1.1 试验水源

本试验原水取自长三角地区中心城区某大型水厂，以长江Q水库原水为日常水源，以太湖流域J水库为应急水源。试验期间跨度较长，冬季水温为8~9 ℃，夏季水温为30~33 ℃，日常原水水质为Ⅱ-Ⅲ类水，应急水源整体为Ⅲ类，个别指标为Ⅳ类。本试验采用原水主要为实时的长江原水，主要水质指标见表1。

表1 试验原水主要水质指标

1.2 试验装置与运行参数

（1）中试装置。中试装置总装如图1所示，主要包括絮凝反应池、臭氧平板陶瓷膜耦合反应池膜池、产水箱且兼做反冲洗水箱、设备控制间、加药间、管道阀门系统及自控系统。系统占地8 m²，高4.7 m，处理规模约为60 m³/d。膜池内主要为臭氧曝气器、平板陶瓷膜组件、液位传感器；设备间包括臭氧发生器、产水泵、进水泵、反洗泵、流量计、鼓风机和压力传感器等设备；加药间包括混凝剂加药泵及药剂桶、次氯酸钠加药泵及药剂桶、柠檬酸加药泵及药剂桶；管道阀门系统包括原水管、产水管、反冲洗管、排污管、溢流管等；自控系统用触摸屏进行显示和操作，用组态软件进行设计，采用可编程逻辑控制器进行控制，在面板上可进行运行参数调整并导出数据。

图1 现场中试装置

（2）运行流程。中试工艺流程如图2所示，原水由泵抽吸进入系统，混凝剂在搅拌机的作用下与原水快速充分混合后进入絮凝反应池，而后从膜池底部进入臭氧平板陶瓷膜耦合反应池，接触池内臭氧通过连续曝气的方式维持池内的臭氧浓度。系统采用间歇运行的方式，即过滤产水-气水反洗-过滤产水的方式，每日排污一次。过滤产水采用恒流量过滤，由可编程逻辑控制器与调节阀根据设置的产水流量自动调节阀门开度，维持恒定的产水流量。产水泵将膜池内的水抽滤到产水池，产水池设置溢流管，多余的水会通过溢流的方式排走以维持产水池液位并保障反洗用水。

图2 中试装置工艺流程

（3）膜参数。平板陶瓷膜组件如图3所示，外形尺寸为310 mm×650 mm×2450 mm，国产膜，膜层采用亚微米球型α-氧化铝,支撑层为粉粒径5 μm。膜组件共8层，底层为臭氧及穿孔曝气层，顶部7层为膜层，总有效膜面积共24 m²，陶瓷膜填充密度88.8 m²/m³，高于现状投用的农饮水陶瓷膜工程填充密度（＜80 m²/m³）。每个膜元件尺寸540 mm×250 mm×6 mm，膜孔径0.08~0.12 μm，纯水通量≥1600 L/(m²·h·bar)，膜层厚度20~30 μm，扛弯曲强度≥40 MPa。

图3 平板陶瓷膜组件

（4）絮凝条件。本试验的絮凝池支持“絮凝”“微絮凝”两种工况。

“絮凝”：硫酸铝20 mg/L，絮凝时间30 min，投加于絮凝池第一段；“微絮凝”：硫酸铝7.5 mg/L，絮凝时间15 min，投加于絮凝池第二段。

（5）臭氧发生装置。试验可通过臭氧装置的启闭控制臭氧投加。采用空气气源，控制进气流量12~15 L/min，臭氧产量6 g/h，整机功率180 W。

（6）膜的清洗与恢复。陶瓷膜系统反洗采用气水反冲洗，即膜内部用反洗水泵抽吸产水池的膜产水通过产水管道反向打入膜内部，水从膜表面渗出，冲刷膜表面污垢，气体由风机提供，通过穿孔曝气管鼓出气泡，冲刷膜表面。水洗设计通量为300 LHM，气洗设计流量为90 m³/(m²·h)，持续30 s，每30 min反洗一次。

为维护陶瓷膜的长期稳定运行，当跨膜压差升高至35 kPa，试验周期结束，采用化学维护性清洗。当连续试验时间较长（章节2.1、2.3、2.4），采用1000 mg/L次氯酸钠浸泡24 h（有必要时冲洗干净后再用柠檬酸1000 mg/L浸泡24 h），冲洗干净后备用，以进行下一个试验周期；当连续试验时间在1 d以内（章节2.2），以500 mg/L次氯酸钠浸泡2h，冲洗干净后备用，以进行下一个试验周期。判断陶瓷膜清洗干净的指标为初始跨膜压差不大于15 kPa。

