時(shí)間: 2018/12/14 10:24:45 作者: 
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來源: 來源: 1、自來水對(duì)人類健康的威脅和污染對(duì)凈化技術(shù)的挑戰(zhàn) | |||||||||||||||||
| 摘 要： 山東濱化集團(tuán)超濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)出力為每天10080噸，原水為黃河水，2004年12月投運(yùn)，2006年3月開始穩(wěn)定運(yùn)行至今。本文報(bào)道了超濾膜材料，超濾系統(tǒng)錯(cuò)流參數(shù)，超濾系統(tǒng)反洗，化學(xué)加強(qiáng)反洗條件以及化學(xué)藥洗控制等運(yùn)行條件對(duì)超濾系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響、選擇和優(yōu)化結(jié)果；超濾設(shè)備直接運(yùn)行的噸水成本約0.24元。筆者期望其中的一些參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)和運(yùn)行自來水系統(tǒng)具有借鑒意義。 關(guān)鍵詞： 黃河水；飲用水；超濾；聚砜；改性聚砜；超濾膜 | |||||||||||||||||
| 面超濾技術(shù)是保證飲水安全的重要手段之一[1]，特別是在解決賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲對(duì)飲水安全的威脅方面，超濾技術(shù)更是有著不可替代的重要作用[2]。然而，由于超濾技術(shù)本身和價(jià)格等方面的問題，超濾在中國自來水領(lǐng)域的應(yīng)用還剛剛開始，經(jīng)驗(yàn)還較為缺乏。與此同時(shí)，超濾技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域卻已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用和普遍接受。2008年日產(chǎn)超過50000噸的工業(yè)超濾系統(tǒng)也已經(jīng)開始投運(yùn)。本文報(bào)道了較大型超濾常年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，希望為超濾在飲用水方面的應(yīng)用提供借鑒。另一方面，超濾系統(tǒng)的噸水造價(jià)也已經(jīng)出現(xiàn)了明顯變化。對(duì)于大型超濾系統(tǒng)，預(yù)期壓力式膜組件每天噸水投資可以控制在75元左右，而壓力式膜系統(tǒng)每天噸水設(shè)備投資可以控制在45元以內(nèi)。膜系統(tǒng)價(jià)格的降低將使超濾技術(shù)在大型自來水制造領(lǐng)域獲得更高的競爭力。 另一方面，超濾系統(tǒng)的噸水造價(jià)也已經(jīng)出現(xiàn)了明顯變化。對(duì)于大型超濾系統(tǒng)，預(yù)期壓力式膜組件每天噸水投資可以控制在75元左右，而壓力式膜系統(tǒng)每天噸水設(shè)備投資可以控制在45元以內(nèi)。膜系統(tǒng)價(jià)格的降低將使超濾技術(shù)在大型自來水制造領(lǐng)域獲得更高的競爭力。 | |||||||||||||||||
| 1、工程概況 | |||||||||||||||||
| 山東濱化集團(tuán)于2003年始建熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠，其中鍋爐補(bǔ)給水采用經(jīng)過簡單沉淀的黃河水。在選擇水處理工藝時(shí)，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)使用傳統(tǒng)的多介質(zhì)過濾加活性炭吸附的反滲透預(yù)處理工藝不能保證反滲透系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行，而解決這一問題的出路之一是采用超濾過濾。經(jīng)過論證和篩選，最終確定了多介質(zhì)過濾與超濾結(jié)合的反滲透預(yù)處理工藝。 | |||||||||||||||||
2、工藝流程及設(shè)計(jì)參數(shù) | |||||||||||||||||
2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì) | |||||||||||||||||
| 系統(tǒng)采用40平方米的超濾膜組件84支，單位膜面積水通量為125L/m2?hr。運(yùn)行瞬時(shí)通量為135L/m2?hr。 設(shè)計(jì)反洗周期每60分鐘反洗一次。反洗過程中加入次氯酸鈉殺菌，用以控制超濾膜中細(xì)菌和微生物的滋生。設(shè)計(jì)錯(cuò)流濃水流量為120m3/hr.，大部分錯(cuò)流濃水流回到多介質(zhì)過濾器給水泵之前，濃水排放流量為10 m3/hr.。 超濾反洗使用反滲透濃水。超濾系統(tǒng)水利用率為97.7%。 設(shè)計(jì)化學(xué)藥洗周期為180天，用以去除超濾膜在運(yùn)行中受到的頑固膠體污染和生物污染，恢復(fù)膜性能。 | |||||||||||||||||
| 3、 運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化 | |||||||||||||||||
