浅析水厂超滤膜工艺自控系统的实现对城市用水的影响

摘要:给水工程中的超滤膜处理工艺控制过程比较复杂，自控系统的编程、调试和网络架构等直接影响到超滤膜处理效果和运行成本。廊坊市地表水厂一期工程规模为 15 ×10 4 m 3 /d，采用超滤膜工艺，其控制流程包括膜池过滤控制流程、维护性清洗控制流程、恢复性化学清洗控制流程、膜完整性检测控制流程。2016 年底投入运行以来，超滤膜池自动运行稳定，既保证了产水水质，又提高了运行效率，可为同行业相关设计提供借鉴和参考。
随着社会经济的快速发展，城市饮用水水质标准更加严格，供水保证率和供水安全度要求日益提高，使得超滤膜工艺在给水工程中得到推广应用［1 －3］ 。该工艺需要依靠完整的自控系统来实现，自控系统的编程、调试和网络架构等直接影响到超滤膜处理的效果和运行成本。
廊坊市地表水厂采用超滤膜处理工艺，该水厂是南水北调的配套工程，担负着廊坊市的主要供水任务。廊坊市属于严重缺水地区，水源仅为开采地下水，人均水资源量只有 260 m 3 ，随着地下水的水质受到了不同程度的污染，供水安全性受到威胁。
新建廊坊地表水厂 30 ×10 4 m 3 /d 的规模，分两期实施，一期规模为 15 ×10 4 m 3 /d，于 2016 年底建成，将南水北调的水引进廊坊市，为城市的社会、经济和生态发展提供重要保障。

1 水厂工艺概述
根据南水北调工程取水口多年来的水质分析数据，原水水质大多数指标符合《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的Ⅱ ～ Ⅲ类标准，常年浊度都不高。
该水厂的主要水处理建(构)筑物有:格栅间及取水泵房、混合絮凝池、沉淀池、超滤膜池、清水池、送水泵房及变配电间、加药加氯间及排泥水处理车间等。
工艺流程见图 1。
主要处理单元为浸没式超滤膜池，共 16 组膜池，其主要设计参数见表 1。 浸没式超滤系统既可抽真空虹吸出水，又可以泵抽吸出水，每池设 1 台变频水泵，单泵流量为 450m 3 /h，扬程为 100 kPa。
膜池反冲洗采用水泵直接冲洗，反冲洗水泵共4 台，2 用 2 备。膜的化学清洗分为维护性清洗和恢复性清洗，均为在线清洗。

2 水厂自控系统概述
根据工艺需要，水厂自控系统采用“集中监控、管理，分散控制”的集散型系统，整个自控系统分为三个层次，即管理监控层、现场控制层和设备层，由管理监控中心和 5 个 PLC 现场控制主站、16 个膜池控制子站组成全厂实时工业控制网。
控制层 PLC 和设备层之间通过标准总线进行数据通信;控制层 PLC 和中控室监控计算机之间通过 10/100 M TCP/IP 光纤单环网工业以太网进行高速大容量数据交换;管理层各节点通过交换机构成星型以太网。
水厂自控系统见图 2。 3 超滤膜车间自控系统配置
3. 1 管理监控中心
该厂一期工程的监控中心设在超滤膜处理车间，主要由两台中央监控计算机、数据库服务器、视频监视计算机、拼接大屏幕等构成，作为管理控制中心。
两套中央监控计算机互为冗余，采用 Kingscada上位监控软件，主要完成对膜池以及全厂其他处理段的管理、调度、集中操作、监视、系统功能组态等。在中央监控计算机操作界面上含有膜系统关键参数的显示，如过滤周期、系统运行状态的倒计时、液位、压力、跨膜压差、维护性清洗周期的计数等。对于膜系统不正常的运行状态或是应有的操作未按照程序执行，设立相应的报警信息，以方便运行人员采取相应的对策。
数据库服务器采用 KingHistorian 实时数据库软件，实时接收现场采集的各类数据，包括工艺流程参数、设备运行状态和报警信号等，具有定时巡测、随机点测、分组监测等功能，建立各类实时数据库和历史数据库，为网络上其他节点提供相应权限级别的数据服务。

3. 2 现场控制站
超滤膜处理车间设一套 PLC 控制主站，采用双CPU 冗余，具有更高的可靠性，主要负责膜池的反冲洗泵、鼓风机、维护性清洗系统、化学清洗系统的设备自控和数据采集。在每个膜池设置一个 PLC子站控制台，负责单个膜池的信号采集和自动运行。子站控制台嵌有触摸屏，可以显示膜池的阀门状态、池内液位、产水量、跨膜压差、出水浊度等多项检测数据。
每个 PLC 子站通过以太网交换机与控制主站进行数据交换，PLC 根据膜工艺要求进行控制参数设定，并可在触摸屏上进行修改。

