將微濾、超濾、反滲透和電去離子(EDI)等4 種膜分離技術(shù)有機(jī)地組合在一起應(yīng)用于工業(yè)水處理，達(dá)到高效去除污染物和脫鹽目的技術(shù)，稱(chēng)之為全膜水處理技術(shù)。近幾年，全膜法因在水處理過(guò)程中不需酸、堿，操作方便，出水水質(zhì)好和性能穩(wěn)定等突出的優(yōu)點(diǎn)，在許多電廠中得到應(yīng)用〔1〕。筆者以某電廠鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)為例，就全膜法水處理技術(shù)在電廠中的應(yīng)用做初步分析和探討。
1 鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)工藝
1.1 系統(tǒng)工藝流程
某電廠鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)采用全膜法水處理工藝，設(shè)計(jì)為兩套系統(tǒng)，每套系統(tǒng)產(chǎn)水能力為34m3/h，其工藝流程為：機(jī)械加速澄清池出水→纖維過(guò)濾器→清水箱→清水泵→自清洗過(guò)濾器→超濾裝置→超濾水箱→超濾水泵→保安過(guò)濾器→一級(jí)高壓泵→一級(jí)反滲透裝置→一級(jí)淡水箱→保安過(guò)濾器→二級(jí)高壓泵→二級(jí)反滲透裝置→二級(jí)淡水箱→二級(jí)淡水泵→EDI→除鹽水箱→除鹽水泵→主廠房。該工程水源為水庫(kù)來(lái)水，水質(zhì)為：K+ 6.58 mg/L，Na+16mg/L，Ca2 + 17.2 mg/L，Mg2 + 7.0 mg/L，F(xiàn)e3 + 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(jīng)機(jī)械加速澄清池處理，保證其出水懸浮物≤10 mg/L 后，再進(jìn)入鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)。
1.2 系統(tǒng)工藝特點(diǎn)及運(yùn)行方式
1.2.1 纖維過(guò)濾器
纖維過(guò)濾器為MPCF150 孔隙調(diào)節(jié)型，單臺(tái)處理能力150 m3/h，過(guò)濾器采用韓國(guó)曉林產(chǎn)業(yè)株氏會(huì)社生產(chǎn)的PP 材質(zhì)纖維絲纏繞濾芯，過(guò)濾精度為5 μm。
纖維過(guò)濾器運(yùn)行方式為程控自動(dòng)運(yùn)行，在過(guò)濾過(guò)程中對(duì)纖維絲施以回轉(zhuǎn)機(jī)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(guò)濾后得到清潔的處理水。當(dāng)過(guò)濾器內(nèi)被截留的懸浮污物(雜質(zhì))增多，處理水量下降，壓差達(dá)到設(shè)定值，自動(dòng)進(jìn)入反沖洗過(guò)程;反洗時(shí)讓過(guò)濾器的壓榨機(jī)具放松，使過(guò)濾纖維的孔隙在舒張的狀態(tài)下，用羅茨風(fēng)機(jī)來(lái)空氣和反洗水合洗，將污物通過(guò)排放管排除，然后又自動(dòng)進(jìn)入過(guò)濾程序。工作原理如圖 1 所示。
圖 1 纖維過(guò)濾器運(yùn)行原理
(1)纖維過(guò)濾器在初期運(yùn)行時(shí)，當(dāng)壓差為0.08 MPa時(shí)進(jìn)行自動(dòng)反洗，反洗壓差設(shè)定范圍為0.05 ～0.12 MPa，反洗壓差不能設(shè)定過(guò)高，設(shè)定過(guò)高會(huì)造成過(guò)濾水質(zhì)惡化、水量減少、排管異常等。設(shè)備運(yùn)行7 個(gè)月后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)設(shè)備壓差達(dá)到0.05 MPa 前系統(tǒng)出水懸浮物已經(jīng)超出設(shè)計(jì)值5 mg/L，對(duì)纖維絲進(jìn)行了人工清洗，反洗改為根據(jù)時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行，每70 min自動(dòng)反洗一次。
(2)在反洗時(shí)，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(jìn)風(fēng)量為19.5 m3/min，壓力為0.05 MPa，進(jìn)氣采用底部進(jìn)氣有兩個(gè)目的：一是空氣擦洗;二是利用空氣上升的動(dòng)力使纖維絲抖動(dòng)，纖維絲之間產(chǎn)生摩擦，這樣黏附的固體就比較容易去掉。擦洗過(guò)程中，纖維絲為脈沖式的放松和旋緊，持續(xù)放松25 s 后旋緊纖維絲5 s，再放松纖維絲25 s，運(yùn)行初期，放松、旋緊過(guò)程為4 次，運(yùn)行7 個(gè)月后放松、旋緊過(guò)程為7～8 次。
