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全膜法水處理技術
將微濾、超濾、反滲透和電去離子（EDI）等4 種膜分離技術有機地組合在一起應用于工業水處理，達到高效去除污染物和脫鹽目的技術，稱之為全膜水處理技術。近幾年，全膜法因在水處理過程中不需酸、堿，操作方便，出水水質好和性能穩定等突出的優點，在許多電廠中得到應用〔1〕。筆者以某電廠鍋爐補給水系統為例，就全膜法水處理技術在電廠中的應用做初步分析和探討。

 

1 鍋爐補給水處理系統工藝

 

1.1 系統工藝流程

 

某電廠鍋爐補給水處理系統采用全膜法水處理工藝，設計為兩套系統，每套系統產水能力為34m3/h，其工藝流程為：機械加速澄清池出水→纖維過濾器→清水箱→清水泵→自清洗過濾器→超濾裝置→超濾水箱→超濾水泵→保安過濾器→一級高壓泵→一級反滲透裝置→一級淡水箱→保安過濾器→二級高壓泵→二級反滲透裝置→二級淡水箱→二級淡水泵→EDI→除鹽水箱→除鹽水泵→主廠房。該工程水源為水庫來水，水質為：K+ 6.58 mg/L，Na+16mg/L，Ca2 + 17.2 mg/L，Mg2 + 7.0 mg/L，Fe3 + 0.41 mg/L，Al3+ 0.016 mg/L，Cl- 24.6 mg/L，SO42- 7 mg/L，SiO2（全）7.55 mg/L，總硬度70.9 mg/L，COD 5.92 mg/L，懸浮物24，pH 8.48。經機械加速澄清池處理，保證其出水懸浮物≤10 mg/L 后，再進入鍋爐補給水處理系統。

 

1.2 系統工藝特點及運行方式

 

1.2.1 纖維過濾器

 

纖維過濾器為MPCF150 孔隙調節型，單臺處理能力150 m3/h，過濾器采用韓國曉林產業株氏會社生產的PP 材質纖維絲纏繞濾芯，過濾精度為5 μm。

 

纖維過濾器運行方式為程控自動運行，在過濾過程中對纖維絲施以回轉機具壓榨，使其纖維絲縱向之間孔隙變小，水中的懸浮物均被擋住留在纖維絲外，過濾后得到清潔的處理水。當過濾器內被截留的懸浮污物（雜質）增多，處理水量下降，壓差達到設定值，自動進入反沖洗過程；反洗時讓過濾器的壓榨機具放松，使過濾纖維的孔隙在舒張的狀態下，用羅茨風機來空氣和反洗水合洗，將污物通過排放管排除，然后又自動進入過濾程序。工作原理如圖 1 所示。

 

 

 

 

圖 1 纖維過濾器運行原理

 

（1）纖維過濾器在初期運行時，當壓差為0.08 MPa時進行自動反洗，反洗壓差設定范圍為0.05 ～0.12 MPa，反洗壓差不能設定過高，設定過高會造成過濾水質惡化、水量減少、排管異常等。設備運行7 個月后，發現當設備壓差達到0.05 MPa 前系統出水懸浮物已經超出設計值5 mg/L，對纖維絲進行了人工清洗，反洗改為根據時間自動進行，每70 min自動反洗一次。

 

（2）在反洗時，采用氣水合洗，反洗水量控制為130～150 m3/h，反洗水壓力0.15 MPa，反洗進風量為19.5 m3/min，壓力為0.05 MPa，進氣采用底部進氣有兩個目的：一是空氣擦洗；二是利用空氣上升的動力使纖維絲抖動，纖維絲之間產生摩擦，這樣黏附的固體就比較容易去掉。擦洗過程中，纖維絲為脈沖式的放松和旋緊，持續放松25 s 后旋緊纖維絲5 s，再放松纖維絲25 s，運行初期，放松、旋緊過程為4 次，運行7 個月后放松、旋緊過程為7～8 次。

 

1.2.2 超濾系統

 

超濾系統運行方式為錯流過濾，配置為兩套，每套處理能力為56 m3/h，系統回收率≥95％，每套超濾裝置的核心部分為15 支荷蘭NORIT 公司生產的Aquaflex SXL225 FSFC 中空纖維膜組件。

 

超濾系統的啟動、運行、沖洗、停機備用等過程均由超濾PLC 實現自動控制。原水在中空纖維的內部流動，而產水則是在原水流經膜的過程中逐漸由內壁向外壁透過（稱為內壓式），收集后，成為超濾產水從產水端排出。超濾運行過程中控制膜過濾壓差（TMP）小于0.08 MPa，TMP 最大不能超過0.10 MPa否則會導致在膜的表面形成無法反洗掉的污垢。超濾運行一段時間后被截留的懸浮物、細菌、大分子有機物、膠體等就堆積在纖維內表面，此時膜的進水側與產水側的壓差會逐漸增加，需要進行水力清洗。

 

（1）系統設定每運行30 min 后進行一次水力清洗，水力清洗主要分為正沖擦洗和反洗，正沖擦洗控制正沖流量為56 m3/h，壓縮空氣壓力為0.1 MPa，空氣流量為150 m3/h，時間為10 s，反洗過程中控制流量為240 m3/h，TMP 小于0.25 MPa，時間為30 s，反洗時間要保證能夠將所有污物不僅僅是清除出膜組件，而且要保證清除出膜系統。

 

