全膜法在黄河水处理中的应用 8页

[内容摘要]对于地表水这种存在较大波动性的水体，单纯地使用传统的水处理工艺（如混凝、澄清、砂滤、活性炭吸附等）得到的产水已不能满足后续深度处理设备的进水要求，为了解决这个问题，必须选用一种更加精密的过滤技术。在这种背景下，膜技术便应运而生了，尤其是近几年来发展迅速，具有精度高、产水水质好、占地小、操作简单、安全环保等特点。[关键词]全膜法；黄河水；超滤；反渗透；EDI 1、前言我国属于水资源短缺的国家，尤其随着工业、农业等各领域的不断发展壮大，对水资源的需求也急剧增加，从而造成可开采的地下水资源越来越少，工业用水成本越来越高。随着水资源日益匮乏，水源的供给已经成为企业扩张的制约因素。在这种严峻的现实情况下，就要求水处理公司与各领域业主共同努力找到开发新水源的解决之道。由此，就地取材，通过对企业周边的地表水的适当处理再利用便逐步成为水源供给的主流。在过去水处理技术不是很发达的时候，各行业很少选择地表水作水源，因为地表水往往悬浮物、COD、菌类等含量较高，且水质的季节性波动较大，尤其是黄河水，更是含有大量的泥沙，浊度很高。所以如果选用地表水水源将对水处理系统，特别是预处理系统提出了很高的技术要求。对于地表水这种存在较大波动性的水体，单纯地使用传统的水处理工艺（如混凝、澄清、砂滤、活性炭吸附等）得到的产水已不能满足后续深度处理设备的进水要求或用户用水水质标准，为了解决这个问题，必须选用一种更加精密的过滤或分离技术，在这种背景下，膜技术便应运而生了，其是近几年来发展迅速的一种高新技术，具有精度高、产水水质好、占地小、操作简单、安全环保等优点。以较具代表性的地表水——黄河水水源为例，山东利津利华益集团已前后投产了四期锅炉补给水处理系统，且第五期也正在建设中，均是采用黄河水作为水源，五期锅炉补给水系统规模共计800m3/h。2、原水水质数量单位项目ρ（B）mg/lC(1/nB±n）mmol/l数量单位项目mg/lmmol/l阳离子K+4.310.11全固型物—— Na+1175.09溶解固型物721 Ca2+41.82.09悬浮物13.6 Mg2+34.682.89硬度297 Fe2+————碳酸盐硬度—— Fe3+<0.3<0.011非碳酸盐硬度—— Al3+————负硬度—— ∑阳198.0910.19酚酞碱度—— 阴离子Cl－1664.68甲基橙碱度—— SO42－47.70.99酸度—— HCO3－154.92.54pH值8.03 CO32-00游离二氧化碳—— NO3-50.08可溶性SiO22.5 NO2-<0.001<0.0002耗氧量（O2）2.74 ∑阴373.608.29电导率（25℃，μs/cm）1072\n备注：取样位置黄河水库水 3、产水指标项目单位数值电导率μs/cm≤0.1（三年内）SiO2μg/L≤10（三年内）硬度 ≈0     4、工艺流程使用合格的水，是锅炉能够安全、经济、可靠、稳定运行的保证，如果水质不良，会在锅炉受热金属面上形成水垢，使锅炉金属发生腐蚀和恶化蒸汽品质，从而带来诸多严重后果。因而化学水处理系统一定要保证锅炉补给水的水质，同时化学水处理系统稳定运行也是非常重要的，所以在化学水处理系统的设计中综合考虑了原水水质、产品水质要求、系统运行稳定性、投资与运行成本等相关因素，并对各种处理工艺状况及设备性能进行了分析比较，最终为本套化学水处理系统选择了最为合理的工艺及设备，以达到经济与技术的最佳平衡。该工程的工艺流程示意图如下所示： 黄河水经过简单预处理（如絮凝、杀菌、多介质过滤等）后进入超滤装置，超滤装置主要是除去微粒的，它可以除去包括微生物在内的悬浮物及胶体。过滤出水再投加还原剂去除原水中的强氧化性物质，防止强氧化性物质氧化破坏反渗透膜；同时因为反渗透是通过半透膜，在一定压力作用下，浓溶液中的水向淡溶液渗透的过程，所以浓液侧盐液越来越浓，为了防止这些微溶盐在反渗透膜上结垢，我们采用投加阻垢剂的方法。