反滲透裝置運(yùn)行中出現(xiàn)的問題及處理措施

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(貴州金赤化工有限責(zé)任公司，貴州 桐梓 563200)

超濾、反滲透系統(tǒng)在新建電廠鍋爐補(bǔ)給水中應(yīng)用較為廣泛[1]，部分老電廠也通過技改等手段增加超濾、反滲透設(shè)備，以保證鍋爐補(bǔ)給水的穩(wěn)定[2]。貴州金赤煤化工除鹽水系統(tǒng)主要供應(yīng)自備電廠用水。系統(tǒng)中一級反滲透處理能力為4×125 m3/h，采用一二段比為18∶9的排列方式，膜元件為陶氏BW30-400FR膜。二級反滲透處理能力4×108 m3/h，一二段比為11∶6，膜元件為陶氏BW30-400膜。設(shè)計(jì)產(chǎn)水率分別大于或者等于75%與85%；脫鹽率分別大于或者等于95%與85%；一級二級反滲透系統(tǒng)均有3臺(tái)給水泵，4臺(tái)5 μm保安過濾器，4臺(tái)高壓泵，使用的反滲透保安過濾器均為聚丙烯材質(zhì)圓柱形濾芯。在一級反滲透產(chǎn)水進(jìn)入產(chǎn)水箱前設(shè)有除碳器，產(chǎn)水經(jīng)填料分散成水膜，通過風(fēng)機(jī)的對流引風(fēng)將溶解在水中的二氧化碳除去。

1 工藝流程及進(jìn)水水質(zhì)

工廠用水來自貴州桐梓縣天門河水庫，經(jīng)沉砂、混凝、沉淀、砂濾等原水處理系統(tǒng)處理后送至除鹽水系統(tǒng)。

原水經(jīng)過天然物理沉降，泥沙在水庫中自然沉降，因此進(jìn)水中較大顆粒懸浮物含量較低，但水庫水流動(dòng)性較弱，水中生物在溫度較高時(shí)繁殖旺盛，造成夏季進(jìn)水中微生物膠體含量較高。隨著氣候變化進(jìn)水水溫、有機(jī)物膠體、電導(dǎo)等呈現(xiàn)出周期性變化，見表1。

表1 除鹽水系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)分析

由表1可知，經(jīng)原水凈化站處理后的補(bǔ)水水溫、濁度、CODCr、可溶性硅呈現(xiàn)冬春季低于夏秋季；pH、電導(dǎo)、溶解固形物、全固形物以及溶解鹽類指標(biāo)冬春季節(jié)高于夏秋季的情況。

2 運(yùn)行中出現(xiàn)的問題

自2011年反滲透裝置投運(yùn)以來，隨著水質(zhì)變化一級反滲透運(yùn)行狀況也隨之變化。冬季氣溫低，脫鹽系統(tǒng)補(bǔ)水水溫降至5～9 ℃，一級反滲透的總產(chǎn)水由額定420 m3/h降至280 m3/h左右，甚至出現(xiàn)降低生產(chǎn)負(fù)荷來維持系統(tǒng)水平衡的情況。

夏秋季在管道混合器投加還原劑(亞硫酸氫鈉)還原水中余氯后，造成管道混合器后的管道、以及保安過濾器、濾芯表面、高壓泵及反滲透進(jìn)水管內(nèi)壁附著一層微生物黏膜，物理特征為黏滑，有特殊腥味，略帶黃棕色的半透明膠狀物。微生物均勻附著在設(shè)備表面，設(shè)備風(fēng)干后，表面光滑，水浸泡后又恢復(fù)原狀?；鹧孀茻袩姑l(fā)的味道。分析化學(xué)成分為多肽、蛋白質(zhì)，主要是細(xì)菌、藻類、真菌等微生物。

受水中微生物及膠體的影響，保安過濾器濾芯更換頻繁。冬季三個(gè)月更換一次濾芯，到夏秋季只能使用半月左右。而且更換后保安過濾器進(jìn)出口壓差很快就升高至0.1 MPa，濾芯受壓變形嚴(yán)重。對反滲透而言，一級反滲透一段進(jìn)水壓力及段間壓差升高較快，兩月左右就要進(jìn)行一次徹底的化學(xué)清洗。二級反滲透進(jìn)水箱及保安過濾器情況類似。

