快濾-超濾-反滲透技術在工業給水苦咸水淡化中的工程案例
摘要：介紹了廣東理文造紙有限公司苦咸水淡化四期工程，對其中的工藝設計、系統配置、運行工況及調試運行進行了分析，并對制水成本進行了分析。結果表明，快濾—超濾—反滲透工藝淡化苦咸水系統具有抗沖擊負荷能力強、脫鹽率高、運行穩定等優點。
關鍵詞：快濾 超濾 反滲透 苦咸水淡化
1 工程概況
廣東理文造紙有限公司位于東莞市洪梅鎮，以回收的廢紙為原料，生產瓦楞芯紙、掛面箱板紙和牛皮箱板紙。該廠四期擴建30萬t/a環保型牛皮箱板紙生產線，相應的造紙機、廢水處理站及發電站用水量增加，原有的水廠處理能力無法滿足需要，需增加一套23 000m3/d水處理系統，要求出水電導率＜750μS/cm，脫鹽率≥97％。
系統的取用水源為河水，每年9月～次年4月經常受到海水倒灌的影響，含鹽量波動較大，電導率為157～23 763μS/cm。
系統采用快濾—超濾—反滲透工藝，設計進水量為52 000m3/d，超濾產水43 800m3/d，供給一期用水點10 000m3/d，其余供給反滲透系統，反滲透產水23 000m3/d。表1為原水水質及設計產水標準。
表1 原水水質及設計產水標準
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2 工藝流程與系統設計
2．1 工藝流程
該工程由深圳恒通源水處理科技有限公司設計并承建，工藝主要為前處理系統、超濾系統、反滲透系統等，工藝流程如圖1所示。
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圖1 工藝流程
2．2 前處理系統
2．2．1 混凝沉淀池
在混凝沉淀池中投加5～20mg/L的絮凝劑PAC去除河水中的濁度和色度，同時對水中的無機和有機污染物亦有一定的去除作用。
因原水中存在較多的膠體、微生物等雜質，為了更好地殺菌和抑菌，確保系統的穩定運行，在混凝沉淀池的出水管加入1～5mg/L的殺菌劑次氯酸鈉，余氯控制在0．2～0．5mg/L。
2．2．2 快濾池
快濾池采用S型濾磚過濾工藝，其為雙側渠設計，設有水恢復水道，以確保穩定持續的水流從上部的孔口流出，重新回到濾磚的水流可以補償低壓區域，使得濾磚的性能得到顯著改進。
快濾池設計產水量為52 000m3/d。設計進水水質濁度＜10NTU，出水水質濁度≤2NTU。
2．2．3 自清洗過濾器
配備7臺以色列Arkal自清洗過濾器。外殼為防海水襯膠涂層＋合金處理，濾元縫隙為100μm的不銹鋼S31603楔形濾網，可自動清洗、連續工作，單臺過濾器設計出水水量為365m3/h，可有效截留大于100μm的顆粒。原反洗設計為壓差反洗，但實際上，由于反洗壓差過低，無法達到預期效果，后更改為定時反洗，效果更佳。
2．3 超濾系統
2．3．1 超濾裝置
系統配置8套，采用旭化成UNA 620A中空纖維外壓式超濾膜PVDF材質，每套64支膜組件，每個膜組件的有效膜面積為50m2，膜公稱孔徑為0．1μm，設計通量82L/（h·m2），凈通量為75．4L/（h·m）。每套出力為228m3/h。設計進水水質為：SS≤5mg/L、濁度≤10NTU、COD≤30mg/L。
2．3．2 清水泵
超濾裝置配置了5臺肯富來清水泵，3用2備，型號為KCC250×200 400，單臺出力730m3/h，其中1臺為變頻控制。原水經混凝、沉淀和過濾后進入清水池，再經清水泵進入自清洗過濾器和超濾裝置。
2．3．3 反洗和清洗裝置
