內(nèi)壓式超濾膜與外壓式超濾膜的工程應(yīng)用分析比較

杜娟

（山鋼股份有限公司濟(jì)南分公司，濟(jì)南　250101）

施工、設(shè)備與材料

內(nèi)壓式超濾膜與外壓式超濾膜的工程應(yīng)用分析比較

杜娟

（山鋼股份有限公司濟(jì)南分公司，濟(jì)南250101）

根據(jù)內(nèi)壓式超濾膜和外壓式超濾膜組件在冶金污水回用處理工程中的實(shí)際應(yīng)用，從運(yùn)行參數(shù)、出水水質(zhì)、清洗周期等方面對(duì)兩者進(jìn)行了綜合分析比較，同時(shí)分析了超濾膜污染的成因、工藝優(yōu)化采取的措施。結(jié)果表明，外壓式超濾膜跨膜壓差的穩(wěn)定性和產(chǎn)水透過率優(yōu)于內(nèi)壓式超濾膜，2種膜的產(chǎn)水水質(zhì)接近，外壓式超濾膜的化學(xué)清洗周期是內(nèi)壓式超濾膜的3倍，外壓式超濾膜更適用于大流量冶金污水反滲透脫鹽的預(yù)處理。

內(nèi)壓式；外壓式；冶金污水；超濾；反滲透

在冶金污水處理中，當(dāng)污水凈化水含鹽量無法滿足企業(yè)供水系統(tǒng)或用水單元要求時(shí)，需進(jìn)行脫鹽處理。超濾膜因具有能耗低、單級(jí)分離效率高、過程簡單、出水水質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于反滲透脫鹽的預(yù)處理［1-2］。

濟(jì)鋼綜合污水處理回用工程采用超濾和反滲透脫鹽處理冶金污水，回用于生產(chǎn)系統(tǒng)作為循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)充水，在系統(tǒng)中以內(nèi)壓式超濾設(shè)備作為反滲透的預(yù)處理工藝［3］。在實(shí)際運(yùn)行中，七孔內(nèi)壓式超濾膜的處理效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，超濾膜平均跨膜壓差高、污堵速度快、產(chǎn)水率降低、化學(xué)清洗周期短，影響了反滲透設(shè)備的正常運(yùn)行和系統(tǒng)穩(wěn)定。為了解決上述工藝處理中存在的問題，在該系統(tǒng)中增設(shè)了2套外壓式超濾裝置。本文對(duì)內(nèi)壓式超濾膜與外壓式超濾膜的出水水質(zhì)、清洗周期、跨膜壓差、產(chǎn)水透過率等參數(shù)進(jìn)行分析比較，為超濾工藝在冶金行業(yè)綜合污水處理回用中的應(yīng)用提供參考。

1　污水回用處理工藝流程

1.1預(yù)處理工藝

濟(jì)鋼綜合污水處理回用工程于2007年底投產(chǎn)運(yùn)行，設(shè)計(jì)處理污水量為3.34萬t/d。污水主要來源于各濁環(huán)水系統(tǒng)的排污水，主要污染物為硬度、油、重金屬、有機(jī)物等。預(yù)處理系統(tǒng)采用高密池混凝沉淀和V型濾池過濾方法，通過混凝沉淀和過濾等物化處理去除污水中懸浮物、硬度、重金屬、腐殖酸、油類及部分不溶性CODCr等物質(zhì)，使預(yù)處理后水質(zhì)達(dá)到雙膜法處理進(jìn)水水質(zhì)要求。中水進(jìn)入超濾的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　超濾進(jìn)水水質(zhì)Tab.1　Inf1uent water qua1ity of u1trafitration

1.2超濾處理工藝

預(yù)處理后中水送入除鹽水站，除鹽水系統(tǒng)有6套內(nèi)壓式超濾裝置，每套52支膜組件，單套超濾最大凈產(chǎn)水量為164 m3/h，2013年增加2套外壓式超濾裝置，每套70支膜組件，單套超濾最大凈產(chǎn)水量為200 m3/h。工藝流程如圖1所示。