進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)極大地影響了反滲透裝置正常運(yùn)行，造成冬季電耗升高，產(chǎn)水量減少，脫鹽水藥劑及成本升高。夏秋季濾芯消耗量增大，化學(xué)清洗頻繁，維護(hù)費(fèi)用上升，最終導(dǎo)致脫鹽水成本居高不下。反滲透周期性水質(zhì)變化產(chǎn)生的諸多問題成為降低運(yùn)行費(fèi)用的巨大障礙。

3 解決思路及辦法

3.1 消除水溫影響

反滲透膜產(chǎn)水電導(dǎo)對進(jìn)水水溫的變化十分敏感。隨著水溫的上升，水通量線性增加，進(jìn)水水溫每升高1 ℃，產(chǎn)水通量就增加2.5%～3.0%，脫鹽率則隨之稍有下降。其原因在于透過膜的水分子粘度下降、擴(kuò)散性能增強(qiáng)。另一方面膜孔隙受熱脹冷縮影響，鹽分透過膜的擴(kuò)散速度會(huì)因溫度的升高而加快，水通量也隨空隙增大而升高。如果將進(jìn)水水溫控制在20～25 ℃，即可解決上述問題。

我車間蒸汽透平冷凝液處理系統(tǒng)采用板式換熱器，利用循環(huán)水冷卻蒸汽冷凝液，設(shè)計(jì)冷卻水量qv1350 m3/h，t160 ℃，t2≤45 ℃，公稱換熱面積110 m2，設(shè)計(jì)壓力1.0 MPa，板片材質(zhì)304。為保證除鹽水補(bǔ)水溫度，將除鹽水站補(bǔ)水管用DN200的碳鋼管引至蒸汽冷凝液板式換熱器E-5001A處(詳見圖1)，利用蒸汽冷凝液換熱，保留原循環(huán)水冷卻水管，增加5個(gè)切換閥，根據(jù)情況切換換熱。

圖1 裝置改進(jìn)示意圖

實(shí)際運(yùn)行時(shí)蒸汽冷凝液流量在200～350 m3/h，工藝補(bǔ)水在200～450 m3/h。當(dāng)冬季工藝補(bǔ)水溫度降至5～9 ℃時(shí)，由于蒸汽透平冷凝液進(jìn)入板式換熱器溫度常年穩(wěn)定在50～60 ℃，經(jīng)板式換熱器換熱后出口溫度降低至30～35 ℃，工藝補(bǔ)水出水溫度提升至25～30 ℃。再經(jīng)過除鹽水系統(tǒng)后，一級反滲透之前進(jìn)水溫度在20～25 ℃，完全滿足反滲透正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)水溫度要求。

另外，板式換熱器換熱片采用304不銹鋼材質(zhì)，原水取水pH常年在7.5～8.5，進(jìn)水電導(dǎo)300～400 μS/cm，除未添加水質(zhì)穩(wěn)定劑之外，其余水質(zhì)指標(biāo)均高于循環(huán)冷卻水，完全滿足換熱器對水質(zhì)的要求。

3.2 保安過濾器優(yōu)化方案

我車間保安過濾器采用聚丙烯制成的PP濾芯。使用時(shí)，水透過濾芯表面經(jīng)過濾芯層從中間空心水道流入下部積水槽，頂部用蓋板密封。在使用過程中濾芯經(jīng)常受高壓泵的吸力變形，影響了濾芯使用壽命，且變形后部分含雜質(zhì)的水通過濾芯變形處不經(jīng)過濾直接進(jìn)入高壓泵，使得反滲透一段進(jìn)水壓力及段間壓力升高。如果在濾芯內(nèi)部增加受力支撐，定會(huì)延長濾芯使用時(shí)間及減少雜質(zhì)透過量。

