硅鋼陶瓷膜超濾設(shè)施異常分析與處理

高根生,臧健（馬鞍山鋼鐵股份有限公司能源總廠，安徽馬鞍山243000）

硅鋼陶瓷膜超濾設(shè)施異常分析與處理

高根生,臧健
（馬鞍山鋼鐵股份有限公司能源總廠，安徽馬鞍山243000）

【摘要】針對(duì)馬鋼二硅鋼產(chǎn)線超濾系統(tǒng)清洗通量上不去、運(yùn)行中通量下降很快的現(xiàn)象進(jìn)行分析，從運(yùn)行程序、工藝參數(shù)、清洗時(shí)間、清洗藥劑、現(xiàn)場(chǎng)操作方面進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，取得了良好效果。

【關(guān)鍵詞】超濾；通量；清洗劑

Analysis and Treatment of Abnormalities in the Ceramic Ultra-filtration Membrane System for Silicon Steel Line

Gao Gensheng, Qi Jian
（The General Energy Plant of Maanshan Iron & Steel Co., Ltd., Maanshan, Anhui 243000, China）

【Abstract】The problem of low cleaning flux and fast decrease of flux during operation of the ceramic ultra-filtration system at the No.2 silicon steel production line of Masteel was analyzed. The system was optimized in the aspects of operation program, process parameters, cleaning time, cleaning agents and actual operation, which has achieved good effect.

【Keywords】ultra-filtration; flux; cleaning agent

1　前言

冷軋廢水中污染物種類多，成分復(fù)雜，而且水量、成分變化較大，由于超濾技術(shù)具有分離、濃縮、純化和精制功能,又兼有高效、節(jié)能、環(huán)保作用,已被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域，且處理工藝日臻完善。

目前在冶金行業(yè)中對(duì)含油及乳化液廢水使用較多的是陶瓷膜超濾處理工藝。

2日常生產(chǎn)運(yùn)行超濾裝置存在的問(wèn)題

生產(chǎn)線機(jī)組排放的濃堿含油廢水壓力排至含油廢水調(diào)節(jié)池，經(jīng)停留、蒸汽加熱后實(shí)現(xiàn)浮油、廢水、油渣的初步分離，中間水層用泵提升至斜管沉淀池，出水經(jīng)紙帶過(guò)濾機(jī)過(guò)濾，去除粗渣后進(jìn)入到超濾系統(tǒng)(共2組，每組處理能力3.0 m3/h)進(jìn)行油水分離，超濾出水排至稀堿廢水調(diào)節(jié)池與稀堿廢水一道進(jìn)行后續(xù)生化處理。工藝處理流程見(jiàn)圖1。

圖1　二硅鋼含油乳化液廢水處理工藝流程圖

調(diào)節(jié)池及超濾系統(tǒng)分離出的浮油排至廢油收集槽，經(jīng)濃縮后外運(yùn)。調(diào)節(jié)池底部設(shè)有積泥坑，油泥定期外運(yùn)處理。

二硅鋼超濾裝置采用的是陶瓷膜過(guò)濾系統(tǒng)，該系統(tǒng)為主分離主體單元(包括預(yù)過(guò)濾器、循環(huán)泵和膜組件等)、CIP清洗單元(包括酸洗槽、堿洗槽、漂洗槽)、儀表閥門(mén)以及控制系統(tǒng)。

馬鋼二硅鋼廢水處理站陶瓷膜超濾裝置初期運(yùn)行較穩(wěn)定。但大約半年時(shí)間開(kāi)始出現(xiàn)清洗通量上不去、運(yùn)行過(guò)程中通量下降很快的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為：膜管清洗時(shí)漂洗通量為6.9 m3/h；堿洗通量為：10.7 m3/h；酸洗通量為13.0 m3/h。運(yùn)行半小時(shí)左右通量由7 m3/h很快下降到2.6 m3/h，給生產(chǎn)帶來(lái)很大影響，來(lái)不及處理的廢水要靠外運(yùn)處理，增加了環(huán)保隱患和成本。

