给水排水 |给水厂超滤膜清洗难？手把手教程来了！
导 读
在大型市政给水厂超滤膜系统设计中，完善可靠的超滤膜维护性清洗和恢复性清洗系统设计是非常重要的一部分，将直接影响超滤膜系统运行的安全性和便利性。对超滤膜辅助化学清洗系统的药剂使用、循环清洗、废液中和排放、清洗间布置等设计细节进行总结。维护性清洗为正常反冲洗的同时，在反冲洗管道上投加次氯酸钠溶液或者碱溶液等药剂，系统设计相对简单。恢复性清洗系统设计较为复杂，有溶液箱式化学清洗系统和在线循环式化学清洗系统两种不同的做法。
引用本文：芮旻，李博文，叶宇兵，等. 给水厂超滤膜辅助化学清洗系统精细化设计总结［J］. 给水排水，2022，48（8）：19-23.
近年来国内建成了较多大型市政给水厂超滤膜系统，超滤膜技术在市政供水行业中得到了越来越多的应用，为城镇居民提供安全优质的饮用水。对于市政超滤膜系统，大家的关注点多在膜前预处理、以超滤膜为核心的组合工艺、超滤膜系统产水及反冲洗配置等生产主系统上，而超滤膜辅助化学清洗系统作为影响超滤膜能否可靠稳定运行的重要板块，也应该给予更多的关注。在给水厂日常的生产运行中，超滤膜维护性清洗（CEB）和恢复性清洗（CIP）耗费了较多的生产管理时间，也是操作危险性最高的环节之一。因此，完善可靠的辅助化学清洗系统设计是市政给水厂大型超滤膜系统设计中关键要点之一。
CEB也叫化学加强反洗，在反洗水中加入一定浓度的次氯酸钠溶液或者碱溶液，主要是为了控制微生物等对膜的污染。CIP是采用一定浓度的酸、碱溶液进行化学清洗，彻底恢复超滤膜的性能。大型水厂中，为减少工人操作强度，CEB和CIP都设计为自动运行。本文对压力式超滤膜和浸没式超滤膜辅助化学清洗系统的化学药剂种类、药剂储存使用、清洗方式、清洗剂的回用或循环利用、药剂车间布置、废液中和处置等设计细节进行总结，以期为今后给水厂超滤膜辅助化学清洗的工程设计和运营提供参考。
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化学清洗药剂
随着超滤膜面污染的累积，膜通量会持续下降。日常反冲洗是去除污染物的一种途径，但是当污染物不再能够被反冲洗去除时，就需要进行化学清洗，在化学清洗后，膜通量/压力能够部分或者全部恢复。
不同超滤膜制造商对于自身膜的化学清洗要求不同，本文梳理市场上使用较多的3家国产超滤膜（均为PVDF材质）的化学清洗要求，同时调研长期运行2年以上的3座超滤膜给水厂实际化学清洗运行情况，如表1所示。表中制造商要求是制造商根据自身膜的性能给的参考数值要求，实际运行数据是各水厂根据实际运行膜污染状况采取的经验做法。由于不同超滤膜制造商的原材料配方、制膜工艺和装填密度存在差异，因此其对化学清洗药剂的要求差异较大。
结合表1以及调研情况，说明如下：
（1）表中次氯酸钠的投加浓度为5%，氢氧化钠的投加浓度为30%，柠檬酸的投加浓度为30%。
（2）化学清洗时，通常碱性清洗pH最大为12，酸性清洗pH最小为2。
（3）为提高清洗效果，有厂商会要求化学清洗时清洗温度一般为10~40℃，超滤膜水厂设计时一般不考虑清洗药剂加热处理。
（4）最常见的清洗方法是首先用酸洗，然后用碱洗，酸洗通常为第一步，用于去除无机离子，避免碱洗时产生不可溶解氧化物（如碳酸钙或金属氢氧化物）淤积在膜上的现象，然而，有些生产商建议顺序相反，从而可以通过后续的酸洗步骤将碱洗过程产生的沉淀物质清除。
（5）柠檬酸在系统重新返回运行前应该彻底冲洗干净，因为它可以作为微生物的养分，引起生物污染。
表1 超滤膜制造商对化学清洗药剂要求和实际超滤膜给水厂药剂需求
（6）压力式超滤膜和浸没式超滤膜的清洗液浓度一般相同，清洗周期会有差异，相同条件下，浸没式超滤膜的清洗周期一般长于压力式超滤膜。
（7）进膜的原水水质越好，化学清洗周期越长。
（8）有水厂采用硫酸、盐酸、草酸替代柠檬酸。
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化学清洗系统
CEB为正常反冲洗的同时在反冲洗管道上投加次氯酸钠溶液或者碱溶液，系统设计相对简单。但由于水反冲洗过程流量大、历时短，因此维护性清洗的配泵流量较大，一般采用化工离心泵或磁力泵；药剂输液管路口径较大，采用UPVC化工管。
