全膜法水處理工藝應用分析

王貴德，李朝燕

（1.大唐河北發電有限公司馬頭熱電分公司，河北 邯鄲 056044；2.大唐武安發電有限公司，河北 邯鄲 056044）

1 概述

隨著水處理技術的不斷發展，全膜法水處理工藝日趨成熟，由于其無需酸堿再生、操作簡單、連續制水、出水水質穩定，在火電廠鍋爐補給水處理工藝中的應用日趨廣泛。近年來，隨著環境保護的要求越來越受到重視，以高分子分離膜為代表的膜分離技術作為一種新型的流體分離單元操作技術，在我國受到了越來越多的矚目，尤其是電除鹽（EDI）技術更是水處理技術的重大進展之一，其不但產水質量高、運行穩定，而且使火力發電廠制取除鹽水徹底擺脫了因使用化學再生藥劑所引起的費用、空間、環保等問題。全膜法水處理是指以膜法處理取代傳統的砂濾和離子交換工藝，整個水處理系統均采用膜法處理工藝，即采用超濾＋反滲透入＋EDI系統。隨著全膜法技術的不斷成熟和推廣以及膜元件產品價格的不斷下降，全膜法水處理工藝越來越多的應用于火力發電廠的鍋爐補給水處理系統。

2 全膜法水處理工藝介紹

膜法液體分離技術一般分為微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）4類，它們的分離精度按照以上順序越來越高。電除鹽（EDI）因其應用了電滲析技術來實現離子交換樹脂的連續再生，通常被納入膜法分離技術之列。目前，用于火力發電廠的膜處理技術主要有超濾、反滲透、電除鹽等。

2.1 超濾系統

超濾是一種篩孔分離過程，分為內壓式和外壓式。在壓力的作用下，溶劑水和小溶質粒子透過超濾膜的孔而到達低壓側，大粒子組分被膜阻擋。超濾能夠有效地去除水中的懸浮物、膠體、有機大分子、細菌、微生物等雜質，具有優良的過濾性能。［1］與傳統工藝系統（化學加藥＋多介質過濾器＋活性炭過濾器）相比，超濾系統具有以下優點：占地面積小、出水水質好（出水污染指數SDI可以保持＜2，傳統工藝的預處理出水SDI為4～5）、出水水質穩定、易實現全自動控制。

2.2 反滲透系統

反滲透是最精密的膜法液體分離技術，它能阻擋所有溶解性鹽及分子量大于100的有機物，但允許水分子透過。反滲透膜是用特殊材料和加工方法制成的、具有半透性能的薄膜，它能夠在外界壓力作用下使水溶液中的某些組分選擇性透過，從而達到淡化、凈化或濃縮分離的目的。醋酸纖維素反滲透膜脫鹽率一般可大于95%，反滲透復合膜脫鹽率一般大于98%。由于反滲透系統的運行費用低、環境效益高，基本解決了再生酸堿污染環境的問題。［2］因此，在電力行業鍋爐補給水、循環水及廢水的回收，電廠的零排放等均可采用反滲透系統。但一級反滲透系統的出水水質還不能滿足電廠鍋爐補給水的要求，特別是隨著高參數大容量機組作為我國未來電力發展的主要機組，它們對于水質的要求也越來越高，因此，目前國內大部分電廠僅把反滲透當作預脫鹽，后面仍然采用離子交換技術，即反滲透加二級除鹽系統或反滲透加混床除鹽系統。此時廢酸堿的排放量與原來離子交換系統相比減少了90%，基本上解決了廢酸堿的排放問題。

2.3 EDI系統

傳統的反滲透加二級除鹽系統或反滲透加混床除鹽系統，仍存在混床樹脂再生酸堿廢液排放和繁瑣的再生操作問題。近年來隨著EDI技術的應用，即用EDI代替混床，徹底解決了酸堿排放問題。