1.2.2 超濾系統(tǒng)
超濾系統(tǒng)運(yùn)行方式為錯(cuò)流過(guò)濾，配置為兩套，每套處理能力為56 m3/h，系統(tǒng)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(chǎn)的Aquaflex SXL225 FSFC 中空纖維膜組件。
超濾系統(tǒng)的啟動(dòng)、運(yùn)行、沖洗、停機(jī)備用等過(guò)程均由超濾PLC 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。原水在中空纖維的內(nèi)部流動(dòng)，而產(chǎn)水則是在原水流經(jīng)膜的過(guò)程中逐漸由內(nèi)壁向外壁透過(guò)(稱(chēng)為內(nèi)壓式)，收集后，成為超濾產(chǎn)水從產(chǎn)水端排出。超濾運(yùn)行過(guò)程中控制膜過(guò)濾壓差(TMP)小于0.08 MPa，TMP 比較大不能超過(guò)0.10 MPa否則會(huì)導(dǎo)致在膜的表面形成無(wú)法反洗掉的污垢。超濾運(yùn)行一段時(shí)間后被截留的懸浮物、細(xì)菌、大分子有機(jī)物、膠體等就堆積在纖維內(nèi)表面，此時(shí)膜的進(jìn)水側(cè)與產(chǎn)水側(cè)的壓差會(huì)逐漸增加，需要進(jìn)行水力清洗。
(1)系統(tǒng)設(shè)定每運(yùn)行30 min 后進(jìn)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(shí)間為10 s，反洗過(guò)程中控制流量為240 m3/h，TMP 小于0.25 MPa，時(shí)間為30 s，反洗時(shí)間要保證能夠?qū)⑺形畚锊粌H僅是清除出膜組件，而且要保證清除出膜系統(tǒng)。
(2)為了清除水力清洗無(wú)法除去的所有污物，在系統(tǒng)進(jìn)行水力清洗30 個(gè)周期后，進(jìn)行一次化學(xué)加強(qiáng)反洗，化學(xué)加強(qiáng)反洗分為堿洗(NaOH+NaClO)和酸洗(HCl)，堿洗的目的主要除去有機(jī)物，酸洗的目的主要除去金屬氧化物，運(yùn)行過(guò)程中3 次堿洗后進(jìn)行一次酸洗，堿洗過(guò)程中控制pH 為12，NaClO 質(zhì)量濃度為200 mg/L，酸洗過(guò)程中控制pH 為2，整個(gè)化學(xué)加強(qiáng)反洗過(guò)程中控制流量為120～150 m3/h，同時(shí)注意控制TMP 不能超過(guò)0.25 MPa。
(3)預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如表 1 所示。
表 1 預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果 注：以2012-08-07~2012-08-16 十天運(yùn)行數(shù)據(jù)為例。
由表 1 可見(jiàn)，預(yù)處理系統(tǒng)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(tǒng)
反滲透脫鹽系統(tǒng)由兩級(jí)膜處理裝置組成，一級(jí)反滲透裝置設(shè)置2 個(gè)系列，每列產(chǎn)水量42 m3/h，每列配置60(6：4 排列)支陶氏BW30-400 型聚酰胺復(fù)合膜元件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)脫鹽率≥97%，回收率為75%。二級(jí)反滲透裝置設(shè)置2 個(gè)系列，每列產(chǎn)水量36 m3/h，每列配置36(4：2 排列)支陶氏BW30-365 型聚酰胺復(fù)合膜元件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)脫鹽率≥99%，回收率為85%。一、二級(jí)保安過(guò)濾器濾元過(guò)濾精度均為5 μm。
反滲透脫鹽系統(tǒng)的運(yùn)行和監(jiān)控由PLC、儀表、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和工藝流程模擬屏執(zhí)行。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中高壓泵啟動(dòng)時(shí)，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(dòng)慢開(kāi)門(mén)逐漸打開(kāi)，使膜系統(tǒng)水壓逐漸穩(wěn)定升高，同時(shí)加藥泵自動(dòng)啟動(dòng)(一級(jí)反滲透入口加還原劑和阻垢劑，二級(jí)反滲透入口加NaOH)，反滲透系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，給水/ 濃水流沿著反滲透膜表面以一定的流速流動(dòng)，污染物很難沉積下來(lái)，但是如果反滲透系統(tǒng)停止運(yùn)行，這些污染物就會(huì)立即沉積在膜的表面，對(duì)膜元件造成污染。所以在反滲透系統(tǒng)停運(yùn)前設(shè)置了自動(dòng)沖洗，利用干凈水對(duì)膜元件表面進(jìn)行停運(yùn)沖洗，以防止這些污染物的沉積。一級(jí)反滲透沖洗流量為56 m3/h，二級(jí)反滲透沖洗流量為45 m3/h，沖洗時(shí)間為10 min。