超滤系统的产品水经过5微米的保安过滤后，由高压泵打入装有反渗透膜的压力容器内进行一级除盐处理，一级反渗透出水经过调节pH值除去水中的CO2，再进入二反渗透膜除盐处理。双级反渗透产品水进入EDI给水箱，经EDI给水泵升压后再经1微米的EDI保安过滤后打入EDI装置，\nEDI的主要作用是进一步除去反渗透产品水中的无机盐离子，以达到本工程锅炉补给水用水的要求。EDI产品水贮存于除盐水箱内，经除盐水泵升压后送至用水点。系统采用PLC就地控制和上位机远程控制。系统设备其中预处理、超滤、反渗透、EDI均采用全自动运行控制。系统可实现手动和自动的切换，在非常运行状态下，对设备、风机及水泵、控制阀可以进行手动操作。电气仪表控制一体化，电气设备和工艺过程的控制由一个控制系统完成，提高系统的完整性和可靠性。自控系统可实现以下控制功能：²      设备程序自动控制及系统连锁运行；²      设备运行操作，实现系统启动、运行、停运等操作；²      设备自动保护及系统运行连锁保护；²      系统故障自动分析、报警；²      系统运行状态监视、运行参数显示；²      系统运行数据采集、自动处理及保存；²      上位机远程控制系统（完成以上功能及工艺流程画面动态模拟、数据保存、曲线绘制、数据打印、对外远传数据）控制功能。 5、主要设计描述以山东利津利华益集团第三期工程为例：5.1超滤装置系统设计超滤装置6套，设计出力144m3/h，产水SDI≤3，系统利用率≥90%。采用全自动控制方式，根据用户需求，6套超滤装置即可同时运行，也可单独运行。 本工程超滤系统采用高水通量、特殊结构设计的抗污染、高强度和高恢复性的Savier超滤膜元件。超滤膜的过滤精度、抗污染性和膜破损（断丝）是选择超滤膜组件首先要考虑的三个关键问题。较高的过滤精度可以保证产品水的质量；较高的抗污染性和污染后的可恢复性可以延长超滤膜及组件的寿命；降低膜破损和避免断丝更对产水质量和膜组件寿命起到至关重要的作用。而Savier超滤膜可以很好的解决以上三方面的问题，使该产品具有如下特点：（1）较高的过滤精度用于水处理的超滤膜截留分子量一般为30000－道尔顿。Savier超滤膜截留分子量为45000道尔顿。这样的截留分子量大大地提高了Savier超滤膜过滤水的水质。在用于反渗透预处理时，Savier超滤膜产水的SDI一般小于1，可以保证小于2。通常情况下，截留分子量越低的超滤膜水通量越低，但是，Savier超滤膜具有良好的亲水性和理想的孔隙结构，因此Savier超滤膜在保证高水通量的同时，提高了过滤精度。（2）较强的抗污染性及可恢复性\nü       永久亲水性Savier超滤膜采用永久改性聚砜材料制成。Savier超滤膜经过成膜液共混亲水专有技术和成膜后亲水后处理专利技术，使得膜表面的亲水性得到深化和固定。这样处理得到的超滤膜在干燥、有机污染和油污染后其亲水性仍然得以保留。因此Savier超滤膜的抗污染性和被污染后的可恢复性均得到明显提高。另外，由于亲水性的提高与深化，膜的通量也同时得到较大的提高。 ü       较大的毛细管膜内径不难想象较粗的毛细管内径在同等条件下具有更好的抗污染性和可恢复性，但是同样外形尺寸的超滤膜组件，内部填充的毛细管膜直径越大，其中填充的毛细管膜的膜面积就越小。事实上在众多的实例中发现同样外形的膜组件，虽然较粗的毛细管膜组件膜面积较小，但是在同样的组件产水量的情况下其抗污染能力明显高于较细的毛细管膜组件。Savier超滤膜彻底摒弃了抗污染能力较差的小内径（0.6mm-0.8mm）毛细管超滤膜，将毛细管膜内径分别制成0.9mm、1.2mm、1.5mm和2.0mm。故可以根据原水被污染的程度选择较为适合的膜组件，使之抗污染能力和污染后可恢复能力得到保证。ü       均匀的布水方式Savier超滤膜采用分散集中式的专利布水方式，将每个膜组件内部分为18个次级组件，使每一根毛细管膜的跨膜压差趋于一致，因此避免了毛细管膜管通量不平均带来的个别毛细管通量过高，浓差极化严重和污染速度过快的现象，不仅保证了膜组件的过滤精度和出水水质，还使膜组件的抗污染能力进一步提高。 （3）Savier超滤膜较高的强度——较低的断丝率ü       较大的壁厚度为了提高超滤膜的机械强度，有效地控制膜破损和杜绝断丝，Savier超滤膜的厚度较大，其中内径为0.9mm、1.2mm、1.5mm和2.0mm的毛细管膜壁厚度分别为0.25mm、0.30mm、0.35mm、0.40mm。通常厚度的增加会使通量降低，但是Savier超滤膜通过良好的亲水性和理想的孔隙结构使得其在保证高机械强度的同时也保证超滤膜的通量。ü       特殊的根部保护膜破损和断丝是影响超滤膜寿命的最大问题。而毛细管膜根部与浇筑层结合部是最容易断裂的地方。Savier超滤膜组件采用了根部添加弹性材料的专利技术，实现了根部的柔性连接，彻底杜绝了毛细管根部断丝的隐患。\n 本工程超滤系统按错流过滤设计，通过错流提高超滤膜丝内腔的水流速度，可以防止超滤膜丝局部污染严重，从而保证整体的产水水质和超滤膜的使用寿命。同时，本工程的超滤系统还配有反洗水泵，化学反洗加药装置和化学清洗装置，这些装置可以及时将杂质冲洗出超滤膜，防止杂质的沉积，保证超滤设备的产水水质和产水量稳定。适用于黄河水使用的膜元件主要技术参数如下：膜元件型号SVU1060-C型式中空纤维（内压式）膜材质mPS膜丝内外径1.2/1.8mm膜面积40m2切割分子量45000道尔顿 5.2反渗装置系统设计双级反渗透装置1套，一级反渗透设计产水量132m3/h，脱盐率≥98%，回收率≥75%；二级反渗透设计产水量110m3/h，脱盐率≥95%，回收率≥85%。合理的膜元件选择及压力容器排列方式也是保证反渗透系统稳定运行及合格产水水质的重要因素。一级反渗透采用美国Hydranautics公司的CPA3型膜元件，其具有很高的脱盐率及较低的压力降，保证较高的产水水质。一级反渗透组件的排列方式是14-7。即UFU产水经高压泵打入14支装有6只反渗透膜的压力容器即反渗透的第一段，第一段的浓水出水再进入7支装有6只反渗透膜的压力容器的即反渗透的第二段，两段的产水汇合后作为一级反渗透的纯水。二级反渗透采用美国Hydranautics公司的ESPA4型低压大通量膜元件，其在节能方面具有突出优势。二级反渗透组件的排列方式是8-4。即预处理出水经高压泵打入8支装有5只反渗透膜的压力容器即反渗透的第一段，第一段的浓水出水再进入4支装有5只反渗透膜的压力容器的第二段。反渗透系统的其他设计特点：A、高压泵配软启动器\n高压泵配软启动器，可使高压泵在一定时间内缓慢启动，避免水锤效应对反渗透膜的损坏，此外软启动器较传统设计中慢开门的另一优越之处在于软启动器还防止高压泵瞬间启动时对电网冲击。B、必要的仪表阀门设置反渗透装置设有高压压力保护装置，当给水发生压力故障时，系统自动启停。反渗透膜纯水侧装有防爆膜，防止纯水侧压力对反渗透膜的破坏。反渗透装置设自动控制阀，对反渗透进行停机保护和系统高低压保护。C、化学清洗系统清洗系统的作用是根据膜污染的情况，配制一定浓度的清洗溶液，清除膜元件中的污染物，以恢复膜原有的特性。无论预处理如何彻底，经过长期使用后，膜表面仍会受到结垢的污染，因而需定时对膜进行清洗。清洗系统由清洗泵、清洗药箱及相关配件组成。清洗药液采用水力循环溶解的方式，在清洗之前利用清洗泵与药箱形成闭循环将药品溶解充分均匀。D、还原剂添加装置由于本工程预处理系统和超滤反洗系统中添加了氧化性杀菌剂，而反渗透膜元件对游离氯的要求较高，通常为不高于0.1ppm，游离氯含量超标氧化反渗透膜将给其造成不可恢复的破坏。故本工程预处理系统中采用了还原剂添加装置用以还原水中游离氯和超滤反洗残余氧化剂以保护反渗透膜。E、阻垢剂添加装置添加阻垢剂可以延缓盐晶体成长来推迟沉淀过程，促使晶体不会形成一定大小和足够的浓度而沉降下来。故采用此方法可防止反渗透的结垢污染，且该方法较易实现自动化控制，设备简单、成本较低。另外使用阻垢剂还可以减低硅、钡、锶沉淀，而软化则不能。同时软化设施的成本与流量成正比关系，而阻垢剂添加设施的成本与流量关系不大。因此，大型系统，多采用阻垢剂添加系统。 