3　出現(xiàn)的故障現(xiàn)象及分析

3.1膜起始通量低，通量下降過(guò)快

從運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)分析來(lái)看，判斷有如下幾方面原因：

3.1.1廢水中污染物濃度的影響

①每次進(jìn)膜裝置的廢水性質(zhì)和濃度不一樣；廢水污染物成分復(fù)雜。

②廢水在系統(tǒng)內(nèi)反復(fù)循環(huán)，膜截留的部份污染物沒(méi)有得到有效的處理，造成污染物在膜系統(tǒng)內(nèi)累積，濃度高，致使膜污染加劇。

陶瓷膜是高精度的過(guò)濾（0.05 μm），而破乳、沉降、紙帶過(guò)濾是粗過(guò)濾（25～50 μm），循環(huán)槽中的濃縮液不斷返回到前面預(yù)處理設(shè)施（調(diào)節(jié)池破乳、斜管沉降、紙帶過(guò)濾）只能去除部份的膜截留物，不能去除的膜截留物在系統(tǒng)內(nèi)不斷累積富集，致使膜污染快，起始通量低、通量衰減快。

③由于乳化液分批處理，如果每次同時(shí)開(kāi)兩臺(tái)過(guò)濾，當(dāng)廢水補(bǔ)充量小時(shí)或不補(bǔ)充時(shí)，循環(huán)槽進(jìn)入快速濃縮階段，膜污染迅速加劇，造成通量衰減快。

從現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行方式來(lái)看，一般設(shè)備運(yùn)行一個(gè)月左右才對(duì)循環(huán)槽進(jìn)行一次排空操作，每次過(guò)濾后的濃縮液都停留在循環(huán)槽中，運(yùn)行較多批次后會(huì)使循環(huán)槽中料液雜質(zhì)含量過(guò)高，不溶性雜質(zhì)和油含量富集，這樣每次重新向循環(huán)槽中注入新的乳化液后，乳化液中懸浮物和乳化油的含量處于較高的水平，開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)，膜污染速度加快，造成起始通量低、通量衰減快。

馬鋼二硅鋼的含油乳化液是按批次處理的，批次之間可能會(huì)間隔較長(zhǎng)時(shí)間，每次停機(jī)后循環(huán)槽和輸送管中的濃縮液冷卻靜沉后在底層會(huì)形成一定量的積泥，再次運(yùn)行時(shí)，循環(huán)槽和輸送管中的積泥首先進(jìn)入膜設(shè)備，使膜層迅速污染，導(dǎo)致起始通量低，膜通量下降較快。

④每批次開(kāi)機(jī)時(shí)，都是在循環(huán)槽低液位時(shí)進(jìn)水并同時(shí)啟動(dòng)膜機(jī)，這樣原來(lái)積聚的濃縮液很快對(duì)膜產(chǎn)生污染，造成起始膜通量下降。

⑤膜管清洗效果不理想，每次清洗不徹底。

3.1.2預(yù)處理效果

調(diào)節(jié)池的作用，一是調(diào)節(jié)水量；二是對(duì)廢水進(jìn)行加溫破乳和撇油處理,調(diào)節(jié)池每3個(gè)月對(duì)底泥進(jìn)行清理；斜管沉淀時(shí)底部污泥應(yīng)及時(shí)排入污泥池。紙帶過(guò)濾機(jī)的作用是清除乳化液中的金屬和其他非金屬雜質(zhì)（如膠體物）。保證進(jìn)入超濾系統(tǒng)中乳化液的清潔度，防止膜管堵塞和膜面磨損。其過(guò)濾精度約為25～50 μm。

因此要充分發(fā)揮好預(yù)處理設(shè)施的效能，盡量降低廢水中懸浮油和懸浮物、膠體物的濃度，降低膜污染物濃度、增強(qiáng)膜過(guò)濾的穩(wěn)定性。

