全膜法水處理在脫鹽水處理中的應(yīng)用

李晶晶，耿愛平

(惠生工程(中國)有限公司河南化工設(shè)計院分公司，河南鄭州 450018)

全膜法水處理技術(shù)是將微濾、超濾、反滲透(RO)和電去離子(EDI)等各種膜分離技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用于工業(yè)水處理，達(dá)到去除污染物和脫鹽的目的［1］。傳統(tǒng)的離子交換除鹽工藝樹脂再生需消耗大量的酸堿，酸堿廢液污染環(huán)境，而全膜法水處理無需酸堿、產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定、節(jié)約占地、自動化程度高。文章以某化工廠除鹽工藝為研究對象，設(shè)計了一套全膜法水處理工藝，旨在為全膜法的工藝設(shè)計起到一定的借鑒與完善作用。

1 工程概況

某工程擬建設(shè)脫鹽水站為其高溫、高壓鍋爐及工藝裝置提供補充水。該項目廠址位于瑪納斯縣塔河工業(yè)園區(qū)內(nèi)，當(dāng)?shù)囟竞洌募究釤?。根?jù)全廠蒸汽平衡圖計算出全廠脫鹽水使用情況，結(jié)合正常運行模式確定脫鹽水制備系統(tǒng)按260 t/h規(guī)模設(shè)計。

2 系統(tǒng)概況

2.1 設(shè)計思路

本工程原水水源采用瑪納斯縣塔西河水，從水質(zhì)報告上看該工程原水水質(zhì)良好，但原水為地表水，新疆夏季雨水較多，系統(tǒng)設(shè)計時需考慮洪水期濁度異常與涸水期鹽份增加的水質(zhì)變化。為保證EDI嚴(yán)格的進(jìn)水要求，本系統(tǒng)選擇自清洗過濾器和超濾裝置組成預(yù)處理單元，兩級反滲透裝置作為EDI的預(yù)脫鹽工序，用反滲透除去95%以上的鹽分，降低EDI裝置進(jìn)水硬度，有效防止EDI膜濃水室和極水室結(jié)垢，有利于EDI裝置長期穩(wěn)定運行。用EDI進(jìn)行深度脫鹽，實現(xiàn)水的高純度化。同時考慮到冬季氣候寒冷，原水水溫低，在自清洗過濾器前增加原水換熱器，使水溫穩(wěn)定在40℃左右。水溫增加可提高超濾、反滲透的產(chǎn)水量，降低運行能耗。

2.2 工藝流程

原水→800 m3原水罐→原水加壓泵(變頻)→原水換熱器(蒸汽型)→2×230 t/h自清洗過濾器→2×200 t/h超濾裝置→500 m3超濾產(chǎn)水罐→一級反滲透(RO)增壓泵→一級RO保安過濾器→一級RO高壓泵(變頻)→2×160 t/h一級反滲透裝置→500 m3一級RO產(chǎn)水罐→二級RO增壓泵→二級RO保安過濾器→二級RO高壓泵(變頻)→2×145 t/h二級反滲透裝置→500 m3二級RO產(chǎn)水罐→EDI給水泵(變頻)→EDI保安過濾器→2×130 t/h EDI裝置→2×1000 m3脫鹽水罐→除鹽水泵→除鹽水補水母管。

系統(tǒng)還包括:加藥系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、化學(xué)清洗系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。

3 主要構(gòu)筑物設(shè)計

3.1 超濾系統(tǒng)

超濾是以壓力為推動力，利用超濾膜不同孔徑對液體進(jìn)行分離的物理篩分過程，能有效地去除水中的懸浮物、微粒、膠體、大分子有機物和細(xì)菌等，為下游反滲透膜提供最大限度的保護。超濾系統(tǒng)包括超濾裝置及其常規(guī)反洗和化學(xué)清洗裝置。

本工程設(shè)置2套超濾裝置，采用立式結(jié)構(gòu)。膜元件的設(shè)計通量為57.1 L/m2·h。超濾膜采用聚偏氟乙烯(PVDF)材質(zhì)，具有高強度和良好的抗化學(xué)腐蝕能力，可延長膜的使用壽命。每套超濾系統(tǒng)采用70支日本旭化成UNA－620A膜組件，該膜組件由中空纖維膜絲外表面供水，通過過濾側(cè)減壓實現(xiàn)外壓式抽吸全量過濾，跨膜壓差(TMP)將隨運行時間逐漸增加［2］。外壓式膜組件的膜絲流道較小，不宜采用大流量的反洗方式，因此本系統(tǒng)增設(shè)空氣擦洗功能，在氣體作用下，混合流體在膜表面產(chǎn)生激烈的攪拌作用，具有較好的去污效果。在超濾反洗水中根據(jù)水質(zhì)情況酌情加入殺菌劑(次氯酸鈉)、酸或堿以保持膜元件表面清潔。

