近年来，随着社会经济飞速发展，高品质饮用水的观念逐渐深入人心，部分地区出台了严于生活饮用水标准的地方水质标准，对饮用水提出了更高的要求，为此越来越多的国内水厂采用膜分离技术等深度处理工艺，如浙江省宁波市江东水厂及桃源水厂采用浸没式超滤膜工艺，总规模分别为20×104m3/d及50×104m3/d；江苏省张家港市第三水厂及第四水厂分别采用10×104m3/d规模的微滤-纳滤及20×104m3/d规模的超滤-纳滤“双膜法”工艺。目前工程应用较为广泛的膜分离技术为超滤。

超滤膜深度处理水厂具有以下优点：①工艺较先进，采用以第三代饮用水净化技术——超滤膜工艺为主的组合工艺；②流程较简单，通常紧接在常规处理工艺后面，或直接以市政自来水作为原水，布置灵活；③往往占地较少，集成度高，自动化程度相对较高，节约人工；④抗冲击负荷能力更强，出水水质更优。但通常超滤膜水厂限于投资及用地，在设计之初已选定膜系统设计通量并考虑备用量，为控制膜污染，一般较少超负荷生产，往往采用分期扩建的方式解决产能需求问题。针对超滤膜水厂挖潜技术改造相关的研究及应用案例报道较少。

南方地区某市XC水厂是典型的超滤膜深度处理水厂，以市政自来水为原水，采用“活性炭-浸没式超滤膜-二氧化氯消毒”深度处理工艺，近年来由于供水区域用水量增长较快，即将超出其供水能力，但无条件进行扩建，亟须进行产能挖潜。结合XC水厂挖潜改造实例，针对其工艺特点和存在问题进行分析研究，探寻超滤膜深度处理水厂产能挖潜、工艺自控联动和保障安全稳定供水等方面的优化改造途径。

1、水厂概况

XC水厂始建于2006年，一期供水规模0.5×104m3/d，于2015年迁建并于2018年扩建二期至总规模1.5×104m3/d，布置紧凑，占地约0.3hm2。工艺流程见图1。

活性炭工艺采用压力式密闭活性炭滤罐，设有4个炭罐，装填水处理煤质柱状颗粒活性炭，炭层厚度1.5m，过滤周期为5~7d，反冲洗强度约13L/（s·m2），直接利用进厂水压进行冲洗，冲洗时间共8min；超滤膜工艺采用浸没式超滤膜池，设5组，其中一期2组、二期3组，超滤膜材质为PVC复合材料，膜丝内径、外径分别为1.0、2.0mm，膜孔径约20nm，一期、二期单组膜池膜面积分别约3400、3900m2，设计膜通量分别约34、38L/（m2·h），设计跨膜压差<60kPa，过滤周期180min，气冲、气水反冲、水冲时间分别为10、10、35s；消毒工艺采用高纯型二氧化氯发生器，1用1备，通过水射器形成负压将发生器反应釜中的ClO2气体抽出，并投加至清水池进水总管上，出厂水二氧化氯余值控制在0.15~0.30mg/L；调蓄设施为2座清水池和1个应急水箱，总容积约800m3，调节容积约600m3；送水泵房共有7台水泵机组，其中1台流量250m3/h，扬程430kPa，其余机组流量100~150m3/h，扬程300~400kPa，均为变频控制，最大时供水量约900~1000m3/h。

2、存在问题及分析

①随着近年住宅小区、商业体及会展中心、学校、医院等公建陆续投入使用，该水厂供水区域的用水量持续快速增长，预测2023年—2024年最高日供水量将达到1.64×104m3/d，且由于用户用水较为集中，供水时变化系数达1.6，高峰期水量将超出XC水厂设计产能，对其现状制水及供水能力带来巨大挑战。由于厂内及周边已无建设用地可用于水厂扩建，需通过局部改造或优化的方式进行挖潜。

②改造前水厂实际生产中工艺设备运行搭配及开停以手动操作为主，由于不同人员操作方式存在差异，较容易造成产水波动，影响制水稳定生产。经分析，主要原因是生产过程各工艺单元之间自控系统未建立联动控制，且膜组产水滞后严重，液位计等仪表精度较差，导致自控系统未能较好地辅助生产运行，存在优化空间。

3、挖潜改造措施

3.1 设备设施改造

3.1.1 更换膜池抽吸泵

为掌握XC水厂膜组超额产水能力，对各膜组进行超产测试，结果见表1。测试结果表明，该膜组具有比设计产能短时间内最高超产30%的能力，在单独清水池储水工况下，单组膜池产水量最高可达200m3/h，但现状抽吸泵的额定流量仅为168m3/h。经分析，认为目前制约超滤膜系统产水能力的关键是抽吸泵流量偏小。

为提升水厂应对瞬时供水超负荷运行能力，满足应急工况下的产水量需求，将1台二期膜组抽吸泵由原流量168m3/h、扬程100kPa更换为流量200m3/h、扬程150kPa，更换配套变频器，可通过变频覆盖原工况，并将出水管径由DN200扩至DN250。改造后，单组膜池最大产水量增加约20%。原泵拆下作为备用，其他膜组抽吸泵是否更换视后续供水量增长情况而定。