3.1.3操作控制等因素

過(guò)濾溫度、液位控制、設(shè)備閥門(mén)的開(kāi)關(guān)程序等因素在一定程度上影響膜過(guò)濾的穩(wěn)定性。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用要求與生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)編程的操作條件往往不一致。

3.1.4清洗效果的影響

設(shè)備清洗不徹底，某些污染物沒(méi)有完全去除，是導(dǎo)致起始通量低，膜通量下降較快的一個(gè)原因，而清洗不徹底與清洗劑等因素有關(guān)。

陶瓷膜清洗的幾個(gè)關(guān)鍵因素是溫度、時(shí)間、清洗水質(zhì)、清洗劑種類與濃度。

①溫度

溫度是影響膜清洗的一個(gè)很重要因素。溫度高，分子運(yùn)動(dòng)加劇.有利于清洗劑更快的滲透到膜的污染物中，也加快了清洗劑對(duì)膜污染物發(fā)生相應(yīng)的物理化學(xué)作用，從而加快對(duì)污染物的清除。陶瓷膜清洗溫度在40～55℃之間，對(duì)輕污染的陶瓷膜通量的恢復(fù)有效果，但如果料液很濃，污染物成分復(fù)雜，膜受到嚴(yán)重污染時(shí)，這種溫度清洗，會(huì)造成由于膜沒(méi)有完全被清洗恢復(fù)，膜面或膜孔內(nèi)依然有污染物存在，這樣不僅降低了膜的初始通量，而且長(zhǎng)此以往，將導(dǎo)致膜污垢在膜孔和膜面的積累，最終導(dǎo)致膜的通量完全清洗不出來(lái)，陶瓷膜將徹底喪失過(guò)濾功能。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)重污染的陶瓷膜清洗的溫度應(yīng)為60～70℃。

②時(shí)間

陶瓷膜的清洗機(jī)理是在一定溫度下，膜清洗劑與膜污染物發(fā)生了物理化學(xué)的作用，使得污染物溶解或乳化分散在清洗溶液中。因此，足夠的清洗時(shí)間應(yīng)該是保證這種物理化學(xué)的作用所應(yīng)有的作用時(shí)間，短時(shí)間清洗只會(huì)帶來(lái)清洗不徹底，而長(zhǎng)時(shí)間清洗則會(huì)帶來(lái)清洗時(shí)間的浪費(fèi)。目前一般采用的清洗時(shí)間為1～2 h左右。如把清洗時(shí)間縮短，會(huì)造成清洗劑剛剛起作用卻被停止了的結(jié)果，后果就是膜污染越積越多，最終完全不能恢復(fù)。

③清洗水質(zhì)

陶瓷膜是屬于精度較高的過(guò)濾工藝，不能使用自來(lái)水加清洗劑進(jìn)行清洗。清洗不徹底將導(dǎo)致膜過(guò)濾性能下降和滲透通量的永久性喪失，故清洗水宜使用去離子水、軟化水或反滲透水。

④清洗劑種類

陶瓷膜因處理料液不同、污染物成分不同，清洗劑選擇需有針對(duì)性分析及使用。而采用單一成分的堿或酸液清洗，污染物不能被完全清洗出來(lái)而使陶瓷膜通量下降、出料能力降低的現(xiàn)象比比皆是。

因此，合適的乳化液處理體系用陶瓷膜清洗劑應(yīng)該是復(fù)配的，而不是單方藥劑，既要對(duì)有機(jī)污染物有溶解、滲透的功效，更要有對(duì)污染物有乳化、分散的能力。

3.2膜管斷（開(kāi)）裂

從2014年2月21日至5月24日發(fā)生膜管開(kāi)裂情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1　膜管開(kāi)裂情況統(tǒng)計(jì)表