CIP系统设计较为复杂，一般有两种做法，溶液箱式化学清洗系统和在线循环式化学清洗系统。溶液箱式化学清洗适用于压力式超滤膜（膜架）和浸没式超滤膜（膜池），在线循环式化学清洗系统只适用于浸没式超滤膜（膜池）。
2.1 溶液箱式化学清洗系统设计
溶液箱式化学清洗系统包括专用清洗溶液箱、清洗水泵、清洗管路阀门及清洗过滤器等，一般布置在一个独立的房间。储存的酸、碱或次氯酸纳等药剂通过药剂投加泵注入清洗溶液箱，同时，利用阀门切换和清洗循环水泵作为清洗溶液箱的混合溶解设施，配制符合要求浓度的药剂。然后，以清洗循环泵作为工作泵，将调配好的药剂泵送至膜架或膜池，通过膜架或膜池后流入清洗溶液箱。最后，利用清洗循环水泵将清洗溶液箱内的洗膜废液泵送至中和水池。溶液箱式化学清洗系统流程设计见图1。
图1 溶液箱式化学清洗系统流程
设计时需关注过膜后的药剂回流管管路布置：如果是压力式超滤膜架，化学清洗是封闭式系统，回流管带压，较为容易的进入清洗溶液箱；如果是浸没式超滤膜池，建议清洗溶液箱设置为低位，药剂回流能重力流入溶液箱。
如果是压力式超滤膜架化学清洗，清洗溶液箱的容积设计按照单套超滤膜架上超滤膜柱的水容积量+清洗管道及清洗过滤器内水容积量，再适当放一些余量。如果是浸没式超滤膜池化学清洗，清洗溶液箱的容积设计按照一格膜池淹没膜箱的容积+清洗管路内水容积量计算。为减少药剂的用量，清洗溶液箱一般设置在靠近模架或膜池的地方，减少管路。
此系统是先配好化学清洗药剂，再进行在线化学清洗，配药时不会影响超滤膜的正常生产，因此在全自动设计的前提下，药剂投加泵以及相应管路无须太大。清洗循环水泵的运行工况较多，在大型市政供水项目中，宜仔细计算清楚各运行工况所需的流量和扬程。
2.2 在线循环式化学清洗系统设计
比起溶液箱式，在线循环式化学清洗系统相对简单一些，但设施流量大、占地面积大。在线循环式化学清洗系统包括清洗循环水泵和清洗管路阀门等，一般化学洗循环系统不会设置在单独的房间，在膜池管廊合适位置设置循环泵即可。以循环泵作为工作泵，从膜池内抽吸产水，同时回流至膜池，在循环过程中往循环管道上投加酸、碱或次氯酸纳，直至达到目标浓度。在清洗循环浸泡结束后，通过排空水泵将膜池内废液泵送至中和水池。在线循环式化学清洗系统流程设计见图2。
图2 在线循环式化学清洗系统流程
对于此系统，由于膜池边药剂循环边配药，因此药剂投加泵的大小影响到化学清洗的用时，一般设计30min内把药剂注入循环管路。清洗药剂达到目标浓度后，通常化学清洗循环过程为1 h，膜池后续的浸泡过程为2 h，准确的时间取决于膜污染程度。循环清洗系统中设置必要的阀门、流量计和压力表以控制清洗流量，清洗管道流速应小于3m/s。
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化学废液中和排放
3.1 化学废液
CEB和CIP都会产生化学清洗废液，化学清洗废液中含清洗溶液残余、化学药剂与污染物发生化学反应产生的盐类等等。CEB化学清洗废液中主要是氯残余，CIP化学清洗液的成分较为复杂一些，经检测，TSS一般高于200mg/L，CODMn一般为10~30mg/L，如果采用柠檬酸清洗，化学清洗液的BOD5会非常高。压力式超滤膜的化学清洗废液水量相对较小，但是浸没式超滤膜系统的水量会很大，因为需要灌满膜区。
3.2 中和排放系统设计
CEB化学清洗废液主要是高浓度的残留含氯水，水厂通常有两种处置设计方案：①残留的余氯使用亚硫酸氢钠进行中和处理，亚硫酸氢钠投加量通常为余氯浓度的3倍，中和处理后的废液排至污水下水道。②中和水池内设置1台专用小泵，将残留含氯水小流量的泵送至原水管中作为预氯化使用，此时需关注CEB化学清洗废液的水质。
CIP化学清洗废液排入水厂预设的中和水池，中和水池的容积大小很关键，经常有中和水池设计容积不足的案例，至少需考虑3倍的一次化学清洗排放水量，因为一般会排入一次酸洗、一次碱洗、一次漂洗水量。但中和水池平时的使用率并不高，只有3~6个月左右一次的化学清洗后才使用。中和水池内水泵和阀门均采用耐酸耐碱型不锈钢水泵阀门。