(1)運(yùn)行過(guò)程中控制反滲透入口壓力為1.0 MPa，同時(shí)注意保安過(guò)濾器進(jìn)出口壓差小于0.2 MPa，若大于0.2 MPa 需要更換濾芯。同時(shí)運(yùn)行中注意控制產(chǎn)品水的壓力永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)給水或濃水的壓力。
(2)為了保證高壓泵安全運(yùn)行，高壓泵運(yùn)行過(guò)程中設(shè)置了入口壓力低和出口壓力高保護(hù)，當(dāng)?shù)蛪盒盘?hào)或高壓信號(hào)觸發(fā)保持3 s 后，高壓泵自動(dòng)停止，設(shè)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(xù)接觸將會(huì)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(biāo)，在一級(jí)反滲透入口設(shè)置了還原劑加藥管路，同時(shí)安裝了ORP 表，用于控制和調(diào)整加藥量，還原劑采用NaHSO3，藥劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，通過(guò)加藥裝置控制加藥量。當(dāng)ORP 表顯示≤150 mV 時(shí)，停止加藥泵;當(dāng)150 mV
(4)在二級(jí)反滲透入口設(shè)置了加堿系統(tǒng)，投加的堿液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的NaOH，質(zhì)量濃度過(guò)高pH 不好調(diào)節(jié)，控制二級(jí)反滲透入口pH 為8.3 左右。主要有以下兩個(gè)目的：，由于反滲透膜對(duì)水中CO2的透過(guò)率幾乎為100%，而從碳酸的電離度與水中pH的關(guān)系中可見(jiàn)，當(dāng)pH 約為8.3 時(shí)溶液中幾乎只含有HCO3-，這樣HCO3-通過(guò)反滲透系統(tǒng)全部去除，間接實(shí)現(xiàn)了去除CO2的目的，提高反滲透的脫鹽率。第二，當(dāng)pH <8 時(shí)，溶解硅以硅酸的形式存在，如硅酸的濃度超過(guò)其溶解度，硅將沉積出來(lái);當(dāng)水的pH>8時(shí)，硅的溶解度增加，此時(shí)，硅酸電離為硅酸根SiO32-，為防止硅在膜表面沉積，需保證二級(jí)反滲透進(jìn)水pH 在8.0 以上〔2〕。
(5)反滲透系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如表 2、表 3 所示。
表 2 一級(jí)反滲透運(yùn)行結(jié)果 注：以2012-08-07~2012-08-16 十天運(yùn)行數(shù)據(jù)為例。
表 3 二級(jí)反滲透運(yùn)行結(jié)果
由表 2、表 3 可見(jiàn)，一級(jí)反滲透出水電導(dǎo)率為5.1～7.2 μS/cm，脫鹽率≥97%;二級(jí)反滲透雖然脫鹽率不高，但產(chǎn)水電導(dǎo)率一直保持在≤5 μS/cm，出水水質(zhì)穩(wěn)定。
1.2.4 EDI 系統(tǒng)
EDI 系統(tǒng)設(shè)置2 個(gè)系列，每列產(chǎn)水量為34 m3/h，每列配置11 塊GE E-CELL MK-3 系列EDI 模塊，回收率為95%。EDI 運(yùn)行采用自動(dòng)控制，工作過(guò)程如圖 2 所示。
圖 2 EDI 運(yùn)行原理
由圖 2 可見(jiàn)，工作過(guò)程一般分為三個(gè)步驟： (1)淡水室中的離子交換樹(shù)脂對(duì)水中電解質(zhì)離子的交換作用，去除水中的離子;(2)在外電場(chǎng)作用下，水中電解質(zhì)沿樹(shù)脂顆粒構(gòu)成的導(dǎo)電傳遞路徑遷移到膜表面并透過(guò)離子交換膜進(jìn)入濃水室;(3)樹(shù)脂、膜與水相接觸的擴(kuò)散層中的極化作用使水解離為H+和OH-，除部分參與負(fù)載電流外大多數(shù)對(duì)樹(shù)脂起再生作用。離子交換、離子遷移、電再生相伴發(fā)生、相互促進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)去除離子的過(guò)程〔3〕。