9支斷裂膜管中有8支是發(fā)生在2#機(jī)組二段膜組件。經(jīng)過(guò)分析與現(xiàn)場(chǎng)查找原因如下：

3.2.1開(kāi)停機(jī)時(shí)膜設(shè)備振動(dòng)大

檢查發(fā)現(xiàn)：地坑中料液管道的固定管卡因振動(dòng)而松動(dòng)或脫落共15處（說(shuō)明管道振動(dòng)的程度較大），尤其是清洗完畢后清洗槽閥門(mén)（特別是漂洗槽回流閥）關(guān)閉時(shí)，管道振動(dòng)很明顯，大強(qiáng)度的振動(dòng)傳導(dǎo)到超濾設(shè)備上，對(duì)超濾設(shè)備造成異向沖擊力，而且這種異向沖擊力首先被傳導(dǎo)到與槽體距離最近的2#機(jī)組二段膜組件，因而受到的沖擊強(qiáng)度比次后的膜組件更大，造成的破壞影響最大，這應(yīng)該是導(dǎo)致2#機(jī)組二段膜組件多次出現(xiàn)膜管斷（開(kāi)）裂的主要原因（2#機(jī)組二段5次8根斷膜，1#機(jī)組二段膜組件1 次1根斷膜，其它一段2個(gè)膜組件未出現(xiàn)膜管斷（開(kāi)）裂）。

3.2.2自動(dòng)關(guān)機(jī)程序存在不合理的情況

主要體現(xiàn)在閥門(mén)、泵關(guān)閉的順序延時(shí)沒(méi)有設(shè)置，造成關(guān)機(jī)后超濾設(shè)備未完全泄壓，設(shè)備和管道中殘存一定量的余壓和動(dòng)能，產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，引起管道和設(shè)備振動(dòng)或沖擊膜管，使膜管受力，導(dǎo)致膜管斷裂。

3.2.3膜組件加工精度可能有細(xì)微偏差，無(wú)機(jī)陶瓷膜在膜殼中對(duì)外來(lái)異向沖擊力抗受能力稍差，可能會(huì)導(dǎo)致膜管斷（開(kāi)）裂。

3.3滲透液出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象

膜管出現(xiàn)破裂后，滲透液出現(xiàn)渾濁。

更換新膜管后，滲透液偶然會(huì)有渾濁現(xiàn)象發(fā)生，可能是在拆卸膜管時(shí)，把膜管從膜組件中取出或安裝的過(guò)程中，因不小心膜管端面與鋼性法板發(fā)生破撞而損壞（從現(xiàn)場(chǎng)看，破損大小直徑約2~3 mm），再次裝進(jìn)膜組件后，錐形密封圈和膜管端面密封不嚴(yán)，濃縮液透過(guò)密封圈與膜管端面之間的縫隙，從而導(dǎo)致滲透液渾濁。這主要是在第一次和第二次膜斷裂后，對(duì)兩臺(tái)膜設(shè)備的組件進(jìn)行了兩次拆檢后發(fā)生的，屬于膜管維護(hù)造成的。

4　解決措施及處理結(jié)果

4.1對(duì)運(yùn)行程序進(jìn)行重新調(diào)整

調(diào)整PLC控制，在閥門(mén)開(kāi)啟后延遲給料泵、循環(huán)泵啟動(dòng)時(shí)間（由原來(lái)的3 s延長(zhǎng)到10 s），利用清洗槽高液位差進(jìn)行排氣，避免管道中氣體對(duì)膜組件沖擊。

4.2工藝參數(shù)的調(diào)整

4.2.1槽體液位

按表2控制槽體高低液位，防止低液位運(yùn)行，產(chǎn)生旋渦，致使氣體進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)造成振動(dòng)等，破壞膜管。特別是循環(huán)槽液位不能低于0.7 m，避免濃縮液濃度過(guò)高，一旦進(jìn)入超濾系統(tǒng)，污染過(guò)濾膜。

