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基于超滤膜的猪场饮用水集中净化系统设计及应用
李 芹 1，于春光 2，龙兴成 2
（1.浙江机电职业技术学院 现代信息技术学院，浙江 杭州 310053；2.杭州欧泉科技有限公司，浙江 杭州 311107）
2019年非洲猪瘟引发的猪肉价格剧烈波动，让所有从业人员再次认识到，目前我国生猪养殖业整体水平仍有较大的产业升级与技术进步空间。在生猪养殖场内，无论是非洲猪瘟、猪肺疫等传染性疾病防控，还是料重比为典型指标的养殖效能提高，生猪饮用水均是其中关键性环节。
规模级养猪场对饮用水的具体要求包括“饮水健康，供水持续，经济节能”三方面。其中“饮水健康”指生猪对饮用水的水质、流速、温度等方面的要求；“供水持续”指用水需求在时间上和在水量上的持续性，万头规模猪场的日均饮用水需80~100 t/d；“经济节能”指用水成本方面的要求，通常要求控制在0.3元/t以下。
目前我国猪场的生猪饮用水设备普遍较为简陋，离现代化规模级养猪场的饮用水要求相差甚远，一般以压力供水方式为主，包括无水塔（无水箱）供水和有水塔（有水箱）供水两种，普遍存在着饮水设备陈旧、饮水量不足、供水饥饱不均、水质不良、饮水器设置不合理等各类问题。
针对上述现状，本文借鉴工业纯水机、家用净水机的水质控制经验与水量设计经验，并充分考虑成本控制要求，设计了一套基于超滤膜的猪场饮用水集中净化系统（以下简称“净水系统”），并在多家猪场内获得了成功应用。本文净水系统的产水流量范围在10 m3/h～80 m3/h之间，现以40 m3/h产水流量的净水系统为例，阐述其设计与应用。
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总体设计
INTRODUCE
本文净水系统的应用方案如图1所示。净水系统设计成为集装箱整体式，运到猪场后连接若干管路即可开机使用。为此，要求猪场事先做好相关基础设施建设，包括选取若干取水点、建好静置水池或水塔（通过沉淀初步净化）、购置原水箱、净水箱、饮水温度调节设备、饮水压力调节设备（满足不同阶段的猪对饮用水温度和压力的不同要求）、终端饮水设备（如鸭嘴式饮水器）等。
图1中虚线框内净水系统为本文设计内容，其净水工艺流程包括预处理、净水处理、清洗处理三部分，以下分别介绍：
1）预处理。根据原水水质灵活选用锰砂、石英砂、活性炭等介质的过滤器，主要目的为去除原水中的大杂质、颗粒物、藻类浮游物等。
2）净水处理。以超滤膜组为主要过滤器件，主要目的为排除水中的小颗粒杂质、病菌胶体等，将水质完全净化为符合饮用水标准的生猪饮用水。
3）清洗处理。使用酸性与碱性药剂，通过正冲清洗、反冲清洗、加药清洗等多种方法，去除附着于超滤膜的各类杂质与污垢，保证超滤膜的净水处理能力和通流能力。
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硬件结构设计
INTRODUCE
2.1 预处理部分
如图2所示，在预处理之前，原水从取水口抽取后，应先进入水塔或水池静止一段时间以初步去除泥沙等大颗粒杂质，然后再进入原水箱以备用。在预处理过滤时，原水泵从水箱里抽水，再输送至并联的两个过滤器，然后经过碟形过滤器以后输送至净水处理部分。
以下针对40 m3/h的净水系统，阐述预处理部分的各器件选型。
原水箱：容量应不小于100 m3，
材质选用304不锈钢。原水箱内配置有高水位浮球阀和低水位液位开关，以实现水箱满了自动停、水位低了自动进水的功能，保证整套设备的进水充足性。
原水泵：变频泵，是净水系统的动力源，功率选型为15 kw，流量为50 m3/h，扬程为40 m，且原水泵过流件为304不锈钢。从体积角度考虑，原水泵可选用机泵一体式立式结构，可比普通卧式泵减少30%占地面积。另外，原水泵受原水箱液位信号控制，当原水箱处于中液位以上时，取水泵自动启动，并在原水箱达到低液位时，取水泵自动停止水源输送。
过滤器1和过滤器2：内部材质可根据原水水质，灵活选用石英砂、活性炭等，本文净水系统选用直径1～6 mm的石英砂，且在过滤器内按照从上往下逐步加粗的方式排布石英砂。
