陶瓷超濾膜在電廠化學水處理系統改造中的應用
本文介紹了CM大面積塊片式陶瓷超濾膜在電廠化學水處理系統的中試和應用情況。中試結果表明，對于經混凝過濾預處理后的河水，CM陶瓷超濾膜可在333L/（m2·h）高運行通量和50min過濾時間下穩定運行；對于未預處理的河水，陶瓷超濾膜也實現了原水直接過濾下穩定運行。超濾改造時采用CM-151TM陶瓷超濾膜替換原有機中空纖維膜，CM陶瓷超濾膜的實際運行通量高于260 L/（m2·h），反洗水量和化學加強反洗（CEB）頻率較原有機超濾膜減半，濁度< 0.1NTU，SDI<2，完全滿足后續反滲透系統的進水要求。
浙江某熱電聯產電廠取長江支流作為循環冷卻水和鍋爐補給水水源，設有化學水處理系統對河水進行深度處理。其處理工藝流程為原水加藥、混凝澄清、多介質過濾、超濾、除鹽（含反滲透）和酸堿再生。
此系統原采用外壓式中空纖維有機超濾膜作為反滲透裝置的前端工藝，運行一段時間后出現斷絲、污堵和出水SDI過高的問題，導致后續反滲透系統難以穩定運行，進而對整個電廠的正常生產造成很大風險。該電廠嘗試過多種措施后，決定采用CM-151TM大面積塊片式陶瓷超濾膜替換有機超濾膜。筆者對陶瓷超濾膜的特性、中試數據和工程運行效果進行了討論。
一、項目介紹
01 原水水質
化學水處理系統原水取自河水，由于河道流經工業區且注入海水，水質波動較大，具體水質見表1。原水經處理后達到該電廠對循環冷卻水用水和鍋爐補給水的水質要求。
02 預處理工藝
化學水處理系統反滲透前的預處理工藝為河水→混凝澄清→多介質過濾器→網式過濾器→超濾。其中混凝澄清池處投加PAC（10 mg/L）和NaClO（1 mg/L）。
有機超濾膜是電廠化學水處理系統全（雙）膜分離技術中預脫鹽系統的核心，在實際使用中產水水質不滿足要求、斷絲等問題屢有報導。在該項目中，原有機超濾系統運行一段時間后出現斷絲和污堵，單套產水量由90 m3/h降至45 m3/h且出水SDI高達4~5，導致后續的反滲透系統難以穩定運行。為解決此問題，該電廠曾使用新的同品牌有機超濾膜對舊膜進行全部更換，但更換后的新膜出現了同樣問題。之后業主嘗試在多介質過濾器進水投加高分子絮凝劑，以提高處理效果。此措施增加了額外的藥劑費用，但仍無法為反滲透系統持續穩定地提供SDI合格的進水。筆者在現場進行的中試證實陶瓷超濾膜可在超預期的高達333 L/（m2·h）通量下穩定運行。
03 CM陶瓷超濾膜
CM陶瓷超濾膜斷面呈多孔性不對稱結構，支撐層材料采用三氧化二鋁（A2O3），過濾層材料為α型三氧化二鋁，經高溫燒結緊密熔合在一起。形成的膜孔徑穩定在30 nm范圍內，孔徑分布非常均勻，具有更為狹窄集中的正態分布曲線。膜材質采用無機陶瓷材料，具有更好的親水性和更高的過濾通量，而陶瓷本身的機械強度和化學穩定性，使得陶瓷超濾膜在耐壓、耐溫、耐腐蝕性、耐油性、耐化學清洗等方面均優于有機中空纖維超濾膜。
CM陶瓷超濾膜與有機中空纖維超濾膜的性能對比見文獻。
04 中試設備及運行參數
中試分3個測試階段，見"5 存在問題與討論"。中試設備采用納諾斯通水務公司一體化實驗裝置。其中陶瓷超濾膜元件的膜面積為3m2，過濾精度為30nm，過濾周期30~60 min，反洗時間40 s。
05 存在問題與討論
（1）階段1：河水經混凝澄清和多介質過濾器后進入陶瓷超濾膜，運行通量為300~330 L/（m2·h）。此階段CM陶瓷超濾膜的運行效果見圖1。
首先測試目標運行通量300 L/（m2·h）（共13 d），過濾周期為30 min，陶瓷超濾膜進水PAC投加量為1.4 mg/L。由圖1可見，跨膜壓差在0.04~0.08 MPa呈現周期性變化，且后期跨膜壓差（0.04~0.06 MPa）明顯低于前期跨膜壓差，這主要是因為后期采取了優化措施，如調整化學加強反洗（CEB）參數設置等。此組運行數據證實陶瓷超濾膜在目標通量300 L/（m2·h）下運行穩定。之后提高運行通量至316 L/（m2·h），可見在7d的運行時間內，跨膜壓差在更平穩和收窄的區間有規律變化，陶瓷超濾膜的運行很穩定。進一步提升運行通量至330 L/（m2·h）并運行5 d，陶瓷超濾膜依然運行穩定。