EDI技術是在電滲析技術基礎上發展起來的，利用選擇性膜和離子交換樹脂組成填充床生產高純水的技術。最常見的EDI系統設備由一系列模塊并聯組裝而成，每個模塊有一定的產水量，一般每小時幾噸。由于EDI系統設備的樹脂可以在線連續再生，因此能實現連續運行。最常見的模塊為板框式。由于EDI系統對進水的水質要求較高，為確保EDI系統運行正常，一般在EDI系統前面采用兩級RO或設置軟化器［1］。與離子交換相比EDI系統有以下特點：無須酸堿再生，有利于達到環保要求，混床中的樹脂是通過酸堿中的H＋和OH－進行再生，而EDI系統裝置是通過電將水電離為H＋和OH－，從而對樹脂進行再生；占地面積極小，無須備用裝置，無須設置再生、酸堿貯存、中和設備；便于實現自動化控制，控制點數大大少于混床；操作人數減少，降低人為操作失誤的可能性，無須酸堿再生的操作；設備維修、更換方便，采用單元模塊式裝配；運行回收率高（即自耗用水量少），可達到95%，且排放的濃水可回收；產水水質穩定，產水電阻率可達到10MΩ·cm（25℃）以上。

3 全膜法水處理工藝的應用

3.1 機組概況

河北某煤矸石發電項目新建工程將建設2臺300MW間接空冷機組，每臺機組包括1臺1 100 t/h亞臨界、自然循環的循環流化床鍋爐，1臺300 MW亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽單軸間接空冷凝汽式汽輪機，1臺300MW發電機和相關的輔助設備。工程主供水水源為邯鄲礦業集團郭二莊煤礦二坑礦井疏干水站井下涌水；備用水源為郭二莊煤礦馬項礦井疏干水站井下涌水。

3.2 工藝選擇及工藝流程

根據水源水質資料及以往經驗，礦井疏矸水的懸浮物最高均在1 000mg/L，不能滿足循環水補水和鍋爐補給水處理系統進水的水質要求，因此本期工程設疏矸水預處理系統，預處理系統采用混合凝聚澄清沉淀過濾工藝，采用如下工藝設備：直列式混合器、星形絮凝設備、V形沉淀設備、砂濾池及輔助加藥設備，系統出水濁度設計值為小于1NTU。

經疏矸水預處理系統處理過的凈水進入鍋爐補給水處理系統。經過技術與經濟對比分析，考慮到全膜法的技術優勢，本期工程鍋爐補給水處理工藝最終確定為超濾＋二級反滲透＋EDI，系統設計最終出力為2×57t/h，除鹽水箱容積為2×1 500m3。

設計工藝流程為：生水（經混凝、澄清過濾處理并加熱）→生水箱→超濾升壓泵→自清洗過濾器（2×120t/h）→超濾 UF（2×93t/h）→超濾水箱→一級升壓泵→一級RO保安過濾器→一級高壓泵→一級RO（2×70t/h）→除二氧化碳器→中間水池→二級升壓泵→二級RO保安過濾器→二級RO（2×63 t/h）→反滲透水箱→EDI給水泵→EDI保安過濾器→EDI（2×57t/h）→除鹽水箱→經除鹽水泵至主廠房。

3.3 工藝設計優化

3.3.1 超濾系統

根據運行經驗，超濾系統大多存在膜污染和斷絲現象。一旦出現以上現象，會直接影響產水量和出水水質，威脅后續反滲透膜的安全穩定運行，因此工程從以下方面對超濾系統進行了優化設計。

a.選擇性能優良的膜元件，膜通量按照低值設計，且系統運行方式設計為錯流過濾，每個運行周期上下端交替進水，以最大限度地避免膜污染現象。

b.超濾給水泵和超濾反洗水泵增設變頻器，以減緩泵啟動時對膜絲的瞬間大流量沖擊，防止斷絲。

c.設置加強反洗，每個運行周期反洗時根據水質情況酌情加入殺菌劑、酸或堿，以保持膜元件表面清潔。

3.3.2 反滲透系統

反滲透膜以其對小分子物質和離子態物質的良好截留能力，是全膜水處理工藝中除鹽的核心，但是反滲透易受固體顆粒的損壞和微生物的污染，因此合理的系統設計和膜材料的選擇至關重要，工程從以下幾方面對反滲透系統進行了優化設計。

a.考慮到水源水質較惡劣，一級反滲透選用了陶氏公司的BW30－365FR渦卷式抗污染復合膜元件，抗污染復合膜不但降低了膜表面的粗糙度、提高了膜的親水性、改善了水流通道，而且膜表面帶有電荷，能有效地削弱濃差極化和減緩有機物、微生物、陽離子聚合物、表面活性劑集膠體對膜的污染。