1.3 检测指标与仪器

表2为本试验的检测指标与仪器。

表2 检测指标与仪器

取样检测进水水温、pH、浑浊度、CODMn、水量，以及出水浑浊度。每组试验连续重复3次，以保证重现性。

1.4 分析及计算方法

1.4.1 跨膜压差

跨膜压差（Transmembrane Pressure，TMP）可表征膜污染与恢复的情况。本试验产水抽吸泵为恒流抽滤，跨膜压差可认为是平板陶瓷膜组件中在工艺中未运行水泵的静态压力和运行水泵的动态压力之差。

跨膜压差理论计算公式如式(1)所示：

式中 P1——跨膜前的渗透压力，kPa；

P2——跨膜后的渗透压力，kPa。

（2）跨膜压差工程计算公式如式（2）所示，图4为跨膜压差工程计算示意情况。

式中 PIT——MBR膜单元的渗透压力，kPa；

LIT——膜池液位，m；

HYA——压力变送器安装位置距膜池的高度，m；

HYB——膜顶部在膜池的高度，从液位变送器的零点测量，m；

C——换算系数，1 mH2O=10 kPa。

图4 本试验跨膜压差工程计算

试验中跨膜压差的数据采集方式：静态压力通过液位和膜组件在膜池的标高计算。动态压力由安装在出水管的压力变送器测量。每隔1 min自动采集数据。

1.4.2 膜通量

膜通量表征膜的过水能力，由式（3）表征。

式中 Q——产水流量，m³/h；

A——膜面积，m²。

试验中膜面积为定值24 m²，膜通量为试验的控制变量，通过控制产水流量保障膜通量的稳定。

1.4.3 产水率

产水率表征膜对产水回收率，由式（4）表征。

式中 Q进——进水流量，m³/h；

Q产——产水流量，m³/h。

试验中进水、产水流量由在线流量计测得。

1.4.4 去除率

对CODMn、铁离子、铝离子等检测水质指标的去除率，由式（5）表征。

式中 C进——进水含量，mg/L；

C产——产水含量，mg/L。

2.1 高通量、短流程的稳定运行情况

该周期试验位于夏季，长江原水，膜池水温30.8~31.6 ℃。膜产水通量100 LHM，混凝剂有效投加量7.5 mg/L，采用微絮凝-膜过滤工艺，每间隔30 min进行气水反冲洗。膜池进水浑浊度8.94~13.53 NTU，产水浑浊度小于0.05 NTU。起始跨膜压差13.02 kPa，试验至第6 d，跨膜压差升高至28.66 kPa，周期试验结束。试验期间跨膜压差随运行时间呈现线性均匀上升趋势，如图5所示。

图5 微絮凝-膜过滤净水工艺跨膜压差与连续运行时间的关系

试验结果可知，平板陶瓷膜对长江原水采用微絮凝+陶瓷膜的净水工艺，运行稳定性较好，在100 LHM高通量下无化学维护性清洗至少可运行6 d，跨膜压差仅升高15.64 kPa，具备工程可行性。

图6为上述周期试验内的平均产水率情况，产水率达到94.6%~97.5%，出水稳定性好。

图6 微絮凝-膜过滤净水工艺产率水的变化

2.2 絮凝条件对跨膜压差的影响

该周期试验位于冬季，膜池水温8~9 ℃。本试验分别对絮凝-膜过滤与微絮凝-膜过滤进行对比研究，以寻找临界通量，连续重复三轮。两个工艺下分别选取60、70、80、90、100 LHM五档通量参数进行试验，第一档试验通量为60 LHM，每间隔30 min进行气水反冲洗，并升高一档通量运行，直至升高至100 LHM，相应记录跨膜压差值，如图7所示。

图7 多梯度膜通量下跨膜压差情况

结果表明，跨膜压差随膜通量增大而增大，符合膜污染运行规律，在试验通量范围内60~100 LHM未见明显通量拐点，但是通量从60 LHM上升至70 LHM跨膜压差上升幅度最大。通量为60、70 LHM试验组在“微絮凝”工况膜滤半小时后，跨膜压差分别为18.77~24.34 kPa和21.63~32.06 kPa，在“絮凝”工况膜滤30 min后，跨膜压差分别为14.2~18.61 kPa和18.49~25.20 kPa，可见膜通量低于80 LHM时，延长絮凝时间有利于降低运行跨膜压差，平均约可降低5 kPa左右。