在濾芯內(nèi)柱水道裝入材質(zhì)304的不銹鋼T型絲繞管，底板采用同濾芯橫切面積相同的304不銹鋼板與T型絲繞管焊接，內(nèi)部保留水通道，頂部采用螺紋連接304不銹鋼頂板。更換濾芯時(shí)，底部先裝入橡膠墊圈，保證與保安過濾器密封。然后裝入預(yù)制好的繞絲組件，底部放入橡膠墊，裝入濾芯，頂部再裝入橡膠墊，用專用工具夾緊頂板。這樣，保安過濾器和濾芯就能較好地密封，更重要的是增加了內(nèi)部支撐。濾芯容易變形的問題得到了很好的解決。

3.3 管道、保安過濾器及高壓泵內(nèi)壁易生長微生物的解決方案

前期預(yù)處理工段中為了抑制微生物生長，在進(jìn)水中加入了次氯酸鈉。為保證對微生物的持久殺滅，還在進(jìn)入反滲透保安過濾器之前，加入了還原劑(亞硫酸氫鈉)，管道混合器出口采用氧化還原電位表控制還原劑的投加量。然而，由于還原了水中余氯，夏季還原劑投加點(diǎn)至反滲透進(jìn)口管道內(nèi)壁附著大量微生物黏液。微生物大量繁殖后進(jìn)入水中，導(dǎo)致保安過濾器使用壽命嚴(yán)重縮短，反滲透進(jìn)口壓力不斷升高，化學(xué)清洗頻繁等問題。

如果在完全清洗受污染管道的前提下，再投入一種非氧化性殺菌劑，即可控制住管道內(nèi)微生物的生長。對此，首先由管道混合器加入氧化性殺菌劑，從四套保安過濾器底排管引出廢液至事先準(zhǔn)備的清洗槽，然后用泵循環(huán)清洗殺菌四小時(shí)以上。為不影響系統(tǒng)產(chǎn)水，分別對每套高壓泵至反滲透進(jìn)口進(jìn)行循環(huán)殺菌處理，保證殺菌時(shí)間及余氯量。通過殺菌，保證系統(tǒng)內(nèi)附著的微生物完全殺滅。

配置反滲透專用非氧化性殺菌劑。在夏秋季四套反滲透同時(shí)運(yùn)行時(shí)從投加還原劑的管道混合器點(diǎn)每隔十二小時(shí)投運(yùn)一小時(shí)非氧化性殺菌劑，進(jìn)行沖擊式殺菌，從而完全抑制了微生物的生長。

3.4 反滲透化學(xué)清洗方案優(yōu)化

在線化學(xué)清洗管道是反滲透恢復(fù)產(chǎn)水量降低段間壓差最簡潔有效的辦法。然而，化學(xué)清洗頻繁既增加化學(xué)清洗費(fèi)用，且每次化學(xué)清洗對反滲透膜也有一定的損傷，清洗次數(shù)增多直接影響整套反滲透膜使用壽命。

由于反滲透一段進(jìn)口電導(dǎo)較低，進(jìn)口有機(jī)物及機(jī)械雜質(zhì)較多，易受有機(jī)物污染和機(jī)械雜質(zhì)堵塞。污染物集中在一段的第一二支膜內(nèi)，需通過堿洗恢復(fù)；二段進(jìn)水電導(dǎo)高，有機(jī)物雜質(zhì)少，易受結(jié)垢污染，垢主要集中在二段的最后兩支膜內(nèi)，需通過酸洗恢復(fù)。

然而，我車間使用的在線化學(xué)清洗設(shè)計(jì)執(zhí)行清洗一段時(shí)從一段進(jìn)口處進(jìn)，一段出口處出；清洗二段時(shí)二段進(jìn)口處進(jìn)，二段出口處出。清洗一段時(shí)，附著在一段的第一二支膜支撐層及膜表面的有機(jī)物及更換濾芯時(shí)帶入的少量機(jī)械雜質(zhì)清洗下來后，污染物必須從第一二支膜穿過整段六支膜才能帶出系統(tǒng)。