（2）調整過濾時間，運行通量為316~333 L/（m2·h），結合階段1數據，沿用階段1的預處理工藝（混凝澄清和多介質過濾）開展了過濾時間的優化測試，結果見圖2。
從圖2可知，在316、333 L/（m2·h）的運行通量下，過濾時間分別調整為40、50 min，跨膜壓差的變化趨勢依然平穩和規律（0.04~0.06 MPa）。在333 L/（m2·h）的運行通量下繼續延長過濾時間至60 min，跨膜壓差略有上升，后期（延長CEB周期）上升趨勢較為明顯，但仍能在CEB清洗后恢復良好。
（3）河水直接進入陶瓷超濾膜，運行通量167~366 L/（m2·h）。此階段將不經混凝澄清和多介質過濾器預處理的河水直接進入陶瓷超濾膜，進一步驗證陶瓷超濾膜的抗污染性和清洗恢復性。過濾時間30min，PAC加藥量8mg/L，運行4d，運行數據見圖3。
在167、250 L/（m2·h）的運行通量下，跨膜壓差分別在0.02~0.03、0.03~0.04 MPa區間波動，陶瓷超濾膜運行平穩。運行通量提升至330 L/（m2·h），跨膜壓差波動加大；至366 L/（m2·h）后，跨膜壓差波動則進一步加大，但均能在CEB后恢復至接近起始值。陶瓷超濾膜的抗污染性和清洗恢復性得到驗證。同時，河水不經預處理直接進陶瓷超濾膜的可行性也得到驗證，建議運行通量不高于250 L/（m2·h）。整個中試期間無需進行恢復性化學清洗（CIP）。
中試期間陶瓷超濾膜的進、產水濁度見圖4。
由圖4可見，預處理后陶瓷超濾膜的進水濁度在0.2~0.4 NTU之間波動，產水濁度則在0.046~0.093 NTU之間，穩定＜0.1 NTU，優于后續反滲透系統對進水濁度的要求。
二、工程應用及運行情況介紹
在滿足項目經濟性要求的前提下，最終選擇260 L/（m2·h）的運行通量作為設計值對原有機超濾系統進行改造。改造項目采用納諾斯通水務第3代CM-151TM超濾膜組件，改造后的陶瓷膜超濾系統與原有機超濾系統的主要參數對比見表2。
原單套有機超濾需28支膜，由于運行通量大幅提高，改造后單套僅需14支CM-151TM陶瓷超濾膜。改造過程充分利用原有設施，原有機超濾系統的進水泵、自清洗過濾器、反洗水泵及CEB系統都繼續使用。改造僅涉及原膜組架上的少量管路，即將原有膜組架上的PVC管路改造成適應陶瓷超濾膜，并與原閥組管道和原主管相連接。
該改造項目于2017年12月完成調試，至今穩定運行，持續提供優質產水，SDI＜2、濁度＜0.1 NTU。4套陶瓷膜超濾裝置中的1#裝置運行1個月的跨膜壓差數據見圖5。
圖5表明，陶瓷膜超濾系統的跨膜壓差主要在0.04~0.07 MPa波動，不超過0.1 MPa，運行穩定。改造后不需向多介質過濾器進水額外投加高分子絮凝劑。此外，陶瓷膜超濾系統的反洗水量和CEB頻率均降為原有機超濾系統的50%，且CIP周期＞2個月，大幅節省藥劑費用并降低運行費用，提高了系統回收率.
三、結論
（1）河水經混凝澄清、多介質過濾器處理并投加1.4 mg/L PAC后進入陶瓷超濾膜，陶瓷超濾膜在運行通量300~330 L/（m2·h）下運行平穩（過濾時間30 min）。
（2）中試階段2陶瓷超濾膜在333 L/（m2·h）的運行通量和50 min過濾時間下運行穩定，僅在333 L/（m2·h）運行通量、過濾時間60 min和延長CEB周期的工況下跨膜壓差上升較為明顯，但仍能在CEB清洗后恢復良好。
（3）河水直接進入陶瓷超濾膜的可行性得到驗證，建議運行通量不高于250 L/（m2·h）。
（4）用陶瓷超濾膜對原有機超濾膜系統進行改造，改造工程量小，原配套系統和設施得到充分利用。實際運行通量高于260 L/（m2·h），反洗水量和CEB頻率減半，且不需向多介質過濾器進水額外投加高分子絮凝劑，節省藥劑費用和運行費用，系統回收率提高。
（5）陶瓷超濾膜中試及實際運行產水持續、穩定、優質，濁度＜0.1 NTU，SDI＜2，完全滿足后續反滲透系統的進水要求。該項目為陶瓷超濾膜在類似水處理中的推廣應用提供了借鑒。
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