5.3EDI装置系统设计EDI装置2套，设计总产水量100m3/h，系统利用率≥90%，产水电导率≤0.2μs/cm。（1）EDI工艺：即连续电除盐（EDI，Electrodeionization或CDI，ContinuousElectrodeionization），是利用混和离子交换树脂吸附给水中的阴阳离子，同时这些被吸附的离子又在直流电压的作用下，分别透过阴阳离子交换膜而被去除的过程。这一过程中离子交换树脂是被电连续再生的，因此不需要使用酸和碱对之再生。这一新技术可以代替传统的离子交换装置，甚至能生产出电阻率高达18MΩ·cm的超纯水。（2）EDI(连续电除盐）可以在不使用酸碱再生的前提下产生高纯度的纯水，是较为先进的深度除盐技术。EDI技术有以下优点：ü           连续运行，产品水水质稳定；ü           以高产率产生超纯水（产率可高达99%）；ü           无须用酸碱再生；ü           节省了反冲和清洗用水；ü           无再生污水，不须污水处理设施；\nü           无须酸碱储备和酸碱稀释运输设施；ü           减少车间建筑面积；ü           使用安全可靠，避免工人接触酸碱；ü           减低运行及维修成本；ü           安装简单、安装费用低廉。（3）本工程选用的Canpure™EDI组件和其它的EDI组件相比，有下列优势：ü           特殊离子交换膜，交换容量高，选择性强；ü           独特的淡水室、浓/极水室设计；ü           电流效率高、低电压、低能耗；ü           并排排列管线，连接更简单；ü           结实的机械设计；ü           安装、维护、运行简单；ü           所有水路和电源均在一侧；ü           防水电源接头。 现Canpure™EDI已研制新型SuperEDI组件并已成功应用到实际案例中，该新型组件较传统的组件还具有如下优点：ü           SuperEDI无需加盐，降低了运行费用。ü           浓水（极水）和入水水流方向相反，避免结垢；（4）本工程EDI系统的设计特点ü           EDI膜块独立电源控制即使是同一厂家的EDI组件性能也不可能是完全一样的，要保证所有的EDI组件都要达到最佳工作状态，每个EDI组件其电压/电流应实现独立可调，并配有电压表和电流表。与此同时，为更有效的对每个EDI组件进行的单独调节，在每个EDI组件后设置取样阀以随时监测每个EDI组件的产品水水质。ü           EDI极水排气EDI系统运行时极水会产生氢气。H2的爆炸极限是4%（v/v）,一般的安全的界线是1%。因此极水中气体必须被稀释排放。国内发生过因EDI极水中H2浓度过高引起爆炸而致命的惨剧，因此必须引起重视。ü           EDI浓水回收由于EDI浓水的水质很好（优于反渗透入水），故将EDI浓水回收至反渗透入水前，从而有效的提高了整个水处理系统的水利用率。 6、运行情况\n山东利津利华益集团第三期工程锅炉补给水系统于2005年7月投产，到目前为止运行十分稳定。主要运行指标为：（1）超滤装置产水量≥144m3/h产水SDI≤2产水浊度≤0.1NTU回收率≥90%（2）反渗透装置产水量≥110m3/h一级回收率≥75%，二级回收率≥85%双级脱盐率≥99%（3）EDI装置产水量≥100m3/h回收率≥90%产水电阻率≥12MΩ·cm产水SiO2＜10ppb产水满足该项目锅炉补给水水质要求。 7、结束语无论是对于黄河水水源还是其他更恶劣的水源条件，全膜法正在以其技术先进、自动化程度高、操作维护简单、运行成本低、占地面积小、环保节能等无可代替的优势逐步成为水处理最先进的工艺技术。相信随着膜技术的不断进步，膜材料的不断完善，膜法投资成本的不断降低，全膜法工艺将会给企业、社会乃至整个地球创造更多的效益和惊喜。