在堿洗時(shí)，有機(jī)污染物溶解后需通過整段膜后排出，但部分不溶有機(jī)物和機(jī)械雜質(zhì)需要清洗出系統(tǒng)非常困難，長期高壓運(yùn)行后造成機(jī)械雜質(zhì)和不溶性有機(jī)物磨損支撐層和膜表面，且無法根治去除，極大地影響了一段反滲透膜使用壽命和化學(xué)清洗效果。若采用離線體外清洗，不僅工作量大，費(fèi)用也昂貴。

如果反滲透一段采用逆向化學(xué)清洗，即可解決一段不溶性污染物和機(jī)械雜質(zhì)富集損傷膜等問題。另外，逆向清洗也可以作為反滲透日常維護(hù)沖洗手段。陶氏卷式膜與膜之間的濃水側(cè)靠橡膠密封圈密封，連接短件也靠密封圈密封。采用逆向清洗控制壓力在0.3 MPa以下是完全可行的，不會(huì)破壞膜及密封效果。化學(xué)清洗時(shí)，清洗液從一段出口進(jìn)入，逆向從污染少的膜組件進(jìn)入，逐漸進(jìn)入污染物多的膜，這樣很順利地將一段雜質(zhì)及微生物清洗掉，尤其是不溶性有機(jī)物和機(jī)械雜質(zhì)。

3.5 二級反滲透進(jìn)水有機(jī)物偏高的解決方案

我車間一級反滲透產(chǎn)水后為除去溶解在水中的二氧化碳?xì)怏w，在進(jìn)水箱前設(shè)置有除碳器。原理是將產(chǎn)水通過填料層噴灑成水膜，風(fēng)機(jī)空氣自下而上通過填料層，將溶解在水中的二氧化碳帶走。然而，除碳器靠近公司干道，汽車的揚(yáng)塵及空氣中微生物很容易溶解在水中，使得產(chǎn)生二次污染。如何達(dá)到既除去二氧化碳又不造成二次污染是解決二級反滲透進(jìn)水微生物偏高的有效途徑。

二氧化碳溶于水后以不穩(wěn)定的碳酸方式存在。如果向水中添加少量的堿，將水質(zhì)調(diào)整為弱堿性，則溶解在水中的二氧化碳完全以碳酸根的方式存在，則反滲透很容易去除。反應(yīng)方程式如下：

在運(yùn)行過程中將四套二級反滲透泵與四套堿液加藥泵聯(lián)鎖，調(diào)整加藥量，將二級反滲透進(jìn)水pH設(shè)置在8.0～8.5之間，便可很好地解決該問題。停運(yùn)除碳風(fēng)機(jī)，并對一級反滲透產(chǎn)水箱進(jìn)行密封，便于抑制微生物的生長。

4 改進(jìn)后的運(yùn)行效果

4.1 水 溫

改造后，夏季溫度較高時(shí)切換為用循環(huán)水對蒸汽冷凝液換熱。冬季進(jìn)水溫度5～9 ℃時(shí)，工藝補(bǔ)水全部改用換熱器對冷凝液換熱，出水溫度可達(dá)20～25 ℃，完全滿足反滲透進(jìn)水要求。春秋季節(jié)進(jìn)水溫度15～20 ℃，采用調(diào)整旁路蝶閥的開度來實(shí)現(xiàn)部分換熱，在保證冷凝液出水溫度的同時(shí)也控制好工藝補(bǔ)水溫度。通過此次技術(shù)改進(jìn)，我公司反滲透進(jìn)水溫度低的問題得以完全解決。與此同時(shí)，反滲透常年穩(wěn)定補(bǔ)水溫度，更有利于反滲透裝置的保養(yǎng)和運(yùn)行。現(xiàn)除鹽水站補(bǔ)水溫度已經(jīng)能穩(wěn)定在21～26 ℃，一級反滲透總的產(chǎn)水量得到了有效保證，解決了秋冬季供水緊張的問題。運(yùn)行情況見表2。與此同時(shí)，循環(huán)冷卻水使用量的減少，使循環(huán)水蒸發(fā)量、補(bǔ)水量及循環(huán)泵電耗下降。