碟形过滤器：主要用于防止石英砂进入到后续净水部分伤害超滤膜，也可选用布袋过滤器、保安过滤器等。
2.2 净水处理部分
如图3所示，净水处理部分接收预处理之后的原水，然后通过多支超滤膜组成的超滤膜组，对其进行过滤后输送至下一部分。
超滤膜组是净水处理部分的核心部件，仅需对水进行加压输送，即可在常温下实现纯物理方法的过滤，在设备体积、运行能耗、工艺流程、操作管理方面均具有优势。为充分过滤水里的细菌（大肠杆菌、沙门氏菌等）、病毒（轮状病毒、水泡性口炎等）、寄生虫（球虫等）、水藻（蓝藻、鱼腥藻等），本文设计的净水系统选用孔径为0.02 μm（20 nm）的超滤膜作为核心过滤部件。
本文采用内部为中空纤维结构的超滤膜，且采用内压式工作模式（通常也被称为死端超滤，相比于常用的错流过滤，其运行更节能），每支膜壳拥有底部水口、顶部水口、净水出口三个接口，如图4所示。在过滤阶段，本文对该超滤的使用方法包括底部过滤和顶部过滤两种，其中底部过滤是指从底部水口进水、净水出口出水、顶部水口关闭（如图4所示），顶部过滤是指顶部水口进水、净水出口出水、底部水口关闭。
为保证超滤膜的通流能力，需定期对超滤膜进行清洗。本文共设计了底部/顶部正冲清洗、底部/顶部反冲清洗、加药清洗五种模式。其中底部正冲清洗指清洗水流从底部进入，从顶部排出，冲刷膜的正过滤面（如图5所示），而顶部正冲清洗水流方向则相反，同样冲刷膜的正过滤面；底部反冲清洗指清洗水流从净水出口进入，从底部水口排出，冲刷膜的反过滤面，而顶部反冲清洗的水流方向则相反，同样冲刷膜的反过滤面；加药清洗是指在底部/顶部反冲清洗的清洗水流中增加酸剂或碱剂。
针对40 m3/h的净水系统，本文配置8支超滤膜（每支膜通流能力为5 t/h），分为并联的两组，每组内4支膜同样以并联形式安装，如图6所示。将超滤膜分为两组，方便一组超滤膜在清洗时，另外一组仍能处于过滤状态，以此保证系统的产水能力。
2.3 清洗处理部分
如图7所示，经过净水处理部分过滤的净水，将被储存在产水水箱里面。猪场需要饮用水时，由输送泵按规定压力将净水输送至终端饮水设备。清洗处理部分主要负责对超滤膜组进行清洗：在正冲或反冲清洗时，通过清洗泵抽取产水水箱里的净水，并将其回送至净水处理部分；在加药清洗时，通过加药泵抽取酸剂或碱剂，并在药液混合器内与净水按比例混合。
以下针对40 m3/h的净水系统，阐述预处理部分的各器件选型产水水箱：容量应不小于200 m3，材质选用304不锈钢，可在水箱内设置紫外灯管以防止细菌滋生。
输送泵：恒压泵，功率选型为22 kw，流量为65 m3/h，扬程为73 m，且原水泵过流件为304不锈钢。
清洗泵：变频泵，流量为100 m3/h，扬程为36 m。另外，为防止超滤膜清洗时膜压差突变造成膜的损伤，清洗泵应配置变频装置，可以实现稳定的压力和流量。
加药泵：两台，其中酸隔膜计量泵流量为80 L/h，碱隔膜计量泵流量为130 L/h。
2.4 集装箱体式整体设计
为确保生物安全，防范人畜共患病，外来人员进入猪场时得先隔离4~5 d，因此净水系统施工人员进入猪场的时间成本代价较高。为避免上述问题，本文将净水系统设计成集装箱形式，运到猪场后就地放置，只需远程视频指挥猪场工作人员接上进水管、排水管、污水管后即可使用，方便快捷。本文集装箱式净水系统如图8所示。
综合净水系统的使用环境、内部零部件尺寸、管路布线等各方面的要求，集装箱体的设计要求包括以下几方面：
1）防雷设计。箱外避雷针，集装箱露天放置时避免雷击破坏。
2）防水设计。雨天时，集装箱内不能进水，尤其是门、开孔处等部位。
3）保温设计。箱内温度可保持在一定范围内，夏天能防止高温，冬天防止低温。
4）防潮设计。凌晨或黄梅天防止箱内冷凝水产生，防止箱内犯潮破坏设备。
5）承重设计。尤其是水箱部位的承重。
同时，为支撑净水系统整体的平稳运行，集装箱体还需配备一套外围保障系统，具体内容包括：
1）供电配电子系统。包含外电源供电接口、箱内配电箱、箱顶太阳能板、箱内备用蓄电池组、箱顶避雷针等部件。
2）防水排水子系统。集装箱体采用防进水结构设计，箱内底部布置水浸传感器，净水系统管路安装多个压力传感器以实现管路漏水检测。