(1)EDI 啟動(dòng)時(shí)，為了防止水錘導(dǎo)致的嚴(yán)重?fù)p壞，EDI 給水泵設(shè)計(jì)為變頻泵，給水壓力和流量緩慢上升至運(yùn)行壓力和流量的時(shí)間為1.5 min。同時(shí)啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中設(shè)置了產(chǎn)品水、濃水和極水低流量保護(hù)，當(dāng)3 個(gè)流量低信號(hào)其中任何一個(gè)觸發(fā)并保持3 s，EDI 模塊自動(dòng)斷電，保護(hù)值為產(chǎn)品水流量≤27.5m3/h，濃水流量≤2.2 m3/h，極水流量≤660 L/h。運(yùn)行過(guò)程中每個(gè)模塊電壓控制為60～65 V，電流為2～3 A。
(2)因?yàn)镋DI 模塊系統(tǒng)為直通逆流設(shè)計(jì)，即淡水及極水進(jìn)口設(shè)置在模塊底部，出口都設(shè)置在頂部，極水流由淡水流進(jìn)口供給，濃水進(jìn)口設(shè)置在模塊頂部，因此運(yùn)行過(guò)程中，為了防止?jié)馑Z入產(chǎn)品水，通過(guò)控制濃水進(jìn)口閥來(lái)調(diào)節(jié)濃水進(jìn)口與淡水出口之間的壓力差，嚴(yán)格控制淡水產(chǎn)水壓力至少比濃水進(jìn)口壓力大0.035 MPa，EDI 系統(tǒng)示意如圖 3 所示。
圖 3 EDI 系統(tǒng)示意
(3) EDI 運(yùn)行結(jié)果如表 4 所示。
表 4 EDI 運(yùn)行結(jié)果
由表 4 可見(jiàn)，EDI 系統(tǒng)出水電導(dǎo)率≤0.10 μS/cm，SiO2≤5 μg/L。由運(yùn)行結(jié)果可見(jiàn)，全膜法水處理技術(shù)出水完全能滿足電廠鍋爐補(bǔ)給水水質(zhì)的要求。
3 全膜法工藝及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)
與傳統(tǒng)的離子交換法相比，全膜法水處理工藝有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)無(wú)酸堿廢液排放，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。(2)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、占地面積少，安裝、運(yùn)行操作和維護(hù)工作量小。(3)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，連續(xù)制水能力強(qiáng)，不需單獨(dú)再生。(4)水的回收率高，當(dāng)進(jìn)水硬度小于0.02mmol/L 時(shí)，回收率可達(dá)90%～95%〔4〕。
全膜法裝置運(yùn)行費(fèi)用包括電耗、水耗、藥劑費(fèi)及設(shè)備折舊等費(fèi)用，其中設(shè)備一次性投資約略高于傳統(tǒng)離子交換處理方式，每產(chǎn)1 t 水，水費(fèi)以1.5 元計(jì)，電費(fèi)以1.0 元計(jì)，藥劑費(fèi)計(jì)0.25 元，人工費(fèi)計(jì)1.5 元，總運(yùn)行費(fèi)用為4.25 元/t，以每年運(yùn)行6 500 h 計(jì)算，年運(yùn)行費(fèi)用為187.85 萬(wàn)元〔5〕。和同規(guī)模的離子交換處理技術(shù)(陽(yáng)床+陰床+混床)相比，省去了酸堿消耗，可少用鹽酸650 多t，同時(shí)省去了再生用水、廢水處理和污水排放等費(fèi)用，運(yùn)行費(fèi)用明顯降低，約一年即可收回一次性投資差額，另外與同等產(chǎn)水量的離子交換系統(tǒng)相比，廠房面積可節(jié)約40%，廠房高度可降低1/3。具體參見(jiàn)http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結(jié)論
全膜法水處理技術(shù)在電廠中應(yīng)用，其出水水質(zhì)穩(wěn)定優(yōu)良，出水電導(dǎo)率小于0.1 μS/cm，含硅量小于5 μg/ L，完全能滿足電廠鍋爐補(bǔ)給水水質(zhì)的要求。與傳統(tǒng)的離子交換處理技術(shù)相比，全膜法因其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)在電廠中應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。
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