表2 單套反滲透改進(jìn)后不同月份運(yùn)行情況對比

注：數(shù)據(jù)采集高壓泵頻率43 Hz，回收率75%。

從以上數(shù)據(jù)可看出，通過技改，一級反滲透A組全年運(yùn)行水溫穩(wěn)定，產(chǎn)水量及產(chǎn)水水質(zhì)變化較小，優(yōu)化了反滲透的運(yùn)行。技改后運(yùn)行兩年，對板式換熱器拆開檢查，在板片之間除冷水側(cè)有輕微的沉積垢外，其他并無明顯結(jié)垢和腐蝕。這是因?yàn)椋竟狙a(bǔ)水是經(jīng)原水凈化后濁度小于3 NTU的水，水庫水常年為弱堿性，電導(dǎo)恒定較低，氯離子及三價(jià)鐵離子等腐蝕離子極低，對板式換熱器304材質(zhì)無多大影響。經(jīng)濟(jì)效益和反滲透運(yùn)行效果非常明顯。

4.2 保安過濾器改造后的運(yùn)行情況

保安過濾器濾芯內(nèi)部增加T型絲繞管后，強(qiáng)化了濾芯受壓能力，同時(shí)也避免了有機(jī)物及機(jī)械雜質(zhì)通過保安過濾器滲入反滲透裝置，攔截能力得到了保證。改造后，濾芯表面攔截有機(jī)物增多時(shí)，保安過濾器同樣表現(xiàn)出進(jìn)出口壓差增加，由于有了內(nèi)部絲繞管的支撐，原來壓差達(dá)到0.1 MPa就需要更換濾芯，現(xiàn)在可以調(diào)整至0.15 MPa以上，延長了濾芯的使用壽命。濾芯更換時(shí)間延長，特別是夏秋季，非常明顯。經(jīng)濟(jì)效益及運(yùn)行效果非常明顯。

4.3 管道運(yùn)行改善情況

通過采取措施徹底殺菌，絕大部分附著在管壁及設(shè)備內(nèi)部的微生物被殺滅掉，同時(shí)每天兩小時(shí)沖擊式非氧化殺菌有效抑制住了夏秋季管道微生物的生長，在外界氣溫低的冬春季，可以停止或者幾天投加一次非氧化性殺菌劑，減少藥劑的使用量。運(yùn)行后夏季更換濾芯時(shí)，保安過濾器及管道內(nèi)無明顯微生物生長痕跡，微生物得到有效控制。

4.4 反滲透化學(xué)清洗改造后的清洗效果

通過改進(jìn)，采用一段進(jìn)口逆向清洗方式，很容易將進(jìn)口污堵的有機(jī)物及帶入系統(tǒng)的不溶性有機(jī)物及機(jī)械雜質(zhì)清洗出來，縮短了在線清洗的時(shí)間，減少了化學(xué)清洗對膜的損傷時(shí)間。另外，日常維護(hù)中對一段定期的逆向沖洗，延長了反滲透清洗后的使用時(shí)間，以前每年三次化學(xué)清洗，現(xiàn)降至一到二次。節(jié)省化學(xué)清洗的費(fèi)用和減少頻繁清洗對膜的損傷，效果極其明顯。

4.5 二級反滲透運(yùn)行情況

通過停運(yùn)除碳器，增加加堿程序，二級反滲透保安過濾器更換次數(shù)明顯減少。以往三月更換一次，通過加堿及濾芯支撐的改造，目前可半年更換一次。雖然加堿增加了一定的藥劑消耗，但消耗量較小，相比運(yùn)行除碳風(fēng)機(jī)的電耗基本能抵消運(yùn)行費(fèi)用。并且，濾芯更換頻率降低后，節(jié)約了濾芯的費(fèi)用，也獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 論

通過一系列的技術(shù)改造，逐步解決了水質(zhì)隨季節(jié)變化而周期變化以及運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各類問題。反滲透系統(tǒng)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行，取得了良好的運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)效益。

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