超濾裝置需定期進行反洗，8套超濾裝置合用1套反洗系統。系統的反洗由PLC控制并依次執行并按要求依次加入各類化學藥品，反洗用水采用超濾產水，反洗系統設置2臺反洗水泵，1用1備，型號為KCC200×150 315，變頻控制，泵出口加裝過濾器。反洗水中添加1～5mg/L的次氯酸鈉，出水中余氯濃度保持在0．1～1mg/L。
系統運行壓力在0．1～0．3MPa，膜組件長期運行后，會受到如菌類、有機物和無機物的污染，膜通量將下降，為恢復其正常的過濾能力，系統配置了1套清洗系統，由1個清洗藥箱、2臺不銹鋼清洗泵和1臺清洗過濾器組成。
2．4 反滲透系統
2．4．1 反滲透裝置
反滲透作用是脫除水中的可溶性鹽分。系統設有4套反滲透膜組件，每套出力為240m3/h，回收率為60％～75％，每年脫鹽率不小于97％，系統采用的膜型號為美國DOW公司的BW30 400FR/34i膜。
2．4．2 反滲透供水泵系統
經泵將超濾出水送至反滲透系統的保安過濾器，系統配置了6臺反滲透供水泵，4用2備。
為保護反滲透膜元件不被氧化，需加入還原劑降低原水中余氯的含量，控制進水ORP不大于170mV。另外，系統還加入了由納爾科提供的阻垢劑N7320，投加濃度為2～3mg/L，由加藥系統自動調節濃度。每星期進行1次殺菌操作，投加非氧化性殺菌劑pc191T，投加量為55mg/L。
2．4．3 保安過濾器
每套反滲透裝置前設置不銹鋼S31603保安過濾器，采用RIZONFLOW的5μm大流量濾芯單套系統出水360m3/h，壓差大于0．1MPa時進行更換。
2．4．4 高壓泵及增壓泵系統
高壓泵為反滲透膜提供足夠的進水壓力，維持反滲透的正常運行，4套反滲透系統共設置8臺國產SULZER（ZA/ZE150 4400）不銹鋼臥式單級離心高壓泵作前級高壓泵，每兩臺水泵串聯或并聯使用；4臺國產SULZER（ZE100 2250）不銹鋼臥式單級離心高壓泵作段間增壓用。
2．4．5 反滲透清洗及沖洗系統
反滲透系統設有1套清洗及沖洗系統，一般情況下，每3～6個月清洗1次，每次約1～2h。在反滲透短時間內停止運行時，為保護反滲透膜元件不受處理水的污染，需把膜殼的積水置換出來。
2．5 配套的壓縮空氣系統
工程單獨配置了1套壓縮空氣系統，以確保純水站的儀控用氣。其中系統配有螺桿式空氣壓縮機2臺（1用1備）與工藝用氣共用，1臺冷凍干燥機，三級過濾系統及空氣儲罐1個。
2．6 自控系統
本系統采用GCK型低壓配電柜作為設備動力柜，中控室設置PLC柜以及上位機，現場設置控制柜，以西門子PLC及力控監控軟件為控制核心。
自控系統的主要功能為：系統程序控制，包括系統的啟停、聯鎖、保護、監測、控制等；系統數據的采集及處理功能，將現場模擬量信號轉換成數字信號，上傳至上位機監控；系統的自診斷功能提供系統的故障信息以及相關報警，對于系統的維護及維修起了重要的輔助作用。
3 工況分析
該工程于2011年9月1日開始調試，2012年3月底順利通過業主驗收，持續7個月的調試運行歷經進水水質波動、水廠前三期輸水總管爆管導致極大的產水壓力等困難，通過調整系統參數和超濾反滲透的清洗方案，以達到最佳的運行效果。
3．1 快速過濾系統
調試中發現，快濾系統靠單純的氣洗或水洗效果不佳，約4h小時就會堵。需要再次反洗，后改為氣水反沖洗。但系統設計的氣水反沖洗由于沒有壓力和流量控制，很難控制反沖洗水量和氣量，效果不易控制、能耗較大，建議增加測量裝置。
3．2 超濾系統