（2）為了清除水力清洗無法除去的所有污物，在系統進行水力清洗30 個周期后，進行一次化學加強反洗，化學加強反洗分為堿洗（NaOH+NaClO）和酸洗（HCl），堿洗的目的主要除去有機物，酸洗的目的主要除去金屬氧化物，運行過程中3 次堿洗后進行一次酸洗，堿洗過程中控制pH 為12，NaClO 質量濃度為200 mg/L，酸洗過程中控制pH 為2，整個化學加強反洗過程中控制流量為120～150 m3/h，同時注意控制TMP 不能超過0.25 MPa。

 

（3）預處理系統運行結果如表 1 所示。

 

 

 

 

表 1 預處理系統運行結果 注：以2012-08-07~2012-08-16 十天運行數據為例。

 

由表 1 可見，預處理系統出水濁度為0.02～ 0.05 NTU，SDI＜2，完全滿足反滲透入水要求。

 

1.2.3 反滲透系統

 

反滲透脫鹽系統由兩級膜處理裝置組成，一級反滲透裝置設置2 個系列，每列產水量42 m3/h，每列配置60（6：4 排列）支陶氏BW30-400 型聚酰胺復合膜元件，系統設計脫鹽率≥97％，回收率為75％。二級反滲透裝置設置2 個系列，每列產水量36 m3/h，每列配置36（4：2 排列）支陶氏BW30-365 型聚酰胺復合膜元件，系統設計脫鹽率≥99％，回收率為85％。一、二級保安過濾器濾元過濾精度均為5 μm。

 

反滲透脫鹽系統的運行和監控由PLC、儀表、計算機系統和工藝流程模擬屏執行。系統運行過程中高壓泵啟動時，為了防止高壓水源直接沖擊膜元件，造成膜元件的破裂，高壓泵出口電動慢開門逐漸打開，使膜系統水壓逐漸穩定升高，同時加藥泵自動啟動（一級反滲透入口加還原劑和阻垢劑，二級反滲透入口加NaOH），反滲透系統正常運行時，給水／ 濃水流沿著反滲透膜表面以一定的流速流動，污染物很難沉積下來，但是如果反滲透系統停止運行，這些污染物就會立即沉積在膜的表面，對膜元件造成污染。所以在反滲透系統停運前設置了自動沖洗，利用干凈水對膜元件表面進行停運沖洗，以防止這些污染物的沉積。一級反滲透沖洗流量為56 m3/h，二級反滲透沖洗流量為45 m3/h，沖洗時間為10 min。

 

（1）運行過程中控制反滲透入口壓力為1.0 MPa，同時注意保安過濾器進出口壓差小于0.2 MPa，若大于0.2 MPa 需要更換濾芯。同時運行中注意控制產品水的壓力永遠不會超過給水或濃水的壓力。

 

（2）為了保證高壓泵安全運行，高壓泵運行過程中設置了入口壓力低和出口壓力高保護，當低壓信號或高壓信號觸發保持3 s 后，高壓泵自動停止，設置值為壓力低≤0.1 MPa，壓力高≥1.8 MPa。

 

（3）反滲透膜雖然能夠承受短期的氯和次氯酸根的攻擊，但若連續接觸將會破壞膜的分離能力，由于氧化性破壞引起膜性能的下降，反滲透膜入口余氯的含量一般要求控制＜0.1 mg/L，為了防止游離氯超標，在一級反滲透入口設置了還原劑加藥管路，同時安裝了ORP 表，用于控制和調整加藥量，還原劑采用NaHSO3，藥劑質量分數為10%，通過加藥裝置控制加藥量。當ORP 表顯示≤150 mV 時，停止加藥泵；當150 mV＜ORP≤250 mV 時，加藥泵頻率自動控制25 Hz；當250 mV＜ORP＜300 mV 時，加藥泵頻率自動調整至50 Hz；當ORP>300 mV 時，停止運行所有反滲透組件，以防引起膜的嚴重損壞。另外系統長時間連續運行時，水中鈣鎂等離子會不斷析出并在反滲透膜表面附著，形成結垢堵塞膜孔，為延緩鈣鎂等離子的析出和膜面結垢，在一級反滲透入口水中投加了阻垢劑，因為機加池用混凝劑為聚合鋁，為了防止與聚合鋁形成不溶聚合物，阻垢劑選用與聚合鋁相兼容的藥劑，阻垢劑質量分數為10%，加藥量為2～4 mg/L。

 

（4）在二級反滲透入口設置了加堿系統，投加的堿液為質量分數20%的NaOH，質量濃度過高pH 不好調節，控制二級反滲透入口pH 為8.3 左右。主要有以下兩個目的：第一，由于反滲透膜對水中CO2的透過率幾乎為100%，而從碳酸的電離度與水中pH的關系中可見，當pH 約為8.3 時溶液中幾乎只含有HCO3-，這樣HCO3-通過反滲透系統全部去除，間接實現了去除CO2的目的，提高反滲透的脫鹽率。第二，當pH ＜8 時，溶解硅以硅酸的形式存在，如硅酸的濃度超過其溶解度，硅將沉積出來；當水的pH>8時，硅的溶解度增加，此時，硅酸電離為硅酸根SiO32-，為防止硅在膜表面沉積，需保證二級反滲透進水pH 在8.0 以上〔2〕。

 

（5）反滲透系統運行結果如表 2、表 3 所示。

 

 

 

 

表 2 一級反滲透運行結果 注：以2012-08-07~2012-08-16 十天運行數據為例。

 

 

 

 

表 3 二級反滲透運行結果