3）环境控制子系统。集装箱体采用多层保温结构设计，箱内内层材料采用防露水凝结材料；箱内布有温湿度传感器，布置有通风风扇，必要时也可布置小型除湿机。
4）门禁控制子系统。集装箱门禁采用动态密码，以确保相应权限人员才可进入；集装箱布有巡更装置，通过打卡方式提醒猪场运维人员对其定期巡检。
5）安全防范子系统。箱顶布置6个摄像头实现视频监控，视频流可远传至云端，也可保存在箱内硬盘录像机；箱内布置有红外线传感器，以防止老鼠等小动物入侵。
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流程控制设计
INTRODUCE
本文净水系统的控制部分以自行开发的主控电路为核心，如图9所示，净水系统运行参数显示在触摸屏上，并可通过4G模块发送至云端，净水系统内流量计、压力与液位传感器等信号传输至主控电路，然后主控电路按照设定逻辑，分别向外输出信号控制阀门、泵变频器、加药泵等部件。
本文净水系统支持“自动运行”和“手动运行”两种模式，完成过滤净化、模组切换、正冲清洗、反冲清洗、加药清洗等动作，如图10所示。
在自动模式下，当产水水箱内液位小于中液位、且原水箱液位满足大于中液位时，系统自动开启过滤；当产水水箱液位大于高液位，或原水箱液位低于小液位时，系统自动停止过滤。过滤自动开始后，净水系统将按照设定时间依次、循环运行各步骤，如图11所示。
在图11所述步骤中，过滤时间以及清洗时间，均应根据原水水质而定，一般而言，正冲清洗与反冲清洗的时间不高于60 s，顶部过滤与底部过滤时间不低于60 min。
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实际应用
INTRODUCE
本文净水系统从2019年起，已在国内多家猪场内实际应用。下面以广西横县某猪场的为例，阐述本文净水系统的实施效果。该净水系统的运行参数如图12所示。
图12中，横坐标为时间，每分钟采集一个数据；第二张曲线为超滤膜膜前压力，维持在0.35 Mpa以上（每支膜最大可承受0.06 Mpa，本系统8支膜，超滤膜膜前最大压力可达0.48 Mpa）；第三张曲线为超滤膜膜后压力，维持在0.15 Mpa左右。图12中，第一张曲线为产水流量，单位为升每分钟（L/min），从图12中可以看出，系统产水量在600~640 L/min（折合为36~38.4 m3/h）范围内波动，与40 t/h的设计量略有差距，是因为其过滤压力并未加至最大。
图12中，每隔约90 min左右，产水流量、膜前压力、膜后压力会间歇性地下降，这是因为对两组超滤膜中的其中一组进行清洗导致的。在图12中可以看到，加药清洗之后，产水流量、膜前压力、膜后压力都会有显著的变化。在两次加药清洗中间，尽管有正冲清洗与反冲清洗，但产水流量还是呈现逐渐下降的趋势。
对该净水系统的产水水质进行检测，检测结果如表1所示。
表1中，所有检测结果数据来源于第三方检测公司，其中：净水系统原水为地下水，原水检测样品取自于水井口；净水检测样品取自于净水系统出水口；检测标准依据的是《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）。
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结论与展望
INTRODUCE
本文设计了基于超滤膜的猪场饮用水集中净化系统，按照预处理、净水处理、清洗处理的净水工艺流程，设计了净水系统的硬件结构与控制软件。本文净水系统可根据猪场实际需要灵活配置超滤膜数量，产水流量范围在10 m3/h～80 m3/h之间，水质符合《生活饮用水卫生规范》（GB/T 5750—2001）和《无公害食品畜禽饮用水水质》（NY 5027—2008）相关标准。
在后续工作中，还可对正冲清洗、反冲清洗、加药清洗的周期加以优化，根据膜前、膜后的压力、流量等指标，使用人工智能算法估计超滤膜的堵塞程度，最后使用自适应、自调整的清洗周期，代替目前固定时间的清洗周期，以达到延长膜使用寿命、降低清洗废水排放的目的。
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