超濾（UF）是一種以壓力為推動力的膜分離技術，利用中孔（20～50nm）篩分作用實現分離[1]，能截留水中固體懸浮物、膠體和部分細菌，降低SDI，使出水水質穩定，降低對反滲透系統的膜污染[2]。本工程采用中空纖維外壓式膜，膜表面積較大，水通量較大，在運行時納污量大、抗堵塞[3]。而且其PVDF材質采用TIPS熱法制備，具有結晶度高、強度高以及強耐藥性等優點。
3．2．1 運行效果
調試期間，個別情況下進水壓力峰值達到300kPa，平均進水壓力達到250kPa，除了極個別閥門及連接處漏水外，系統運行穩定。在調試結束后對膜絲進行檢測，未發現斷絲現象。
為了掌握超濾的運行狀況，對超濾系統的產水流量、濃水流量、進水壓力、產水壓力和濃水壓力進行了監測，由于通過同一根母管進水，從調試過程及收集的數據來看，每套超濾的參數差異較小，所以選取1＃超濾系統進行研究。對大多數的超濾系統而言，初始運行性能跟穩定運行時的性能有較大差異，所以選取的數據為2012年1月1日～1月7日的數據，此時系統已經連續運行了3個多月，系統參數和處理效果分別見表2和圖2。
表2 超濾系統運行參數
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圖2 超濾系統進膜壓力、TMP、產水流量曲線
從圖2中可知，產水量為130～391m3/h，進膜壓力在100～200kPa，TMP在35～130kPa。一般情況下，進水壓力上升，產水量隨之上升，TMP也增大。產水量的波動范圍比較大，在短時清洗后膜性能恢復較快，說明其抗沖擊負荷能力強。分析上述數據，其進膜壓力、TMP均遠低于規定值300kPa。實際上，產水量上升特別明顯的階段是在做完EFM（通量增強維持）的12h內，單純的增加進膜壓力對于產水量的上升并非特別有效，說明EFM清洗方式對于這種膜的清洗效果很好。
3．2．2 清洗方法
設計超濾系統的運行包括過濾、反洗、CEB（化學加強洗）、CIP（在線清洗）4個步驟。
運行方式和持續時間分別為：過濾（1 700s）→加氯堿反洗/氣洗（60s）→正沖（40s）→過濾。30min/周期，24h連續運行。
反洗或清洗加入的藥劑為檸檬酸、氫氧化鈉及次氯酸鈉，檸檬酸能去除金屬氧化物、膠體污染物；氫氧化鈉能去除有機物污染；次氯酸鈉可去除微生物污染，可根據具體情況靈活選用。
3．2．2．1 CEB
①清洗頻率：1次/d；②化學藥劑：檸檬酸（2％）或氫氧化鈉（0．1％），酸洗可有效去除金屬離子，堿洗可有效去除有機污染物；③運行方式和持續時間：正沖氣擦（15s）→上排反洗加堿（90s）→堿浸泡（8min）→反洗沖堿（120s）→上排反洗加酸（90s）→酸浸泡（2min）→反洗沖酸（120s）→過濾。
從實際運行情況看，清洗效果不佳，主要原因有：進水水質較預期差，而且水質變化較大；反洗管道過長，系統設置的加藥泵過小，導致反洗藥劑濃度不夠，效果不佳。后調整為：過濾、反洗、EFM、CIP4個步驟，其中調試前CEB用的是反洗管路，調整后的EFM用的是清洗管路。
3．2．2．2 EFM
①清洗頻率：1次/d；②化學藥劑：堿氯洗，即次氯酸鈉（400mg/L）＋氫氧化鈉（0．1％），或酸洗，即檸檬酸（2％）；酸洗還是氯堿洗根據需要而定；③運行方式和持續時間：一次藥劑循環（30min）→藥劑浸泡（30min）→二次藥劑循環（15min）→正沖氣擦（15s）→上排反洗（30s）→上下排反洗（30s）→正沖（30s）→過濾。
3．2．2．3 CIP
