全膜法水處理在脫鹽水處理中的應用

李晶晶，耿愛平

(惠生工程(中國)有限公司河南化工設計院分公司，河南鄭州 450018)

全膜法水處理技術是將微濾、超濾、反滲透(RO)和電去離子(EDI)等各種膜分離技術聯合應用于工業水處理，達到去除污染物和脫鹽的目的［1］。傳統的離子交換除鹽工藝樹脂再生需消耗大量的酸堿，酸堿廢液污染環境，而全膜法水處理無需酸堿、產水水質穩定、節約占地、自動化程度高。文章以某化工廠除鹽工藝為研究對象，設計了一套全膜法水處理工藝，旨在為全膜法的工藝設計起到一定的借鑒與完善作用。

1 工程概況

某工程擬建設脫鹽水站為其高溫、高壓鍋爐及工藝裝置提供補充水。該項目廠址位于瑪納斯縣塔河工業園區內，當地冬季寒冷，夏季酷熱。根據全廠蒸汽平衡圖計算出全廠脫鹽水使用情況，結合正常運行模式確定脫鹽水制備系統按260 t/h規模設計。

2 系統概況

2.1 設計思路

本工程原水水源采用瑪納斯縣塔西河水，從水質報告上看該工程原水水質良好，但原水為地表水，新疆夏季雨水較多，系統設計時需考慮洪水期濁度異常與涸水期鹽份增加的水質變化。為保證EDI嚴格的進水要求，本系統選擇自清洗過濾器和超濾裝置組成預處理單元，兩級反滲透裝置作為EDI的預脫鹽工序，用反滲透除去95%以上的鹽分，降低EDI裝置進水硬度，有效防止EDI膜濃水室和極水室結垢，有利于EDI裝置長期穩定運行。用EDI進行深度脫鹽，實現水的高純度化。同時考慮到冬季氣候寒冷，原水水溫低，在自清洗過濾器前增加原水換熱器，使水溫穩定在40℃左右。水溫增加可提高超濾、反滲透的產水量，降低運行能耗。

2.2 工藝流程

原水→800 m3原水罐→原水加壓泵(變頻)→原水換熱器(蒸汽型)→2×230 t/h自清洗過濾器→2×200 t/h超濾裝置→500 m3超濾產水罐→一級反滲透(RO)增壓泵→一級RO保安過濾器→一級RO高壓泵(變頻)→2×160 t/h一級反滲透裝置→500 m3一級RO產水罐→二級RO增壓泵→二級RO保安過濾器→二級RO高壓泵(變頻)→2×145 t/h二級反滲透裝置→500 m3二級RO產水罐→EDI給水泵(變頻)→EDI保安過濾器→2×130 t/h EDI裝置→2×1000 m3脫鹽水罐→除鹽水泵→除鹽水補水母管。

系統還包括:加藥系統、壓縮空氣系統、化學清洗系統、控制系統。

3 主要構筑物設計

3.1 超濾系統

超濾是以壓力為推動力，利用超濾膜不同孔徑對液體進行分離的物理篩分過程，能有效地去除水中的懸浮物、微粒、膠體、大分子有機物和細菌等，為下游反滲透膜提供最大限度的保護。超濾系統包括超濾裝置及其常規反洗和化學清洗裝置。

本工程設置2套超濾裝置，采用立式結構。膜元件的設計通量為57.1 L/m2·h。超濾膜采用聚偏氟乙烯(PVDF)材質，具有高強度和良好的抗化學腐蝕能力，可延長膜的使用壽命。每套超濾系統采用70支日本旭化成UNA－620A膜組件，該膜組件由中空纖維膜絲外表面供水，通過過濾側減壓實現外壓式抽吸全量過濾，跨膜壓差(TMP)將隨運行時間逐漸增加［2］。外壓式膜組件的膜絲流道較小，不宜采用大流量的反洗方式，因此本系統增設空氣擦洗功能，在氣體作用下，混合流體在膜表面產生激烈的攪拌作用，具有較好的去污效果。在超濾反洗水中根據水質情況酌情加入殺菌劑(次氯酸鈉)、酸或堿以保持膜元件表面清潔。

超濾產水管上設污染指數(SDI)檢測口，當SDI＞5時，屬高污染水，不得進入反滲透系統。原水加壓泵、超濾反洗水泵均為變頻泵。原水加壓泵出口設電動慢開門，以減緩泵啟動時對膜絲的瞬間大流量沖擊，防止斷絲。

3.2 反滲透系統

3.2.1 反滲透裝置

本工程設置2套一級反滲透裝置，選用FILMTEC BW30－400/34i普通膜元件，396支，回收率為75%。進水中游離氯或其他氧化劑會對膜元件造成嚴重破壞，故在一級反滲透進水管加裝氧化還原表(ORP)，控制水中游離氯＜0.1 mg/L。這樣反滲透膜既不被氧化，同時因為余氯的存在又無微生物滋生。在工藝上采用還原劑NaHSO3消除水中余氯，通過加藥裝置控制加藥量。

設置2套二級反滲透裝置，選用 FILMTEC LE440i超低壓膜元件，204支，回收率為90%。二級RO進水管設自動加堿設施，將pH調至7.5～8的弱堿性，消除CO2對EDI裝置的影響。二級RO濃水水質比超濾產水水質還好，回收至超濾產水罐。

上述反滲透裝置均采用一級二段式，每套裝置都能單獨運行，也可同時運行。每套反滲透裝置產品水和濃水管道各自獨立，互不影響，避免產生背壓，破壞膜元件;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。在所提供的水質情況下，一級反滲透膜元件設計水通量為22 L/m2·h，二級反滲透膜元件設計水通量為36 L/m2·h。反滲透濃水排水裝設流量控制閥，以控制水的回收率。濃水排放管采用倒U形設計，且排放口高于最高一層膜組件，避免膜元件承受反壓。