圖1　超濾工藝流程Fig.1　U1trafi1tration f1ow

1.3內(nèi)壓式超濾膜與外壓式超濾膜組件

內(nèi)壓式、外壓式超濾膜組件的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2　內(nèi)壓式超濾膜與外壓式超濾膜性能參數(shù)Tab.2　Performance parameters of interna1 pressure and externa1 pressure u1trafi1tration membrane

2　內(nèi)壓式超濾膜與外壓式超濾膜組件應(yīng)用比較

通過實(shí)際運(yùn)行，對(duì)內(nèi)壓式超濾膜與外壓式超濾膜組件的性能、產(chǎn)水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要性能包括跨膜壓差、產(chǎn)水量及產(chǎn)水透過率、清洗周期，產(chǎn)水水質(zhì)包括出水濁度、SDI值、CODCr去除率。

2.1運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

選取內(nèi)壓式超濾與外壓式超濾裝置在穩(wěn)定運(yùn)行期的參數(shù)進(jìn)行比較。2組膜組件運(yùn)行方式均采用錯(cuò)流過濾，控制產(chǎn)水率為90%左右。常規(guī)反洗基本相同，為每運(yùn)行30min進(jìn)行30 s下排反洗和上排反洗，化學(xué)加強(qiáng)反洗為每10個(gè)周期進(jìn)行1次鹽酸加強(qiáng)反洗，鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，投加量為400～500mg/L，每10個(gè)周期進(jìn)行1次氫氧化鈉加強(qiáng)反洗，氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，投加量為50～100mg/L。2組膜組件運(yùn)行差別在于外壓式超濾裝置在每個(gè)運(yùn)行周期后增加了1次30 s的氣洗。內(nèi)壓式與外壓式超濾裝置運(yùn)行結(jié)果如表3所示。

表3　內(nèi)壓式、外壓式超濾裝置運(yùn)行參數(shù)Tab.3　Operating parameters of interna1 pressure and externa1 pressure u1trafi1tration devices

從運(yùn)行情況看，在基本相同的運(yùn)行模式下，內(nèi)壓式超濾的運(yùn)行跨膜壓差自0.04 MPa上升到0.10 MPa的時(shí)間為12～15 d，相應(yīng)外壓式超濾膜為40～45 d，外壓式超濾膜跨膜壓差上升速度慢；內(nèi)壓式超濾膜的在線化學(xué)清洗頻率幾乎是外壓式超濾膜的3倍。這表明外壓膜的抗污染性能較好，常規(guī)的反洗能較好地保證膜受污染程度處在較低的狀態(tài)［4］。

產(chǎn)水透過率為膜通量與跨膜壓差的比值，是衡量超濾膜組件產(chǎn)水經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要指標(biāo)。45 d的內(nèi)壓式超濾膜組件與外壓式超濾膜組件產(chǎn)水透過率計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比如圖2所示。

圖2　內(nèi)壓、外壓超濾膜產(chǎn)水透過率Fig.2　Produced water permeabi1ity of interna1 pressure and externa1 pressure u1trafi1tration membrane

從圖2可以看出，外壓式超濾膜組件的產(chǎn)水透過率較內(nèi)壓式的穩(wěn)定，外壓式超濾膜產(chǎn)水透過率平均為1 195 L/（m2·h·MPa），內(nèi)壓式超濾膜產(chǎn)水透過率為831 L/（m2·h·MPa），外壓式超濾膜產(chǎn)水透過率高于內(nèi)壓式超濾膜44%。內(nèi)壓式超濾膜相比外壓式超濾膜污染嚴(yán)重，需要頻繁地化學(xué)清洗才能穩(wěn)定運(yùn)行，而苛刻和頻繁的化學(xué)清洗損傷膜，運(yùn)行和操作費(fèi)用增加［5］。膜污染與污染物在膜表面及膜孔徑內(nèi)的附著情況有關(guān)，在常規(guī)在線反洗和加強(qiáng)反洗相同的條件下，外壓式超濾膜在反洗時(shí)膜表面及膜孔內(nèi)所吸附的污染物更易脫離濾膜，同時(shí)外壓式超濾裝置增加的壓縮空氣氣洗有助于此過程的進(jìn)行，從而使膜通量在較長時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定。