当膜通量高于80 LHM时，延长絮凝时间对跨膜压差的改善能力有限。通量100 LHM在“微絮凝”和“絮凝”工况下分别膜滤半小时后的跨膜压差为27.63~28.91 kPa和26.77~28.49 kPa，数值已非常接近。说明膜通量较低时，滤饼层对膜污染的缓解作用显著，膜通量较高时，增大混凝剂投加量和延长絮凝时间对膜污染控制的影响小。推测可能是微絮凝、絮凝均可形成疏松的滤饼层，缓解膜堵塞，郭建宁研究表明只需形成较小的矾花即可被陶瓷膜截留。因此，在80~100 LHM高通量下，采用微絮凝-膜过滤的短流程工艺为本试验优化后的工艺流程，以合理减少混凝剂投加量、缩短絮凝时间，为工程应用提供借鉴经验。

2.3 次氯酸钠预处理对短流程运行工艺的影响

该周期试验位于夏季，膜池水温31.5~34.3 ℃。产水通量100 LHM，次氯酸钠预处理投加量0.5 mg/L，采用次氯酸钠-微絮凝-膜过滤工艺，每间隔30 min进行气水反冲洗。膜池进水浑浊度12.3~15.74 NTU，产水浑浊度小于0.05 NTU。起始跨膜压差11.14 kPa，试验至第4.6 d（约110 h），跨膜压差升高至33.54 kPa，周期试验结束，如图8所示。

图8 次氯酸钠预处理-微絮凝-膜过滤跨膜压差与连续运行时间的关系

试验结果可知，0.5 mg/L次氯酸钠预处理相比不进行预处理，仅用微絮凝-膜过滤工艺反而缩短了膜清洗周期。从试验现场观察到（图9），膜片在反洗后表面呈现黄褐色，絮体手感发粘，排浓水呈黑色。推测发粘絮体是凝胶层污染，可能是次氯酸钠优先与亲水性有机物结合，降低了在水中的稳定性，影响了混凝剂与胶体、带负电的疏水性大分子、颗粒结合形成松散的絮体，使得絮体在膜表面的附着力加强，影响了反洗效果，导致维护性清洗周期变短。同时不排除次氯酸钠对原水中藻类有杀藻和致破胞的作用，多糖、蛋白质、腐殖酸等物质释放后成为黏附在膜上，反而加剧膜污染的可能性。但由于本试验未针对该现象做更多探索，无法准确推测其原因，仅从已有的试验结果中推断，采用短流程工艺时，要谨慎选用次氯酸钠作为陶瓷膜的预处理方式。

图9 次氯酸钠预处理前后现场照片

2.4 原水浑浊度波动对膜的稳定运行影响

2.4.1 “微絮凝+膜过滤”处理日常原水（长江Q水库）

该周期试验位于冬季，产水通量100 LHM，采用微絮凝-膜过滤工艺，每间隔30 min进行气水反冲洗。每个周期完成后进行化学维护性清洗，进行下一轮，连续试验3轮，图10b统计了三轮试验下运行的每日跨膜压差均值。三轮试验期原水水温较稳定在（8.0±1.2）℃；pH非常稳定，在8.53±0.23；但是原水浑浊度波动较大：第一轮试验原水浑浊度在（48.7±3.9）NTU；第二轮试验原水浑浊度在（14.47±8）NTU；第三轮试验刚开始5天原水浑浊度在（5.85±1.43）NTU，后续两天浑浊度骤升至30 NTU以上，如图10a所示。三轮试验产水浑浊度均小于0.05 NTU。第一轮、第二轮和第三轮试验初始跨膜压差分别为10.64、11.07和10.37 kPa，分别试验至第5 d、第5 d和第7 d，跨膜压差升高至35 kPa左右，周期试验结束，如图10b所示。

试验结果表明，尽管原水浑浊度变化较大，平板陶瓷膜运行较稳定，在100 LHM通量下无化学维护性清洗可连续运行5~7 d。其中第三轮试验原水浑浊度最低，跨膜压差上升斜率最小，可连续运行7 d，表明原水浑浊度低有利于延长膜的过滤周期，符合膜的污染规律。