3.1 膜材料 | |||||||||||||||||
| 系統(tǒng)運(yùn)行的前15個(gè)月采用第一類超濾膜，膜材料為聚氯乙烯（PVC），內(nèi)壓式，膜絲內(nèi)外徑OD/ID =1.5 mm /1.0mm，標(biāo)稱截留分子量80000 Dalton。第16月后至今的48個(gè)月采用第二類超濾膜，膜材料為改性聚砜（mPS），內(nèi)壓式，膜絲內(nèi)外徑OD/ID =1.8 mm /1.2mm，標(biāo)稱截留分子量45000 Dalton。 | |||||||||||||||||
| 3.2 運(yùn)行通量 | |||||||||||||||||
| 本工程在投運(yùn)后前36個(gè)月運(yùn)行通量一直控制在125L/m2?hr ，化學(xué)藥洗周期大于等于6個(gè)月。2008年1月，工程增容后使得超濾用水壓力減低，運(yùn)行人員主動(dòng)將該超濾系統(tǒng)出力削減至65L/m2?hr。此時(shí)運(yùn)行跨膜壓差由0.06-0.08MPa下降至0.03-0.04MPa。這一壓差一直穩(wěn)定至今。 | |||||||||||||||||
| 3.3 超濾水利用率 | |||||||||||||||||
| 在更換聚砜超濾膜后進(jìn)行了超濾膜產(chǎn)水率優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。其中比較了排水量與反洗周期的變化。實(shí)驗(yàn)證明，可以將全部錯(cuò)流濃水回用而不影響超濾系統(tǒng)的運(yùn)行。此時(shí)超濾系統(tǒng)水利用率為98.3%。 | |||||||||||||||||
3.4 反洗周期及程序的優(yōu)化 | |||||||||||||||||
| 系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)反洗周期設(shè)定為60分鐘。每次反洗程序?yàn)檎龥_30秒，上加藥反洗（100ppm次氯酸鈉）30秒，下加藥反洗（100ppm次氯酸鈉）30秒，上下同時(shí)反洗30秒，正沖30秒。單只膜的反洗強(qiáng)度為12.5m3/hr. 在選擇和優(yōu)化反洗周期時(shí)主要考察反洗前后單套超濾膜組件跨膜壓差（TMP）以及產(chǎn)水量的變化。一般以反洗前后跨膜壓差無明顯變化、產(chǎn)水量變化±15%為宜。目前反洗周期為每產(chǎn)360m3水反洗一次，每次反洗程序保持不變。這一優(yōu)化可以提高水利用率0.3%。 | |||||||||||||||||
| 3.5 化學(xué)藥洗周期 | |||||||||||||||||
| 化學(xué)藥洗在系統(tǒng)出力下降到設(shè)計(jì)能力的90%時(shí)進(jìn)行。實(shí)際運(yùn)行中即使系統(tǒng)出力沒有明顯下降，每6個(gè)月也進(jìn)行一次維護(hù)性化學(xué)藥洗。 | |||||||||||||||||
| 3.6 完整性檢驗(yàn) | |||||||||||||||||
| 自動(dòng)完整性檢驗(yàn)系統(tǒng)可以對(duì)超濾系統(tǒng)定期做完整性檢驗(yàn)。打開產(chǎn)水閥門，向給水系統(tǒng)中加入壓縮空氣，將給水側(cè)水排凈后定時(shí)自動(dòng)關(guān)閉給水閥；到達(dá)指定壓力后自動(dòng)關(guān)閉氣閥；系統(tǒng)中安裝的壓力變送器將給水側(cè)氣體壓力變化傳送到DCS記錄和分析。2分鐘壓力損失超過5%的系統(tǒng)需要進(jìn)行人工完整性檢驗(yàn)，找出需要修補(bǔ)的超濾膜組件。 在每支超濾膜組件頂部產(chǎn)水管上安裝一段透明管，在人工完整性檢驗(yàn)時(shí)打開超濾產(chǎn)水排放閥門，向給水側(cè)加入壓縮空氣，提高給水側(cè)壓力；到達(dá)指定壓力后通過調(diào)整壓縮空氣加入量維持進(jìn)水側(cè)壓力在指定壓力；觀察產(chǎn)水透明管中是否有氣泡逸出。有氣泡逸出的超濾膜組件需要離線修補(bǔ)。 實(shí)際運(yùn)行中每周進(jìn)行一次完整性檢驗(yàn)。每天測定產(chǎn)水的SDI值也可以間接檢測超濾系統(tǒng)的完整性。 | |||||||||||||||||
| 4、 運(yùn)行結(jié)果與討論 | |||||||||||||||||
4.1 膜材料的影響 | |||||||||||||||||
| 兩類超濾膜組件分別安裝運(yùn)行后前12個(gè)月的統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表1。 表１ 兩種超濾膜運(yùn)行參數(shù) Tab. 1 Operation data of two types of UF membrane modules | |||||||||||||||||