2.2產(chǎn)水水質(zhì)對(duì)比

2.2.1產(chǎn)水濁度

污水中含有懸浮物、無機(jī)物、微生物和膠體等物質(zhì)，因此，濁度是反映產(chǎn)水水質(zhì)的重要指標(biāo)，內(nèi)壓式、外壓式超濾膜出水濁度如圖3所示。

圖3　內(nèi)壓式、外壓式超濾膜出水濁度Fig.3　Eff1uent water turbidity of interna1 pressure and externa1 pressure u1trafi1tration membrane

從圖3可以看出，超濾進(jìn)水濁度為3.9～6.5 NTU，平均濁度為5.02 NTU，內(nèi)壓式超濾膜出水濁度為0.6～3.2 NTU，平均濁度為1.56 NTU，外壓式超濾膜出水濁度為1.2～3.4 NTU，平均濁度為1.95 NTU，內(nèi)壓式超濾膜和外壓式超濾膜對(duì)濁度的平均去除率分別為69%和61%。

2.2.2出水SDI值

反滲透污染指數(shù)（SDI）是衡量反滲透進(jìn)水水質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，內(nèi)壓式、外壓式超濾膜產(chǎn)水SDI值如圖4所示。

圖4　內(nèi)壓式、外壓式超濾膜產(chǎn)水SDI值Fig.4　Produced water SDI va1ue of interna1 pressure and externa1 pressure u1trafi1tration membrane

從圖4可以看出，內(nèi)壓式超濾膜產(chǎn)水SDI平均值為2.46，波動(dòng)范圍為1.6～3.8，外壓式超濾膜產(chǎn)水SDI平均值為2.63，波動(dòng)范圍為1.7～3.6。受冶金污水預(yù)處理水質(zhì)波動(dòng)的影響，內(nèi)壓式、外壓式超濾膜出水SDI值的波動(dòng)都較為明顯。內(nèi)壓式、外壓式超濾膜產(chǎn)水水質(zhì)比較接近，SDI值均小于4，按照反滲透系統(tǒng)進(jìn)水SDI值小于3的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)水合格率都在70%左右。從反滲透系統(tǒng)運(yùn)行情況看，反滲透保安過濾器濾芯的更換周期為2個(gè)月左右，反滲透系統(tǒng)每3個(gè)月左右進(jìn)行1次化學(xué)清洗，2種超濾產(chǎn)水基本滿足反滲透進(jìn)水SDI值的要求。

2.3化學(xué)清洗次數(shù)對(duì)比

冶金行業(yè)的濁環(huán)水系統(tǒng)的排污水水質(zhì)復(fù)雜，波動(dòng)性大，超濾膜通量下降主要是由于膜污染造成的。通過對(duì)超濾設(shè)備的清洗記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，單臺(tái)內(nèi)壓式超濾膜平均化學(xué)清洗次數(shù)為28次/a，外壓式超濾膜平均化學(xué)清洗次數(shù)為10次/a。外壓式超濾膜的化學(xué)清洗周期是內(nèi)壓式超濾膜的3倍，其抗污染性能優(yōu)于內(nèi)壓式超濾膜。通過對(duì)超濾膜污堵物取樣分析，2種超濾膜截留的污染物成分基本相同，其中有機(jī)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.33%，鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27.2%，鐵類物質(zhì)也較多，證明主要是膠體、細(xì)菌、微生物以及無機(jī)鹽類結(jié)垢造成膜的污堵。針對(duì)污堵物，采取了酸洗、堿洗、氧化劑清洗的化學(xué)清洗方案，酸洗去除污堵無機(jī)物尤其是鐵膠體的效果比較明顯，堿洗和氧化劑清洗去除截留在超濾膜膜孔內(nèi)的有機(jī)物，并殺死細(xì)菌［6］。