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化学清洗间布置
4.1 化学药剂储存车间
CEB和CIP要用到多种药剂，车间内药剂储存需满足相关安全设计要求，酸碱分开储存，氧化剂和还原剂分开储存，存放于不同的房间内。药剂储存车间设计前，工程师要了解清楚本地市场上所能购买药剂的形态和浓度，根据药剂购买的远近和送货周期确定厂内药剂储存量，结合以上需求信息设计确定具体储存量、储存方式和调配溶解形式。表2梳理各种清洗药剂市场上常见的商品形态，如是固体药剂，需厂内车间溶解，如是液体原液，需储罐储存。
表2 清洗药剂市场上常见的商品形态和浓度
药剂均采用食品级，不同地区价格有较大差异，长三角区域市场价格10%次氯酸钠原液约1 100~1 300元/t；固体氢氧化钠约6 000~6 500元/t；固体一水柠檬酸约7 800~8 500元/t；固体无水亚硫酸氢钠约18 000~20 000元/t。
4.2 化学药剂循环系统
药剂循环系统由循环水泵、管路阀门等组成。药剂投加泵一般采用化工离心泵、磁力泵和计量泵；循环水泵采用化工离心泵或凸轮泵；化学洗管路采用UPVC管或316不锈钢管；阀门和伸缩接头采用316不锈钢材质，或者阀板316不锈钢，密封圈和阀座内衬三元乙丙橡胶（EPDM）的耐酸碱腐蚀阀门和伸缩接头。
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其他细节设计
在超滤膜辅助化学清洗系统设计过程中，有一些确保安全可靠的设计细节需要关注，梳理若干总结如下：
超滤膜产水阀门一定要关注其密封性，产水阀门如有渗漏，在一组膜架（池）化学清洗时，化学药剂会渗漏污染到产水主管上。
有真空长吊的浸没式超滤膜池，需关注真空长吊节点存水的放空设计，每次化学清洗完清水漂洗时需排空真空长吊节点内存水。
由于一组膜架（池）化学清洗时，承压管道会影响其他组膜架（池），化学清洗循环管道上建议设置一电动一手动阀门的双阀门设计，避免由于阀门泄露导致的水质污染发生。
浸没式膜池膜车间内管路不建议采用304不锈钢材质，投产后表面腐蚀影响美观。
注重超滤膜车间内的通风设计，频繁的CEB清洗，药剂间的残余次氯酸钠味道重。
CEB化学清洗药剂投加泵后建议设置小型保安过滤器，因为CEB过程是将药剂注入反冲洗水管上的，避免产水端损伤膜丝。
清洗循环水泵和排空水泵应该设置在车间低处，能确保随时排气启泵运行。
酸碱药剂的储存注重安全性，放空、泄露等设计满足相关安全防护规范。
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结论
在给水厂日常的生产运行中，超滤膜维护性清洗（CEB）和恢复性清洗（CIP）耗费较多的生产管理时间，也是操作危险性最高的环节。完善可靠的辅助化学清洗系统设计是市政给水厂大型超滤膜系统设计中关键要点之一。
由于不同超滤膜制造商对于自身膜的化学清洗要求不同，通过梳理市场上使用较多的3家国产超滤膜（均为PVDF材质）的化学清洗要求，以及调研长期运行两年以上的3座超滤膜给水厂实际化学清洗运行情况可得出，CEB的周期一般为6~30 d，CIP的周期一般为60~180 d。
CIP系统设计一般有两种做法，溶液箱式化学清洗系统和在线循环式化学清洗系统。溶液箱式化学清洗适用于压力式超滤膜（膜架）和浸没式超滤膜（膜池），在线循环式化学清洗系统只适用于浸没式超滤膜（膜池）。
CEB和CIP要用到多种药剂，车间内药剂储存满足相关安全设计要求。在药剂储存车间设计前，工程师要了解清楚本地市场上所能购买药剂的形态和浓度，根据药剂购买的远近和送货周期确定厂内药剂储存量，结合以上需求信息设计确定具体储存量、储存方式和调配溶解形式。
微信对原文有修改。原文标题：给水厂超滤膜辅助化学清洗系统精细化设计总结；作者：芮旻、李博文、叶宇兵、段冬；作者单位：上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司。刊登在《给水排水》2022年第8期。
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