3.1.2 调蓄设施及消毒剂投加系统改造

原清水池及应急水箱调节容积偏小，远低于《室外给水设计标准》（GB50013—2018）中建议的最高日设计水量的10%~20%，这也是造成超负荷生产、产水波动的瓶颈之一。为进一步提高调蓄能力、确保消毒剂停留时间，新建2个清水箱，材质为445J不锈钢，选址在厂内清水池附近的空地，增加总容积约500m3，并改造与原清水池及应急水箱的连接管道，增设液位计、阀门等。改造后，清水池及水箱总容积达1300m3，可在供水高峰期较好地起到水量调蓄作用。

清水箱改造后，运行时发现出厂水二氧化氯余值波动较大。排查后发现新增水箱与原清水池的液位标高相差4.6m，而二氧化氯采用水射器方式投加，受投加点的背压影响较大，导致在水箱高液位时投加到清水池及水箱的二氧化氯量不均匀，从而引起二氧化氯余值不稳定。为保持二氧化氯投加系统的稳定性，在水射器前的动力水管道加装1台流量为20m3/h、扬程为300kPa的加压泵，增设变频器、压力传感器、阀门等。改造后，二氧化氯投加稳定均匀，二氧化氯余值波动较小，消毒效果良好。

3.1.3 更换供水泵

因送水泵房空间受限，无法增加机组。在出厂水压力为0.38MPa的恒压供水情况下，当最大时供水量达到1000m3/h时需全开7台水泵并联供水，无备用机组。为提高供水能力和水泵机组备用率，将2台送水泵由原流量150m3/h、扬程360kPa分别更换为流量250m3/h、扬程430kPa及流量300m3/h、扬程460kPa各1台，更换配套变频器，并改造前后管道。改造后，最大瞬时供水量可达1100~1200m3/h，满足最高时供水需求；且部分机组可作为备用，提升设备安全性。

3.2 自控系统优化

为解决水厂生产运行波动、工艺流程之间缺少联动的问题，对自控系统软硬件进行完善，建立关键工艺联动机制，进一步优化整体运行功能。

3.2.1 炭-膜-清水池工艺联动

考虑到能耗和维护问题，自控系统优化目标是根据清水池液位和时段来控制活性炭罐和超滤膜池的启停，并可通过自控程序的联动实现炭罐及膜组数量的自动增减。虽然炭罐与膜池数量不一致，但运行数据表明两者开启数量存在强相关性（见表2）。

为了简化操作，将1个炭罐搭配1组膜池定义为1列，其中，1~4列为炭罐、膜池数量一一对应，膜池多出1组作为备用；5列是在4列基础上加开1组膜池，即4个炭罐、5组膜池全开以加大产水量。每列均有3种状态：0=空闲、1=运行、2=反冲。每列设定一个允许运行的标志位Enable，表示这一列处于允许运行状态。已开列数为此时处于运行状态的列数。建立活性炭滤罐-超滤膜池-清水池工艺联动控制逻辑见图2。

改造后，实现了炭-膜-清水池工艺自动联动控制，减少了人工参与，生产更加稳定。

3.2.2 自控程序及硬件优化

①优化控制程序，重新调整超滤膜组流量控制的PID参数，使膜组产水流量与进水流量相匹配，缩短抽吸泵频率控制响应时间，提高流量及液位控制准确度，使膜组产水流量在较短时间内达到设定值；并通过流量反馈调节进出阀门开度及抽吸泵频率，实现膜产水恒流量运行，保持膜产水水质稳定，延长超滤膜使用周期。

②更新原控制系统部分老化传感器、触摸屏等，提高自控系统的可靠性和精准度，如将液位计更换为更高分辨率的超声波液位计，可检测液位毫米级别的变化。

③完善自控程序的生产运行状态、设备故障的报警功能，并在SCADA系统上预留数据采集和控制的端口，以便日后智慧化升级。

4、改造效果

4.1 供水量及水质分析

XC水厂挖潜技术改造项目于2023年初全部完工并投入使用。改造后，水厂最高供水量可达1.7×104m3/d，将制水及供水能力挖潜提高15%，具体见图3。

一年多来XC水厂运行稳定，跨膜压差变化较小，出厂水质均达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2022）、《饮用净水水质标准》（CJ94—2005），部分指标优于上述标准（见表3）。

4.2 成本分析

在不进行大规模改扩建、不改变现有工艺设施且不增加厂区用地的基础上，严格控制投入费用，设备购置及改造投资见表4，折旧成本约0.043元/m3。

运行成本方面，改造后自动化程度提升，减轻工作人员劳动强度，中控室每班仅需配置1名运行人员，基本实现了少人值守，有效节约了人力成本。

5、结论

针对超滤膜工艺深度处理水厂产能受限问题，在不进行大规模扩建及严控投资的前提下，XC水厂挖潜改造案例表明：

①可通过更换更大流量的抽吸泵，进一步释放超滤膜产能，达到短时间超产目的；

②为解决清水池调蓄容积不足的问题，可采用加建地上清水箱的方式增加容积，但需注意消毒剂投加均匀性；

③限于送水泵房条件，通过更换更大规格的送水泵可显著提升供水能力，并提高泵组备用率；

④优化自控系统，完善工艺联动控制功能，可实现工艺流程平稳运行，减少人工操作。XC水厂经过技术改造后，全面提升了制水、供水及调蓄能力，保持运行平稳及供水水质稳定达标，较好地实现产能进一步挖潜，有效地保障了安全供水。