3　反滲透裝置運(yùn)行結(jié)果

濟(jì)鋼綜合污水處理回用工程采用的反滲透膜為美國陶氏化學(xué)公司BW30-365FR的抗污染反滲透膜組件。由于超濾單元增加外壓式超濾裝置，工藝優(yōu)化后出水水質(zhì)控制較好（SDI值≤4，濁度≤2 NTU），反滲透裝置運(yùn)行穩(wěn)定，進(jìn)水壓力為1.0～1.2 MPa，一段壓差為0.5～0.8 MPa，二段壓差為1.0～1.5 MPa，產(chǎn)水電導(dǎo)率≤60 μS/cm，脫鹽率可達(dá)到96%以上。

4　結(jié)論

通過對(duì)冶金污水深度處理中內(nèi)壓式超濾膜和外壓式超濾膜的工程應(yīng)用比較可知，由于2種膜的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和運(yùn)行方式不同，外壓式超濾膜平均跨膜壓差上升速度明顯低于內(nèi)壓式超濾膜，平均產(chǎn)水透過率較內(nèi)壓式超濾膜高44%。外壓式超濾膜的化學(xué)清洗周期是內(nèi)壓式超濾膜的3倍，外壓式超濾膜的抗污染性能更好。內(nèi)壓式超濾膜和外壓式超濾膜的產(chǎn)水平均SDI值分別為2.46和2.63，對(duì)于大流量的冶金污水處理及回用，2種超濾膜基本符合反滲透進(jìn)水要求。綜合以上比較，在冶金污水深度處理中外壓式超濾膜的出水效果優(yōu)于內(nèi)壓式超濾膜。

［1］張壘，薛改鳳，鮑俊芳.膜技術(shù)在鋼鐵廢水處理及回用中的應(yīng)用［J］.工業(yè)用水與廢水，2010，41（1）：19-21.

［2］曾堅(jiān)賢，葉紅齊.超濾分離技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用［J］.工業(yè)用水與廢水，2009，40（2）：1-5.

［3］陸善忠，楊樹雄.雙膜法在鋼鐵企業(yè)廢水回收利用中的應(yīng)用［J］.給水排水，2008，34（4）：61-64.

［4］錢勤，金潔，汪沛豐.兩種內(nèi)壓式超濾膜組件在反滲透預(yù)處理中的應(yīng)用［J］.工業(yè)用水與廢水，2008，39（3）：91-94.

［5］左瀅，沈菊李，呂曉龍，等.超濾膜組件結(jié)構(gòu)與性能研究［J］.水處理技術(shù)，2014，40（9）：101-104.

［6］黃翔峰，李光，徐竟成.鋼鐵企業(yè)廢水污染物形態(tài)分析及混凝深度處理試驗(yàn)研究［J］.四川環(huán)境，2007，26（4）：1-4.

Analysis and comparison between internal pressure and external pressure ultrafiltration membrane applied in engineering project

DU Juan
（Jinan Branch of Shandong Iron and Steel Group Company Limited.，Jinan 250101，China）

According to the practica1 app1ication of interna1 pressure and externa1 pressure u1trafi1tration membrane modu1es in meta11urgy wastewater treatment project，the differences between the said two kinds of membrane modu1es were ana1yzed and compared from aspects of operation parameters，eff1uent water qua1ity，c1eaning period and some other factors；meanwhi1e，the causes of u1trafi1tration membrane fou1ing and measures adopted for process optimization were a1so ana1yzed.The resu1ts showed that，the stabi1ity and produced water permeabi1ity of externa1 u1trafi1tration membrane was superior to that of the interna1 pressure membrane，the produced water qua1ity of the said two kinds of membranes was simi1ar.The chemica1 c1eaning period of the externa1 pressure u1trafi1tration membrane was 3 times the period of the interna1 pressure u1trafi1tration membrane.Therefore，externa1 pressure u1trafi1tration membrane is more suitab1e for reverse osmosis desa1ination pretreatment of 1arge f1ow meta11urgy wastewater.

interna1 pressure；externa1 pressure；meta11urgy wastewater；u1trafi1tration；reverse osmosis

X703.1；X756.031

A

1009-2455（2016）03-0045-04

杜娟（1979-），女，山東濟(jì)南人，工程師，碩士研究生，主要從事鋼鐵行業(yè)工業(yè)水處理工作，（電子信箱）154114730@qq.com。

2016-04-07（修回稿）