3. 3 在线仪表的设置和作用
每座膜池设置超声波液位计，控制膜池恒水位过滤;膜池出水管设置压力变送器，检测阻塞情况，控制反冲洗的进行;在出水管设电磁流量计，计量抽吸泵的产水量;膜池出口设置浊度计，检测膜池的过滤效果;膜池总出水设置颗粒计数仪，检测膜池的水质、监测膜的完整性。

4 超滤膜池的控制流程
超滤膜池的整体控制流程见图 3。 4. 1 膜池过滤控制流程
沉淀池来水由进水配水渠、进水闸，经配水堰进入每组膜池，自外而内穿过膜丝经集水系统虹吸或泵抽吸至清水渠，最后由总出水管送至清水池。在沉淀后出水注满膜池后(达到设定过滤水位)，首先启动真空抽虹吸装置，虹吸形成后缓缓启动清水抽吸泵或打开出水调节阀。装置投入运行后，由膜池液位控制抽吸泵的转速或调节出水调节阀的开度，以保证超滤装置的恒流过滤。

4. 2 膜池反冲洗控制流程
正常的膜池反冲洗根据时间或跨膜压差状态自动进行。反冲洗采用透过液(超滤出水)进行反洗，水反洗的同时膜箱底部曝气。
膜池反冲洗过程由下列步骤组成:
① 膜池气动进水闸关闭，产水继续运行，膜池降低水位，约 1 min;
② 关闭抽吸泵或出水调节阀;
③ 启动擦洗鼓风机，开启该膜池的气动进气阀，膜池曝气;
④ 开启反冲洗水阀、反冲洗水泵，气水同洗约2． 5 min;
⑤ 停止鼓风机，关闭该膜池的气动进气阀;关闭反洗泵，关闭反洗阀;
⑥ 打开排水气动提板闸，排污一定水量后，约1 min，关闭提板闸;
⑦ 打开气动进水闸进水，达到液位后(约 1min)重新开始过滤。

4. 3 维护性清洗控制流程
维护性清洗程序根据计数至 M 次排空周期后，进入维护性清洗程序。通常而言，维护性清洗周期为7 ～14 d。不同膜池间的维护性清洗轮流进行，并根据现场需要，设置一键式维护性清洗模式。该步骤在膜系统运行的任何阶段均可有效插入。

4. 4 恢复性化学清洗控制流程
恢复性化学清洗的周期可根据膜污染程度而定，一般为 2 ～4 个月，由碱洗、酸洗以及漂洗三部分组成。

4. 5 膜完整性检测控制流程
膜完整性检测(MIT)过程为全自动，每次耗时约10 min。检测频率根据需要确定，即在产水浊度、颗粒计数异常时进行。
若压力衰减速率≤3 kPa/min，膜完整性检测通过，系统恢复正常过滤状态，即开启抽真空引水，启动抽吸泵过滤;若压力衰减速率 ＞ 3 kPa/min，膜完整性检测失败，PLC 报警，该膜过滤池停机，然后需要人工找出破损部位，并进行修复。

5 自动报警系统
在膜池自动运行的过程中，运行参数和重要数据均设有报警信号，提示运行人员处理。
① 膜池低液位:在过滤以及停池阶段，保证水位没过膜丝。
② 膜池不能正常反洗报警:如果不能正常反洗，连续过滤时间超过两个过滤周期，系统报警，并强制反洗。
③ 膜池不能正常排空报警:膜池每“过滤 －反洗”循环几个周期后排空一次，如果不能正常排空，则报警，提示运行人员强制排空。
④ 膜池降液超过设定时间报警:打开排污阀辅助降液，运行人员看到降液报警后，该膜池进入维护清洗程序，完成后再重新运行。

6 结论
廊坊市地表水厂一期工程于 2017 年 4 月 11 日正式通水并投入运行，并获得了中国建筑工程“鲁班奖”。出厂水水质符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006) 和《城市供水水质标准》(CJ/T206—2005)，出厂水浊度≤0． 3 NTU，确保城市居民获得优质安全的饮用水。
该水厂的自控系统运行稳定，实现超滤膜池的连续自动运行、自动反冲洗、自动维护性清洗和恢复性清洗，日常无需现场运行人员的人为参与，既提高了运行效率，又保证了产水质量。