低不会引起压力的迅速增大。 1组柱状膜组对应1台进水泵模式的进水泵：该泵需提供单组膜需要的变化幅度较大的压力和流量，应配置变频措施。国内外工程中用得最多的是卧式端吸离心泵及卧式水平中开泵等，若水泵会接触到膜组的化学清洗药剂，则水泵材质和密封应考虑防腐。所选水泵变频曲线需满足膜组预期存在的运行工况，主要有最大跨膜压差下的最大流量、平均跨膜压差下的最大设计流量和最小跨膜压差下的平均流量。 膜组错流过滤循环泵：若需错流过滤，1组柱状超滤膜组设1台错流过滤循环泵，通常采用卧式端吸泵，不锈钢材质，能短时间接触化学清洗溶液。循环泵一般不设变频，通过设

20、在膜出口的阀门偶尔调节流量。该泵通常采用机械密封，不推荐采用填料密封。 反冲洗泵：该泵运行启动非常频繁，设计启动频率需低于水泵限制的启动频率。为提高回收率，一般设置变频装置。若在反冲洗管路上设计投加化学药剂加强反洗效果，则水泵材质和密封圈需考虑防腐。 化学清洗泵：该泵一般采用卧式端吸耐腐蚀泵，将可能用到的化学清洗溶液资料递交给泵生产厂商，以选择合适的型号和材质。 风机：膜系统中主要运用到风机的地方有气动阀门供气、柱状膜气冲洗（由膜供货商决定是否需要）、膜气擦洗和膜完整性测试等。除外压膜或浸没式膜气擦洗采用鼓风机外,其余一般采用空压机。空压机通常选择无油空压机。空压机出口安装冷干机、过滤器等，确

21、保供气干燥清洁，若压缩空气将直接接触膜表面，则建议采用疏水性薄膜过滤器，以防止油污污染。空压机后根据用途配套各自的压缩空气储气罐，用于气动阀门供气的储气罐容积应满足膜系统大量阀门的开关需求，用于柱状膜气冲洗的储气罐储气量通常至少满足连续两组膜组反冲洗用气量。此外，还应单独设置膜完整性测试用储气罐。风机选用要综合考虑膜系统气洗瞬时的最大气量和擦洗压力、出口温度对膜的影响、运行噪音、气体杂质等因素。在这些因素中，应优先考虑膜元件对气体温度的耐受程度和气体中油污和杂质对膜的污染，一般选用罗茨风机或无油双螺杆风机。3.4 完整性测试系统 确保膜的完整性需通过相关监测手段和膜完整性测试试验进行，总结国内

22、外各种膜完整性判断方法主要有以下8种：出水浊度监测；出水颗粒计数器监测；出水颗粒检测仪监测；微生物监测法；充气保压衰减检测；进口充气监测出口渗水量法；声波测漏法；充气观察气泡法。以上各种方法，前3种为在线监测，后5种为离线检测方法。该工程膜系列采用颗粒计数在线间接检测，每个膜堆配备气体流量检测装置进行定期在线巡检。3.5 超滤控制系统3.5.1 配套仪表为了能实时、准确、可靠地检测、显示超滤装置工艺各系统的物理参数及便于与控制系统的连接和维修管理的方便，系统配套仪表应选用精度高、稳定性好、带现场液晶显示单元的智能仪表。仪表的安装附件及传感器与转换器的连接专用电缆等有关配件均应配套供应。仪表支架

23、、仪表保护箱等安装附件应同仪表一齐配备。仪表配置应注意以下几点。 考虑设备及设计的整体统一性。配套仪表应提供为达到规定功能所需的各种部件，如信号隔离器、滤波器、保护装置、放大器、转换器及其他相关部件。 应对所有仪表电气线路及设备提供保护。以免受雷击、感应电流、过电压的影响以及其他外力的损坏。 如有实际需要，须对某些输入/输出信号采取适当的信号隔离措施。 变送器输出信号为420 mA的标准模拟信号，继电器标准输出接点为无源常开接点，接点容量为220VAC/5A以上。 应搜集全部仪表自控系统的详细技术说明书及产品样本；对工艺所要求的仪表自控系统及各部分组成、技术性能、系统功能、控制原理、操作方式等进行详细的描述，阐明系统的实现结果和技术指标。3.5.2 控制设备配置 超滤车间中控室设上位操作员站1台，工程师站1台，数据服务器1台，并开发相应的超滤装置运行智能分析软件系统，控制室还需配备网络打印机、UPS电源等附属设备。4 超滤系统软件功能的实现在软件编制过程中，首先要做出膜担保使用寿命期内不同阶段膜堆的物理清洗及化学步序表，并分别根据一年试运行期及膜使用寿命期末的物理清洗及化学清洗步序表的参数，梳理膜堆进行物理清洗、CEB清洗和CIP清洗的运行排队及恢复过滤运行机制。做出相应的系统运行时序控制图。在此基础上，进行PLC逻辑编程及系统组态。超滤车间中控室上位机操作员站和工程师站采用Wi