超濾產(chǎn)水管上設(shè)污染指數(shù)(SDI)檢測口，當(dāng)SDI＞5時，屬高污染水，不得進(jìn)入反滲透系統(tǒng)。原水加壓泵、超濾反洗水泵均為變頻泵。原水加壓泵出口設(shè)電動慢開門，以減緩泵啟動時對膜絲的瞬間大流量沖擊，防止斷絲。

3.2 反滲透系統(tǒng)

3.2.1 反滲透裝置

本工程設(shè)置2套一級反滲透裝置，選用FILMTEC BW30－400/34i普通膜元件，396支，回收率為75%。進(jìn)水中游離氯或其他氧化劑會對膜元件造成嚴(yán)重破壞，故在一級反滲透進(jìn)水管加裝氧化還原表(ORP)，控制水中游離氯＜0.1 mg/L。這樣反滲透膜既不被氧化，同時因為余氯的存在又無微生物滋生。在工藝上采用還原劑NaHSO3消除水中余氯，通過加藥裝置控制加藥量。

設(shè)置2套二級反滲透裝置，選用 FILMTEC LE440i超低壓膜元件，204支，回收率為90%。二級RO進(jìn)水管設(shè)自動加堿設(shè)施，將pH調(diào)至7.5～8的弱堿性，消除CO2對EDI裝置的影響。二級RO濃水水質(zhì)比超濾產(chǎn)水水質(zhì)還好，回收至超濾產(chǎn)水罐。

上述反滲透裝置均采用一級二段式，每套裝置都能單獨運行，也可同時運行。每套反滲透裝置產(chǎn)品水和濃水管道各自獨立，互不影響，避免產(chǎn)生背壓，破壞膜元件;膜的水通量是膜元件的重要指標(biāo)，膜的污染速度隨水通量遞增。在所提供的水質(zhì)情況下，一級反滲透膜元件設(shè)計水通量為22 L/m2·h，二級反滲透膜元件設(shè)計水通量為36 L/m2·h。反滲透濃水排水裝設(shè)流量控制閥，以控制水的回收率。濃水排放管采用倒U形設(shè)計，且排放口高于最高一層膜組件，避免膜元件承受反壓。

3.2.2 保安過濾器

每套反滲透前設(shè)置一臺過濾精度為5 μm的保安過濾器，以確保超濾水罐或管道上大于5 μm的污染物全部去除。保安過濾器中的濾元為可更換卡式濾棒，當(dāng)過濾器進(jìn)出口壓差大于設(shè)定值時，進(jìn)行更換。濾芯采用大通量濾芯，流量不超過40 t/h。

3.2.3 高壓泵

高壓泵的作用是為反滲透本體裝置提供足夠的進(jìn)水壓力，保證反滲透膜的正常運行。高壓泵出口均裝設(shè)電動慢開門，防止反滲透膜組件受高壓水的沖擊。

3.3 EDI裝置

電去離子過程(Electrodeionization，縮寫為EDI)，將電滲析和離子交換有機地結(jié)合成一體，混床樹脂填充于離子交換膜之間并在直流電場作用下實現(xiàn)連續(xù)除鹽的新型水處理技術(shù)［3］。

本工程設(shè)置2套EDI裝置，每套EDI裝置前設(shè)保安過濾器，采用大通量濾芯，過濾精度1 μm。膜元件選用GE E－cell 3X原裝進(jìn)口產(chǎn)品，每個模塊出力為5 t/h。E－Cell－3X在濃水室添加離子交換樹脂，無需向濃水室加鹽，無需濃水循環(huán)，降低了模塊的運行電壓。模塊與整流器一對一配置。水進(jìn)口裝設(shè)壓力調(diào)節(jié)閥，確保濃水進(jìn)口壓力比淡水出口壓力至少低0.035 MPa。進(jìn)水離子濃度低會使EDI淡水室中的樹脂和膜的表面上形成的電動勢梯度增大，導(dǎo)致水的電離程度增強，從而使填充在淡水室的陰、陽離子交換樹脂再生效果好，因此在EDI進(jìn)水母管設(shè)電導(dǎo)率測量儀，使EDI進(jìn)水電導(dǎo)率控制在≤40 μS/cm。濃水排水裝設(shè)流量控制閥，以控制水的回收率。EDI給水泵為變頻泵，出口設(shè)電動慢開門。EDI濃水回收至超濾產(chǎn)水罐，不合格水送至二級反滲透的產(chǎn)水罐。