2.4.2 微絮凝-臭氧-膜过滤处理应急原水（太湖流域J水库）

该周期试验位于秋冬季，恰逢原水应急切换，J水库原水相比Q原水的浑浊度和有机物相对更高，本周期试验增加了臭氧工艺。产水通量100 LHM，臭氧投加浓度0.5 mg/L，采用微絮凝-臭氧-膜过滤工艺，每间隔30 min进行气水反冲洗。每个周期完成后进行化学维护性清洗，进行下一轮，连续试验3轮，图11b统计了三轮试验下运行的每日跨膜压差均值。三轮试验期间原水水温有较大差异，第一轮水温(18.75±1.05)℃，第二轮水温(11.05±0.25)℃，第三轮水温(8.05±0.45)℃（最后一天水温突然升高不计入）；pH非常稳定，在(8.20±0.14)；原水浑浊度波动较大：第一轮试验原水浑浊度在（82.2±8.8）NTU；第二轮试验原水浑浊度在（119.35±10.65）NTU；第三轮试验原水浑浊度在（119.35±10.65）NTU，如图11a所示。三轮试验产水浑浊度均小于0.05 NTU。第一轮、第二轮和第三轮试验初始跨膜压差分别为4.5、10.08和12.88 kPa，分别试验至第7 d、第6 d和第7 d，跨膜压差升高至35 kPa左右，周期试验结束，如图10b所示。

图10 微絮凝-膜过滤在日常原水波动下的运行情况

试验结果表明，尽管原水浑浊度变化很大，平板陶瓷膜耦合臭氧工艺在100 LHM通量下无化学维护性清洗可连续运行6~7 d，运行稳定性较好。此外，本周期试验中，原水浑浊度显著高于2.4.1章节中的日常原水，但是连续运行周期却未受影响，表明陶瓷膜工艺可适应高浑浊度工况。由于原水切换窗口期较短，应急原水并非常态，后续试验未能获取应急原水开展进一步研究。王浩等的研究成果表明，臭氧改变了水中有机物的性质，减少凝胶层的生成与其在膜表面的吸附，臭氧还有利于将膜表面已吸附的有机物接触氧化，使其脱附，对缓解膜污染效果较好。

图11 微絮凝-臭氧-膜过滤在应急原水波动下的运行情况

2.5 水质效果研究

表3为高通量、短流程陶瓷膜净水工艺（章节2.4.1运行工况下）对原水的处理效果。采用微絮-膜过滤净水工艺在100 LHM通量下，陶瓷膜可将浑浊度控制在0.05 NTU以下，产水浑浊度稳定满足新国标小于1.0 NTU的要求；对CODMn的去除率为49.9%，产水CODMn稳定满足新国标小于3 mg/L的要求；对铁离子的除率为94.8%，产水铁离子稳定达到新国标小于0.3 mg/L的要求；对铝离子的除率为89.8%，产水铝离子稳定达到新国标小于0.2 mg/L的要求；原水锰离子含量较低，原水已满足新国标小于0.1 mg/L的要求，陶瓷膜工艺还可进一步将原水锰离子含量从0.006 mg/L降低至0.002 mg/L。在短流程陶瓷膜工艺去除CODMn过程中，陶瓷膜虽不能直接去除溶解性的CODMn，但是可以通过截留小颗粒、悬浮物、胶体的方式把被这些微颗粒吸附、裹挟的CODMn协同去除。因此投加混凝剂为关键环节，混凝剂可显著提升工艺对有机物的去除能力，减少腐殖酸和富里酸，降低膜污染，提高反冲洗效果。本试验中CODMn的去除率为49.9%，可能也与陶瓷膜对0.08～0.45 μm的小颗粒具备去除能力有关（CODMn检测采用0.45 μm滤膜预处理，试验陶瓷膜孔径为0.08~0.12 μm）。

表3 短流程陶瓷膜净水工艺处理效果

经济效益始终是膜应用不可回避的关键问题，膜系统的成本分析主要包括膜摊销费、动力费、药耗费、人工成本等费用。拟对规模为10万m³/d，分别以平板陶瓷膜和浸没式有机膜为主体的超滤膜车间进行单项工艺的全生命周期成本分析，运营周期为20年。超滤膜车间含膜组件、膜池土建、配电自控、化学加药系统、水冲气冲系统、排水池、回收池，均采用12格膜池，经济性测算情况如表4所示。平板陶瓷膜的购置成本按700元/m²计,膜通量取80~100 LMH（计算通量取小值），寿命取20年。浸没式有机超滤膜的购置成本按150元/m²计，通用膜通量为25~30 LMH（计算通量取小值），寿命取8年。

