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超滤膜处理黄河水工程实例
时间: 2018/12/14 10:24:45 作者: 来源:

1、自来水对人类健康的威胁和污染对净化技术的挑战

摘 要: 山东滨化集团超滤系统设计出力为每天10080吨,原水为黄河水,2004年12月投运,2006年3月开始稳定运行至今。本文报道了超滤膜材料,超滤系统错流参数,超滤系统反洗,化学加强反洗条件以及化学药洗控制等运行条件对超滤系统稳定运行的影响、选择和优化结果;超滤设备直接运行的吨水成本约0.24元。笔者期望其中的一些参数对设计和运行自来水系统具有借鉴意义。
  关键词: 黄河水;饮用水;超滤;聚砜;改性聚砜;超滤膜
面超滤技术是保证饮水安全的重要手段之一[1],特别是在解决贾第鞭毛虫和隐孢子虫对饮水安全的威胁方面,超滤技术更是有着不可替代的重要作用[2]。然而,由于超滤技术本身和价格等方面的问题,超滤在中国自来水领域的应用还刚刚开始,经验还较为缺乏。与此同时,超滤技术在工业领域却已经得到了广泛应用和普遍接受。2008年日产超过50000吨的工业超滤系统也已经开始投运。本文报道了较大型超滤常年的运行经验,希望为超滤在饮用水方面的应用提供借鉴。另一方面,超滤系统的吨水造价也已经出现了明显变化。对于大型超滤系统,预期压力式膜组件每天吨水投资可以控制在75元左右,而压力式膜系统每天吨水设备投资可以控制在45元以内。膜系统价格的降低将使超滤技术在大型自来水制造领域获得更高的竞争力。
  另一方面,超滤系统的吨水造价也已经出现了明显变化。对于大型超滤系统,预期压力式膜组件每天吨水投资可以控制在75元左右,而压力式膜系统每天吨水设备投资可以控制在45元以内。膜系统价格的降低将使超滤技术在大型自来水制造领域获得更高的竞争力。
1、工程概况
山东滨化集团于2003年始建热电联产发电厂,其中锅炉补给水采用经过简单沉淀的黄河水。在选择水处理工艺时,经调查发现,大多数使用传统的多介质过滤加活性炭吸附的反渗透预处理工艺不能保证反渗透系统长期稳定运行,而解决这一问题的出路之一是采用超滤过滤。经过论证和筛选,最终确定了多介质过滤与超滤结合的反渗透预处理工艺。
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    该项工程于2004年底投入运行。初期超滤处理效果非常理想,然而超滤系统在运行6个月后出现大量“断丝”问题。由于“断丝”数量较多和持续增加,在投产9个月后将全部超滤组件更换。但是在更换新超滤膜后3个月,“断丝”问题再次出现。2006年3月,全部超滤膜更换成膜丝内径为1.2mm的改性聚砜材料的新型超滤膜组件。此后至今共42个月当中超滤系统稳定运行,水质和水量完全达到原设计要求。

2、工艺流程及设计参数

2.1 系统设计

 系统采用40平方米的超滤膜组件84支,单位膜面积水通量为125L/m2•hr。运行瞬时通量为135L/m2•hr。
设计反洗周期每60分钟反洗一次。反洗过程中加入次氯酸钠杀菌,用以控制超滤膜中细菌和微生物的滋生。设计错流浓水流量为120m3/hr.,大部分错流浓水流回到多介质过滤器给水泵之前,浓水排放流量为10 m3/hr.。
超滤反洗使用反渗透浓水。超滤系统水利用率为97.7%。
  设计化学药洗周期为180天,用以去除超滤膜在运行中受到的顽固胶体污染和生物污染,恢复膜性能。
3、 运行参数的优化

3.1 膜材料

 系统运行的前15个月采用第一类超滤膜,膜材料为聚氯乙烯(PVC),内压式,膜丝内外径OD/ID =1.5 mm /1.0mm,标称截留分子量80000 Dalton。第16月后至今的48个月采用第二类超滤膜,膜材料为改性聚砜(mPS),内压式,膜丝内外径OD/ID =1.8 mm /1.2mm,标称截留分子量45000 Dalton。
3.2 运行通量
 本工程在投运后前36个月运行通量一直控制在125L/m2•hr ,化学药洗周期大于等于6个月。2008年1月,工程增容后使得超滤用水压力减低,运行人员主动将该超滤系统出力削减至65L/m2•hr。此时运行跨膜压差由0.06-0.08MPa下降至0.03-0.04MPa。这一压差一直稳定至今。
3.3 超滤水利用率
 在更换聚砜超滤膜后进行了超滤膜产水率优化实验。其中比较了排水量与反洗周期的变化。实验证明,可以将全部错流浓水回用而不影响超滤系统的运行。此时超滤系统水利用率为98.3%。