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| 不同的膜材料必定影響膜的性能。當(dāng)然也不是某一種膜材料一定優(yōu)于另一種膜材料。在本工程的實(shí)踐中的確發(fā)現(xiàn)不同材料的膜組件表現(xiàn)出不同的性能。另一方面，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的增長顯然對(duì)后來更換的膜組件更有利。 在使用PVC超濾膜組件時(shí)，在原水中添加絮凝劑，投運(yùn)3個(gè)月內(nèi)SDI值在1.3-2.0之間，此后逐漸增加，投運(yùn)6個(gè)月時(shí)增加到4.2。此時(shí)發(fā)現(xiàn)斷絲問題。 使用PS膜組件時(shí)，在原水中添加絮凝劑前提下，SDI值僅為0.5-0.9。為了節(jié)省運(yùn)行成本，停止添加絮凝劑，此時(shí)SDI值隨給水水質(zhì)有所波動(dòng)，但保持在1-2之間。 對(duì)于反滲透預(yù)處理，超濾系統(tǒng)的污染指數(shù)(SDI)值尤為重要。這一指標(biāo)與水中細(xì)微懸浮物和膠體的總量相關(guān)聯(lián)。這一指標(biāo)的降低標(biāo)志著水中微生物和微生物碎片被濾除。一般地說，超濾膜截留分子量越小，產(chǎn)水的這一指標(biāo)也越低。當(dāng)然，當(dāng)膜組件發(fā)生斷絲時(shí)，這一指標(biāo)會(huì)明顯上升。 對(duì)于飲用水處理，超濾膜最大的優(yōu)勢(shì)就是阻隔懸浮物和致病微生物。一旦出現(xiàn)斷絲問題，這一優(yōu)勢(shì)就蕩然無存。因此在膜材料的選擇方面性能的權(quán)重顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于成本的權(quán)重。 | |||||||||||||||||
| 4.2 超濾膜的通量 | |||||||||||||||||
| 一般認(rèn)為超濾膜的初始與穩(wěn)定運(yùn)行通量之間有較大差距，且穩(wěn)定運(yùn)行通量會(huì)逐漸衰減。 本工程使用聚砜超濾膜系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，改性聚砜膜的通量非常穩(wěn)定。表1列舉了運(yùn)行48個(gè)月內(nèi)的通量記錄。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，歸一的膜通量僅在正負(fù)3%內(nèi)波動(dòng)。同時(shí)，這一穩(wěn)定運(yùn)行通量在膜出廠初始通量范圍內(nèi)。這一特點(diǎn)可能與膜的永久親水性有關(guān)，也可能與較粗膜絲的抗污染能力較高有關(guān)。另外該種膜標(biāo)稱的過濾孔徑小于0.01微米，這一過濾孔徑已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最小的固體懸浮物的直徑，因此避免了孔徑被固體顆粒堵塞的可能。 表2 聚砜超濾膜歸一通量 Tab. 2 Normalized flux of mPS membrane | |||||||||||||||||
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| 4.3 運(yùn)行費(fèi)用 | |||||||||||||||||
| 本工程超濾系統(tǒng)的直接運(yùn)行費(fèi)用主要包括藥劑費(fèi)（噸水成本0.02元）、電費(fèi)（按每千瓦時(shí)0.50元計(jì)，噸水成本0.18元）、膜組件更換費(fèi)（按6年，每平方米膜200元人民幣計(jì)，噸水成本0.04元），三項(xiàng)合計(jì)為0.24元/噸。 | |||||||||||||||||
| 5、結(jié)論 | |||||||||||||||||
| 雖然自來水領(lǐng)域與工業(yè)領(lǐng)域有不同的要求和標(biāo)準(zhǔn)，但是一般地說，市政領(lǐng)域?qū)τ谑褂贸瑸V處理水的水質(zhì)并不擔(dān)心[1,2]。市政領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域?qū)Τ瑸V的擔(dān)心是一致的，就是超濾長期穩(wěn)定運(yùn)行的問題和設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用的問題。超濾膜的斷絲問題也一度威脅到了本工程電廠和工藝用水質(zhì)量。但是經(jīng)過各方面的努力，經(jīng)過4年零10個(gè)月的實(shí)踐證明，超濾在本工程黃河水的處理中是成功的。 對(duì)本工程項(xiàng)目而言，超濾膜材料、超濾膜的親水性、超濾膜和超濾膜組件的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行均有至關(guān)重要的影響。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)黃河水而言，超濾膜的設(shè)計(jì)通量應(yīng)以80-100 L/m2?hr 為宜，此時(shí)跨膜壓差約為0.065MPa，反洗周期應(yīng)以60分鐘為宜；維護(hù)性化學(xué)藥洗周期為180天。 本工程也為超濾處理黃河水長期穩(wěn)定運(yùn)行提供了例證和參考。筆者期望也相信，超濾技術(shù)將為中國人喝上優(yōu)質(zhì)自來水作出貢獻(xiàn)。 | |||||||||||||||||
| 參考文獻(xiàn) | |||||||||||||||||
| [1] 李圭白，楊艷玲. 第三代市飲用水凈化工藝-超濾為核心的組合工藝[J]. 給水排水， 2007, 33(4):1. [2] 許航，陳為，袁哲，等. 湖泊水深度處理工藝的比較實(shí)驗(yàn)研究[J]. 給水排水, 2009， 35(9):22-25. | |||||||||||||||||