①標準頻率：2個月1次，同時當跨膜壓差達到150～200kPa時需進行在線清洗；②化學藥劑（種類和濃度）氯堿洗用次氯酸鈉（2 000mg/L）＋氫氧化鈉（1％）之后用檸檬酸（2％）酸洗；③運行方式和持續時間：一次堿液循環（2h）→藥劑浸泡（4h）→二次堿液循環（1h）→正沖氣擦（15s）→上排反洗（30s）→上下排反洗（30s）→正沖（30s）→過濾（30min）→一次酸液循環（2h）→藥劑浸泡（4h）→二次酸液循環（1h）→正沖氣擦（15s）→上排反洗（30s）→上下排反洗（30s）→正沖（30s）→過濾。
3．3 反滲透系統
3．3．1 運行參數
反滲透系統運行參數如表3所示。
3．3．2 清洗方法
根據具體情況，采用分段清洗的方法。可以單獨堿洗，也可以單獨酸洗或采用堿洗＋酸洗的方法。一般情況下，先排空膜內積水，用0．1％的氫氧化鈉溶液清洗，然后再用2％檸檬酸溶液清洗。
表3 反滲透系統運行參數
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4 調試結果
系統運行效果良好，產水性能達到了設計要求，水質分析結果如表4所示。
表4 水質分析結果
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5 成本分析
隨著經濟的發展，東莞的供水壓力也越來越大，在四期工程完成以后，廣東理文造紙廠每天的高峰供水量將達到115 000m3。
理文造紙廠四期工程制水成本主要由設備折舊、電費、膜更換費用、濾芯更換費、藥劑費、維修費以及人工費和管理費組成。該工程四期制水成本如下。
5．1 計算依據
（1）生產能力：23 000m3/d；
（2）工程投資：2 600萬元；
（3）電費成本：0．3元/（kW·h）；
（4）單位能耗：2．4kW·h/m3產水；
（5）維修費用：按實際算；
（6）裝置及配套設施平均使用壽命：15a；
（7）膜元件平均使用壽命：5a；
（8）化學試劑用量：PAC：2．39g/m3；NaClO：42．55g/m3；NaHSO3：4．43g/m3；NaOH：1．41g/m3；H3Cit：3．40g/m3；PC 191T：4．65g/m3；N7320：0．58g/m3；
（9）人工費（四班三倒八人制）：30 000元/（人·a）。
5．2 成本計算
（1）折舊成本：0．78元/m3；
（2）電費成本：0．72元/m3；
（3）膜更換費用：0．32元/m3；
（4）維修費用：0．09元/m3；
（5）濾芯更換費用：0．07元/m3；
（6）化學藥劑費用：0．36元/m3；
（7）人工費和管理費用：0．04元/m3；
（8）其他費用0．02元/m3。
合計：2．4元/m3。
綜上可知，每m3淡化水費用中折舊和電費成本占制水費用的62．5％。因此要降低制水費用，關鍵是降低工程投資和能耗。
6 結論
（1）在超濾前設置快濾池能有效減慢超濾的TMP上升速度，降低清洗頻率，提高膜的使用壽命。
（2）對于PVDF材質的超濾，EFM是一種非常有效的清洗方式。
（3）反滲透系統脫鹽率為99％，產水量大于設計值，出水質量符合設計要求，快濾—超濾—反滲透工藝對此類水質有良好的處理效果，系統運行穩定可靠。
參考文獻
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2 周飛梅，于志勇，李海燕．雙膜法海水淡化工藝在超超臨界電廠的應用．浙江電力，2008，（3）：17～19
3 任立綱，馬紅剛．內壓式與外壓式超濾膜在實際應用中的分析比較．冶金動力，2009，（5）：78～80
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