3.4 主要設(shè)備控制方式

3.4.1 超濾控制

超濾單元操作的運行、反洗由PLC自動控制完成。通過二次儀表將各個機組的進(jìn)水水量、產(chǎn)水水量及進(jìn)出水壓力傳輸至中央控制系統(tǒng)以便在控制室內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控，了解超濾的運行狀況。進(jìn)水壓力的控制通過變頻器調(diào)節(jié)，維持系統(tǒng)運行壓力的穩(wěn)定。2套超濾設(shè)備在現(xiàn)場設(shè)置2臺就地操作盤，對超濾可實現(xiàn)自動/手動操作切換。

3.4.2 反滲透單元控制

4套反滲透裝置設(shè)置了4臺就地操作控制盤，在就地儀表上可讀出每臺反滲透裝置的有關(guān)運行參數(shù)(如進(jìn)/產(chǎn)水流量、進(jìn)/產(chǎn)水電導(dǎo)率、運行壓力、進(jìn)水pH值等)。在就地控制盤上可實現(xiàn)裝置的操作。同時將上述參數(shù)經(jīng)二次儀表上傳至中央計算機，在控制室內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控，了解反滲透系統(tǒng)的運行狀況。

系統(tǒng)泵的出口裝有壓力傳感器，當(dāng)供水不足，水壓過低，會自動發(fā)出停機信號，使水泵停止運行;當(dāng)由于某種原因造成高壓泵出口壓力過高時，高壓開關(guān)可自動切斷高壓泵的供電，保護系統(tǒng)不超壓運行。

高壓泵裝有變頻器，由PLC控制高壓泵緩慢開啟，使膜元件逐步受壓，防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生，以保護系統(tǒng)的安全。

當(dāng)反滲透裝置停機時，自動關(guān)閉進(jìn)水閥門，啟動反滲透沖洗泵，打開沖洗進(jìn)水、濃水排放和產(chǎn)水自控閥，利用中間水箱的反滲透產(chǎn)水沖洗膜表面的沉積物，以防止其影響膜的性能，沖洗時間約為20 min。

3.4.3 EDI單元控制

2套EDI裝置設(shè)置了2臺就地操作控制盤，在就地儀表上可讀出每臺EDI裝置的有關(guān)運行參數(shù)(如產(chǎn)/濃水流量、產(chǎn)水電阻率、進(jìn)水壓力)。在就地控制盤上可實現(xiàn)裝置的操作。同時將上述參數(shù)經(jīng)二次儀表上傳至中央計算機，以便在控制室內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控，了解EDI系統(tǒng)的運行狀況。EDI必須在有水流過，且流量高于最低值時才能通電;開機時，先通水后通電;關(guān)機時，先斷電后斷水。

4 全膜法與離子交換法的比較

除鹽水處理基本工藝為:“預(yù)處理+一級除鹽+二級除鹽”。常用的二級除鹽工藝有:混床、EDI?，F(xiàn)將兩者綜合比較如表1所示。

表1 EDI工藝和混床工藝比較

方案一/方案二比較:綜合投資，方案一比方案二多190萬元;運行費用，方案一比方案二每年少63萬元。方案一投資差額回收期，約3年。

5 結(jié)論

EDI凈水設(shè)備具有連續(xù)出水、無需酸堿再生和無人值守等特點，使脫鹽水系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡化，減少設(shè)備占地面積，節(jié)約費用。雖然EDI的初投資比混床高，但運行費用低，管理方便，運行幾年就可收回成本，而且新疆地區(qū)酸堿價格較貴，人工較貴，從長期發(fā)展來看，EDI的經(jīng)濟效益比混床高。

全膜法水處理出水水質(zhì)可靠，無酸堿廢液排放，在本系統(tǒng)設(shè)計中，EDI的濃水、極水、不合格產(chǎn)水均被回收利用，EDI單元無廢水排放，實現(xiàn)了完全的綠色環(huán)保，節(jié)能補水制水工藝，環(huán)境效益顯著。這也是水處理工藝發(fā)展的必然方向。

［1］姚 勇.大流量全膜法水處理技術(shù)在電廠中的應(yīng)用［J］.熱力發(fā)電，2009，38(8):110 －112.

［2］萬廣東.全膜法處理城市再生水回用鍋爐補給水工藝的應(yīng)用［J］.沈陽工程學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版.2012，8(4):314－317.

［3］張 琰.電去離子(EDI)裝置運行調(diào)整及優(yōu)化［J］.中外能源，2010，15(11):92－93.