表2　槽體液位控制要求

4.2.2槽體溫度

按表3控制各槽體溫度，溫度對(duì)破乳、清洗效果影響較大。通過(guò)設(shè)定漂洗槽溫度要低于循環(huán)槽、堿洗槽、酸洗槽溫度，首先對(duì)超濾設(shè)備有一個(gè)預(yù)熱功能，特別在冬季如漂洗槽溫度過(guò)高，由于熱脹冷縮會(huì)對(duì)膜管產(chǎn)生影響。

表3　槽體溫度控制要求

4.2.3儀表空氣壓力調(diào)整

通過(guò)調(diào)節(jié)超濾設(shè)備進(jìn)氣端的氣動(dòng)三聯(lián)件來(lái)調(diào)節(jié)設(shè)備上的閥門(mén)啟閉所需壓力，一般閥門(mén)啟閉所需壓力為0.35 MPa。這樣可以減緩閥門(mén)的開(kāi)關(guān)速度，可以適當(dāng)降低水流的沖擊。

4.3做到清洗及時(shí)

設(shè)定三種需進(jìn)行的清洗條件下，以優(yōu)先達(dá)到的清洗條件時(shí)對(duì)膜設(shè)備進(jìn)行清洗。

(1)當(dāng)膜過(guò)濾裝置過(guò)濾完一批料液時(shí)，必須進(jìn)行清洗；

(2)當(dāng)膜過(guò)濾裝置連續(xù)過(guò)濾時(shí)間達(dá)72 h（即清洗周期）后，即應(yīng)進(jìn)行清洗；

(3當(dāng)過(guò)濾滲透液流量下降至設(shè)計(jì)處理能力的70%左右，即通量為2 m3/h時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)清洗。

4.4延長(zhǎng)清洗時(shí)間、增大藥劑濃度及加強(qiáng)清洗劑組分的適配性

原清洗流程：

漂洗5 min→堿洗40 min（第一階段20 min；第二階段20 min）→漂洗5 min→酸洗40 min（第一階段20 min；第二階段20 min）→酸浸泡→漂洗5 min→運(yùn)行

藥劑及濃度：堿洗劑NaOH 2%;酸洗劑HNO32%

優(yōu)化后清洗流程：

漂洗5 min→堿洗80 min（第一階段40 min；第二階段40 min）→漂洗5 min→酸洗80 min（第一階段40 min；第二階段40 min）→酸浸泡→漂洗5 min→運(yùn)行

藥劑及濃度：堿洗劑NaOH 2.5%～3.0%;酸洗劑①HNO32.5%～3.0%②平平加OP-25(一種表面活性劑)0.05%

調(diào)整后堿洗、酸洗時(shí)間由40 min提高到80 min，堿洗劑NaOH、酸洗劑HNO3濃度由2%提高到2.5%～3.0%，且為了提高酸洗效果增加了表面活性劑平平加OP-25。

4.5回水發(fā)生質(zhì)量異議時(shí)運(yùn)行單位及時(shí)向廠調(diào)匯報(bào)，從生產(chǎn)線源頭加強(qiáng)管理，廢水應(yīng)根據(jù)污染性質(zhì)分別進(jìn)入各自系統(tǒng)，尤其是降低含油廢水中的污染物負(fù)荷，如油泥等。

4.6為保證廢水處理系統(tǒng)正常運(yùn)行，減少疑議，對(duì)含油廢水調(diào)節(jié)池/斜板沉淀器/循環(huán)槽/廢油收集槽的底泥進(jìn)行一次徹底清理。

4.7規(guī)定含油廢水調(diào)節(jié)池底泥每3個(gè)月進(jìn)行一次清空（具體視來(lái)水污染情況可做調(diào)整），循環(huán)槽/廢油收集槽底泥的清空頻率視現(xiàn)場(chǎng)情況確定，以滿足超濾裝置的穩(wěn)定運(yùn)行為準(zhǔn)。

4.8操作人員要控制循環(huán)槽中的濃縮液最多處理2批（1調(diào)節(jié)池廢水為1批，約為100 m3廢水）廢水后，排入廢油收集槽或采取其它方法進(jìn)行單獨(dú)處理，不能在調(diào)節(jié)池和膜系統(tǒng)間重復(fù)循環(huán)處理，防止部份膜截留物在系統(tǒng)內(nèi)富集，造成膜污染加劇。