3.4 反洗周期及程序的优化

 系统投运时反洗周期设定为60分钟。每次反洗程序为正冲30秒,上加药反洗(100ppm次氯酸钠)30秒,下加药反洗(100ppm次氯酸钠)30秒,上下同时反洗30秒,正冲30秒。单只膜的反洗强度为12.5m3/hr.
  在选择和优化反洗周期时主要考察反洗前后单套超滤膜组件跨膜压差(TMP)以及产水量的变化。一般以反洗前后跨膜压差无明显变化、产水量变化±15%为宜。目前反洗周期为每产360m3水反洗一次,每次反洗程序保持不变。这一优化可以提高水利用率0.3%。
3.5 化学药洗周期
 化学药洗在系统出力下降到设计能力的90%时进行。实际运行中即使系统出力没有明显下降,每6个月也进行一次维护性化学药洗。
3.6 完整性检验
 自动完整性检验系统可以对超滤系统定期做完整性检验。打开产水阀门,向给水系统中加入压缩空气,将给水侧水排净后定时自动关闭给水阀;到达指定压力后自动关闭气阀;系统中安装的压力变送器将给水侧气体压力变化传送到DCS记录和分析。2分钟压力损失超过5%的系统需要进行人工完整性检验,找出需要修补的超滤膜组件。
  在每支超滤膜组件顶部产水管上安装一段透明管,在人工完整性检验时打开超滤产水排放阀门,向给水侧加入压缩空气,提高给水侧压力;到达指定压力后通过调整压缩空气加入量维持进水侧压力在指定压力;观察产水透明管中是否有气泡逸出。有气泡逸出的超滤膜组件需要离线修补。
实际运行中每周进行一次完整性检验。每天测定产水的SDI值也可以间接检测超滤系统的完整性。
4、 运行结果与讨论

4.1 膜材料的影响

 两类超滤膜组件分别安装运行后前12个月的统计参数见表1。
表1 两种超滤膜运行参数
Tab. 1 Operation data of two types of UF membrane modules

PVC
超滤膜组件

PS
超滤膜件

产水平均SDI

3.5

1.5

断丝率%

5.2%

0

化学药洗周期(天)

180

180

不同的膜材料必定影响膜的性能。当然也不是某一种膜材料一定优于另一种膜材料。在本工程的实践中的确发现不同材料的膜组件表现出不同的性能。另一方面,运行经验的增长显然对后来更换的膜组件更有利。
   在使用PVC超滤膜组件时,在原水中添加絮凝剂,投运3个月内SDI值在1.3-2.0之间,此后逐渐增加,投运6个月时增加到4.2。此时发现断丝问题。
   使用PS膜组件时,在原水中添加絮凝剂前提下,SDI值仅为0.5-0.9。为了节省运行成本,停止添加絮凝剂,此时SDI值随给水水质有所波动,但保持在1-2之间。
   对于反渗透预处理,超滤系统的污染指数(SDI)值尤为重要。这一指标与水中细微悬浮物和胶体的总量相关联。这一指标的降低标志着水中微生物和微生物碎片被滤除。一般地说,超滤膜截留分子量越小,产水的这一指标也越低。当然,当膜组件发生断丝时,这一指标会明显上升。
   对于饮用水处理,超滤膜最大的优势就是阻隔悬浮物和致病微生物。一旦出现断丝问题,这一优势就荡然无存。因此在膜材料的选择方面性能的权重显然远远大于成本的权重。
4.2 超滤膜的通量
 一般认为超滤膜的初始与稳定运行通量之间有较大差距,且稳定运行通量会逐渐衰减。
   本工程使用聚砜超滤膜系统运行数据表明,改性聚砜膜的通量非常稳定。表1列举了运行48个月内的通量记录。运行数据表明,归一的膜通量仅在正负3%内波动。同时,这一稳定运行通量在膜出厂初始通量范围内。这一特点可能与膜的永久亲水性有关,也可能与较粗膜丝的抗污染能力较高有关。另外该种膜标称的过滤孔径小于0.01微米,这一过滤孔径已经远远小于最小的固体悬浮物的直径,因此避免了孔径被固体颗粒堵塞的可能。
表2 聚砜超滤膜归一通量
Tab. 2 Normalized flux of mPS membrane

记录时间

超滤膜通量
(L/m2.hr at 0.1 MPa)

2006.04.10

228.6

2006.10.10

222.2

2007.04.10

225.4

2007.10.10

219.0

2008.04.10

228.6

2008.10.10

222.2

2009.04.10

215.8

4.3 运行费用
本工程超滤系统的直接运行费用主要包括药剂费(吨水成本0.02元)、电费(按每千瓦时0.50元计,吨水成本0.18元)、膜组件更换费(按6年,每平方米膜200元人民币计,吨水成本0.04元),三项合计为0.24元/吨。
5、结论
虽然自来水领域与工业领域有不同的要求和标准,但是一般地说,市政领域对于使用超滤处理水的水质并不担心[1,2]。市政领域和工业领域对超滤的担心是一致的,就是超滤长期稳定运行的问题和设备投资和运行费用的问题。超滤膜的断丝问题也一度威胁到了本工程电厂和工艺用水质量。但是经过各方面的努力,经过4年零10个月的实践证明,超滤在本工程黄河水的处理中是成功的。
   对本工程项目而言,超滤膜材料、超滤膜的亲水性、超滤膜和超滤膜组件的机械结构对设备的长期稳定运行均有至关重要的影响。根据运行经验,对黄河水而言,超滤膜的设计通量应以80-100 L/m2•hr 为宜,此时跨膜压差约为0.065MPa,反洗周期应以60分钟为宜;维护性化学药洗周期为180天。
本工程也为超滤处理黄河水长期稳定运行提供了例证和参考。笔者期望也相信,超滤技术将为中国人喝上优质自来水作出贡献。
参考文献
[1] 李圭白,杨艳玲. 第三代市饮用水净化工艺-超滤为核心的组合工艺[J]. 给水排水, 2007, 33(4):1.
 [2] 许航,陈为,袁哲,等. 湖泊水深度处理工艺的比较实验研究[J]. 给水排水, 2009, 35(9):22-25.

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