b.考慮到二級反滲透進水水質較潔凈，二級反滲透選用較為經濟的渦卷式超低壓反滲透膜元件。

c.膜的水通量是膜元件的重要指標，膜的污染速度隨水通量遞增，膜通量的選擇按照不大于膜元件制造廠商《導則》中廢水進水水質規定的水通量低值的90%選取。

d.高壓泵設置變頻器和電動慢開門，以降低啟泵時對高壓泵對反滲透膜元件的沖擊。

3.3.3 EDI系統

由于EDI系統對進水的水質要求較高，為確保EDI系統運行正常，工程在EDI系統前面采用2級RO系統并從以下幾個方面進行了優化。

a.通過對比分析幾種不同EDI系統運行情況，以確定EDI系統膜塊的選型。通過對現有投入運行較好的EDI膜塊（包括GE公司產品、Electropure公司產品和西門子Ionpure產品等）進行技術經濟比較，選擇單塊膜塊出力較大的Electropure公司的EXL－700產品（該產品設計出力為7t/h，其余為3～5t/h），以降低造價和簡化系統。

b.水中CO2的存在，會嚴重影響EDI裝置產水品質。為消除CO2對EDI裝置的影響，工程在二級RO裝置進水中加堿，這樣不但不會引起反滲透結垢，而且可以將CO2轉化為CO32－和HCO3－，提高了RO膜對碳酸的脫除率，使EDI系統進水中CO2含量＜2mg/L，從而確保了EDI系統的產水品質。

c.取消了濃水加鹽設備，利用EDI膜塊本身的技術特點確保濃水的導電性，從而使系統簡單，操作方便，易于控制。

3.3.4 系統整體設計優化

a.合并系統中的化學清洗裝置。由于超濾、反滲透、EDI運行一定時間后，均需要化學清洗，因此在開始設計時各系統分別設計了1套清洗裝置。考慮到超濾的化學清洗藥品中含有氧化性物質，而氧化性物質是反滲透膜元件的致命威脅，因此單獨設超濾化學清洗裝置，而將EDI化學清洗裝置取消，和反滲透清洗裝置共用，并將反滲透清洗裝置中的保安過濾器濾芯由5μm改為1μm，以滿足EDI進水水質要求。

b.自清洗過濾器和超濾按照單元制一對一設計，控制簡單。

c.自清洗過濾器反洗水、超濾反洗水回收至地下回收水池，用回收水泵送至疏矸水預處理系統原水池處理后回用。一級反滲透濃水、EDI極水回收至反滲透濃水箱直接用作脫硫系統用水；二級反滲透濃水、EDI濃水回至超濾水箱回用；系統化學清洗廢水回收至地下廢水池，用廢水泵打至工業廢水處理站處理后回用。

d.將反滲透系統單元制進水改為母管制進水，從而簡化了反滲透進水加藥設備和進水水質分析儀表的設置。

e.除鹽水泵設置變頻裝置，提高了泵運行的經濟性。

f.除鹽水箱設置浮頂，以隔絕空氣，防止空氣中的CO2對除鹽水造成污染。

3.4 應用效果

a.目前該該系統已通過調試，EDI出水電導率小于0.06μS/cm，遠遠優于常規的陽床陰床混床離子交換處理工藝。

b.系統運行操作簡單，僅在集控室設1名遠控值班員及1名就地巡檢員。

c.通過優化方案的實施，降低工程造價約10萬元。

d.通過系統不同水質分類回收的優化設計，使制水過程中全部廢水得以重復利用，按照年運行5 500h計算，每年節約用水約55萬t，為降低電廠的水耗指標及實現電廠“零排放”提供了技術保證。

4 結束語

全膜法水處理工藝日趨成熟，具有無需酸堿、操作簡單、連續制水、產水水質穩定、節約占地等特點，是建設綠色環保電廠的首選工藝方案。某電廠2臺300MW發電機組采用該處理工藝，并對其技術進行優化，優化后系統超濾、反滲透及EDI設備的出水水質、水量均達到設計指標，設備運行穩定。其他機組在應用該處理工藝時，可根據全膜法水處理工藝的水源水質及特點，結合實際運行案例對工藝設計方案進行優化，以做到合理降低工程造價，確保系統穩定可靠運行。

［1］ 周本省.工業水處理技術［M］.北京：化學工業出版社，2007.

［2］ 張葆宗.反滲透水處理應用技術［M］.北京：中國電力出版社，2004.