3.2.2 保安過濾器

每套反滲透前設置一臺過濾精度為5 μm的保安過濾器，以確保超濾水罐或管道上大于5 μm的污染物全部去除。保安過濾器中的濾元為可更換卡式濾棒，當過濾器進出口壓差大于設定值時，進行更換。濾芯采用大通量濾芯，流量不超過40 t/h。

3.2.3 高壓泵

高壓泵的作用是為反滲透本體裝置提供足夠的進水壓力，保證反滲透膜的正常運行。高壓泵出口均裝設電動慢開門，防止反滲透膜組件受高壓水的沖擊。

3.3 EDI裝置

電去離子過程(Electrodeionization，縮寫為EDI)，將電滲析和離子交換有機地結合成一體，混床樹脂填充于離子交換膜之間并在直流電場作用下實現連續除鹽的新型水處理技術［3］。

本工程設置2套EDI裝置，每套EDI裝置前設保安過濾器，采用大通量濾芯，過濾精度1 μm。膜元件選用GE E－cell 3X原裝進口產品，每個模塊出力為5 t/h。E－Cell－3X在濃水室添加離子交換樹脂，無需向濃水室加鹽，無需濃水循環，降低了模塊的運行電壓。模塊與整流器一對一配置。水進口裝設壓力調節閥，確保濃水進口壓力比淡水出口壓力至少低0.035 MPa。進水離子濃度低會使EDI淡水室中的樹脂和膜的表面上形成的電動勢梯度增大，導致水的電離程度增強，從而使填充在淡水室的陰、陽離子交換樹脂再生效果好，因此在EDI進水母管設電導率測量儀，使EDI進水電導率控制在≤40 μS/cm。濃水排水裝設流量控制閥，以控制水的回收率。EDI給水泵為變頻泵，出口設電動慢開門。EDI濃水回收至超濾產水罐，不合格水送至二級反滲透的產水罐。

3.4 主要設備控制方式

3.4.1 超濾控制

超濾單元操作的運行、反洗由PLC自動控制完成。通過二次儀表將各個機組的進水水量、產水水量及進出水壓力傳輸至中央控制系統以便在控制室內進行監控，了解超濾的運行狀況。進水壓力的控制通過變頻器調節，維持系統運行壓力的穩定。2套超濾設備在現場設置2臺就地操作盤，對超濾可實現自動/手動操作切換。

3.4.2 反滲透單元控制

4套反滲透裝置設置了4臺就地操作控制盤，在就地儀表上可讀出每臺反滲透裝置的有關運行參數(如進/產水流量、進/產水電導率、運行壓力、進水pH值等)。在就地控制盤上可實現裝置的操作。同時將上述參數經二次儀表上傳至中央計算機，在控制室內進行監控，了解反滲透系統的運行狀況。

系統泵的出口裝有壓力傳感器，當供水不足，水壓過低，會自動發出停機信號，使水泵停止運行;當由于某種原因造成高壓泵出口壓力過高時，高壓開關可自動切斷高壓泵的供電，保護系統不超壓運行。

高壓泵裝有變頻器，由PLC控制高壓泵緩慢開啟，使膜元件逐步受壓，防止水錘現象的發生，以保護系統的安全。

當反滲透裝置停機時，自動關閉進水閥門，啟動反滲透沖洗泵，打開沖洗進水、濃水排放和產水自控閥，利用中間水箱的反滲透產水沖洗膜表面的沉積物，以防止其影響膜的性能，沖洗時間約為20 min。

3.4.3 EDI單元控制

2套EDI裝置設置了2臺就地操作控制盤，在就地儀表上可讀出每臺EDI裝置的有關運行參數(如產/濃水流量、產水電阻率、進水壓力)。在就地控制盤上可實現裝置的操作。同時將上述參數經二次儀表上傳至中央計算機，以便在控制室內進行監控，了解EDI系統的運行狀況。EDI必須在有水流過，且流量高于最低值時才能通電;開機時，先通水后通電;關機時，先斷電后斷水。

4 全膜法與離子交換法的比較

除鹽水處理基本工藝為:“預處理+一級除鹽+二級除鹽”。常用的二級除鹽工藝有:混床、EDI。現將兩者綜合比較如表1所示。

表1 EDI工藝和混床工藝比較

方案一/方案二比較:綜合投資，方案一比方案二多190萬元;運行費用，方案一比方案二每年少63萬元。方案一投資差額回收期，約3年。

5 結論

EDI凈水設備具有連續出水、無需酸堿再生和無人值守等特點，使脫鹽水系統設備結構簡化，減少設備占地面積，節約費用。雖然EDI的初投資比混床高，但運行費用低，管理方便，運行幾年就可收回成本，而且新疆地區酸堿價格較貴，人工較貴，從長期發展來看，EDI的經濟效益比混床高。

全膜法水處理出水水質可靠，無酸堿廢液排放，在本系統設計中，EDI的濃水、極水、不合格產水均被回收利用，EDI單元無廢水排放，實現了完全的綠色環保，節能補水制水工藝，環境效益顯著。這也是水處理工藝發展的必然方向。

［1］姚 勇.大流量全膜法水處理技術在電廠中的應用［J］.熱力發電，2009，38(8):110 －112.

［2］萬廣東.全膜法處理城市再生水回用鍋爐補給水工藝的應用［J］.沈陽工程學院學報:自然科學版.2012，8(4):314－317.

［3］張 琰.電去離子(EDI)裝置運行調整及優化［J］.中外能源，2010，15(11):92－93.