4.9嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，同時(shí)加強(qiáng)報(bào)表記錄管理，做好過(guò)濾和清洗的詳細(xì)記錄。做到操作有記錄，記錄應(yīng)詳細(xì)，記錄可備查，及時(shí)對(duì)超濾裝置運(yùn)行狀況進(jìn)行分析。

4.10加強(qiáng)生產(chǎn)調(diào)度管理，進(jìn)行乳化液排放的預(yù)報(bào)；根據(jù)廢水排放情況，充分發(fā)揮調(diào)節(jié)池的調(diào)節(jié)功能，靈活掌控膜裝置的開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)，均衡調(diào)節(jié)處理水量，既保證膜裝置盡可能連續(xù)平緩運(yùn)行，同時(shí)也可以降低循環(huán)槽的濃縮速率，延緩膜污染速率，保證通量較穩(wěn)定。

4.11膜組件更換

于5月24日～5月25日將兩臺(tái)超濾設(shè)備四個(gè)膜組件全部更換，新膜組件采用更加先進(jìn)的加工工藝，加工尺寸更加精密，確保無(wú)機(jī)陶瓷膜在膜殼中對(duì)外來(lái)異向沖擊力的承受更強(qiáng)一些。

5　處理后膜設(shè)備的運(yùn)行情況

經(jīng)過(guò)調(diào)整后超濾設(shè)備的漂洗通量達(dá)到11～18 m3/h,堿洗通量達(dá)到18 m3/h（設(shè)計(jì)要求15～17 m3/h），酸洗通量達(dá)到20 m3/h（設(shè)計(jì)要求18～19 m3/h）。

超濾出水水質(zhì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，CODCr、油去除率達(dá)到90%以上。陶瓷膜超濾進(jìn)、出水水質(zhì)及去除率見(jiàn)表4。

表4　陶瓷膜超濾進(jìn)、出水水質(zhì)及去除率

目前超濾裝置運(yùn)行穩(wěn)定，連續(xù)運(yùn)行20 h以上通量依然保持在5.0～6.0 m3/h，

各超濾裝置均滿足處理能力3 m3/h的設(shè)計(jì)要求。

6　結(jié)束語(yǔ)

設(shè)備運(yùn)行好壞與日常操作維護(hù)關(guān)系很大，同時(shí)要切實(shí)加強(qiáng)對(duì)廢水的預(yù)處理（調(diào)節(jié)池加溫破乳撇油、紙帶過(guò)濾機(jī)過(guò)濾等），充分發(fā)揮各預(yù)處理設(shè)施的效能，對(duì)出現(xiàn)故障的預(yù)處理設(shè)施應(yīng)進(jìn)行及時(shí)維護(hù)檢修。尤其是要杜絕紙帶過(guò)濾機(jī)的紙帶穿孔或溢流現(xiàn)象發(fā)生，防止廢水未經(jīng)預(yù)過(guò)濾而直接進(jìn)入循環(huán)槽。

為了充分發(fā)揮超濾裝置的功能，確保超濾裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，為硅鋼二期工程作好配套服務(wù)，同期編寫(xiě)了《硅鋼二期廢水處理站無(wú)機(jī)陶瓷膜超濾設(shè)備維護(hù)與操作注意事項(xiàng)》，為操作人員在進(jìn)行設(shè)備維護(hù)、操作和管理時(shí)提供技術(shù)指導(dǎo)。

作者簡(jiǎn)介：高根生（1965-），男，1989年畢業(yè)于重慶大學(xué)工程熱物理專業(yè)，研究生學(xué)歷，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事技術(shù)質(zhì)量管理工作。

收稿日期：2014- 11- 05

【中圖分類號(hào)】TQ085

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1006-6764（2015）04-0046-05