表4 超滤膜工艺经济参数对比

注:电费按0.66元/（kW·h)，食品级次氯酸钠(10%)单价取900元/t，食品级盐酸(10%)单价取1 000元/t，食品级氢氧化钠单价取6 000元/t，食品级硫代硫酸钠单价取18 000元/t；分摊人员数量取5人。

结果表明，采用浸没式工艺时，由于陶瓷膜寿命是有机膜2~3倍，尽管以平板陶瓷膜为主工艺的膜车间的建设总投资比浸没式有机膜高出15%，但是从20年运营期上看，陶瓷膜的吨水总处理成本反而比有机膜降低6%，因此陶瓷膜工艺在高通量稳定运行工况下是具备经济性的。为提高进一步平板式陶瓷膜的竞争力，可以从以下几点着手：①优化膜组件结构设计以提升装填密度，不仅节省用地，也能节省药剂消耗。②通过对陶瓷膜制备工艺的开发，使得能在维持正常冲洗、化学洗频率的前提下增大过膜通量；③发挥陶瓷膜进水水质范围广的优势，采用短流程工艺，缩短水厂工艺流程。

（1）在冬季，池体反冲洗结束后排空池体，原先浸没在水里的膜片与冷空气直接接触，较大的温差可能导致膜系统连接件不稳定，膜组件应针对温差薄弱点有相应控制措施。

（2）运行中维持真空度稳定是系统稳定运行的关键，如果真空度破坏，管道集气，会出现多重危害：①导致抽吸泵易气蚀；②在反洗时气体堵塞膜孔；③运行中跨膜压差数据测不准，导致反洗、停机控制信号紊乱。

（3）膜组件结构设计对提升装填密度、发挥陶瓷膜过滤性能有关键作用，例如曝气设计、膜片排布等对系统稳定运行有很好的协同作用。

（4）浸没式陶瓷膜池在运行过程中要注意遮光，尤其是夏季藻类爆发季节。

（1）采用规模为60 m³/d的微絮凝-平板陶瓷膜短流程净水装置处理长江原水，100 LHM高通量运行工况可稳定运行，维护性清洗周期约5~7 d，跨膜压差终点可控制在35 kPa以内。陶瓷膜耦合臭氧工艺处置太湖流域J水库原水，可在100 LHM通量下无化学维护性清洗可连续运行6~7 d。研究表明陶瓷平板膜可适应长江原水和太湖流域水库原水，原水浑浊度波动对膜的稳定运行影响较小。

（2）微絮凝-陶瓷平板膜可将出水浑浊度控制在0.05 NTU以下，对CODMn、铁离子和铝离子去除率分别为49.9%、94.8%和89.8%，上述出水指标直接满足新国标出水要求。

（3）采用微絮凝-平板陶瓷膜短流程工艺时，要谨慎选用次氯酸钠作为预处理方式，次氯酸钠可能会加剧凝胶层形成反而影响反冲洗效果。

（4）在长达半年的试验中未发现产水衰减情况，产水量稳定达95%，可适应多种原水切换工况，出水水质佳，为陶瓷膜在市政领域的大规模工程的应用提供技术支撑。

（5）以20年运营期为周期，高通量的平板式陶瓷膜的吨水总处理成本反而比浸没式有机膜降低6%，具备经济性。

陶瓷膜技术应用于大规模市政饮用水市场，有以下几个展望重点：

（1）针对陶瓷膜特点，探索适用于高通量陶瓷膜下的短流程工艺，提升全生命周期的经济性。

（2）提高陶瓷膜性能、优化装填方式以实现单位组件装填体积处理能力的提升，实现用地集约化。

（3）优化预处理与冲洗参数、选择合适孔径、改善膜表面光滑程度、亲水性等方式缓解陶瓷膜污染，降低运行难度。

（4）开展国内陶瓷膜供水技术标准和运维方案的专题研究。

微信对原文有修改。原文标题：高通量短流程陶瓷膜工艺运行稳定性研究；作者：周婷如、程翼、段冬、郭庆、芮旻；作者单位：上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司、雅安沃克林环保科技有限公司。刊登在《给水排水》2024年第7期。

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