反滲透系統(tǒng)物理阻垢試驗(yàn)及經(jīng)濟(jì)分析

謝自彬　賈玉強(qiáng)　黃艷

【摘 要】由于各種反滲透化學(xué)藥劑阻垢劑在使用中受水中的硬度、堿度、鐵離子、濁度等影響各不相同，所以采用化學(xué)藥劑阻垢劑相應(yīng)控制要求較高，控制或選用藥劑不當(dāng)對(duì)反滲透膜的壽命影響很大。普遍使用的阻垢劑均為含磷藥劑，加入系統(tǒng)后均有一定的阻垢效果，但同時(shí)也帶來(lái)產(chǎn)生磷酸鈣、滋生有機(jī)物等問(wèn)題，而且隨濃水排入河流，會(huì)造成河流水體的富營(yíng)養(yǎng)化。所以需選擇其他的阻垢方法以取代化學(xué)藥劑阻垢劑的使用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究采用物理水處理技術(shù)引入到反滲透制水系統(tǒng)中，取代或部分取代阻垢劑等水處理化學(xué)藥劑的使用，解決反滲透制水系統(tǒng)的膜污染結(jié)垢問(wèn)題，同時(shí)降低藥品損耗、減少對(duì)環(huán)境的污染。

【關(guān)鍵詞】反滲透；物理；阻垢

【Abstract】Due to different influence of the hardness， alkalinity， iron ions and turbidity of water to various chemical reverse osmosis scale inhibitors in use， adopting chemical scale inhibitor demands higher corresponding control， and improper control or improper selection of drugs would have a greatly bad influence on the life of reverse osmosis membrane. As commonly used scale inhibitors all contain phosphorus chemicals， when playing a part in scaling after joining the system， they create the problems such as calcium phosphate and breeding ground for organic matter， and lead to eutrophication of water bodies with dense water pouring into the river. Therefore， there is a need to choose other anti-scaling methods to replace the use of chemical scale inhibitors. Physical water treatment technology， which has been through experimental study， is introduced into the reverse osmosis water system， replacing or partly replacing the use of scale inhibitors and other water treatment chemicals and thus solving the problem of scaling and fouling of membrane in reverse osmosis water system， and reducing the loss of drugs and the pollution to the environment simultaneously.

【Key words】Reverse osmosis； Physical； Scale

0 概述

反滲透技術(shù)是目前水處理脫鹽工藝中最成熟的物理脫鹽技術(shù)之一，反滲透系統(tǒng)在產(chǎn)出純水過(guò)程中，反滲透膜濃水側(cè)表面易結(jié)垢，導(dǎo)致系統(tǒng)的產(chǎn)出水量減少，反滲透膜系統(tǒng)阻力上升，能耗加大等問(wèn)題。采取的常規(guī)控制方法是在運(yùn)行過(guò)程中添加阻垢劑，以減少系統(tǒng)中的水垢。采用化學(xué)藥劑阻垢相應(yīng)控制要求較高，控制不當(dāng)對(duì)反滲透膜的壽命影響很大，且阻垢劑運(yùn)行成本較高。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究采用物理水處理技術(shù)引入到反滲透制水系統(tǒng)中，取代阻垢劑等水處理化學(xué)藥劑的使用，解決反滲透制水系統(tǒng)的膜污染結(jié)垢問(wèn)題，有效延長(zhǎng)反滲透制水系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間和化學(xué)清洗周期，提高反滲透膜的使用壽命，從而保障制水系統(tǒng)的高效運(yùn)行，降低制水成本，減少對(duì)環(huán)境的污染。

1 試驗(yàn)設(shè)備及作用機(jī)理

1.1 設(shè)備組成

物理阻垢技術(shù)在循環(huán)水、熱交換器上已經(jīng)得到了較廣泛的應(yīng)用，對(duì)于反滲透裝置的物理阻垢方法較少，本文選用了針對(duì)反滲透阻垢的GSGⅡ型阻垢水處理器進(jìn)行試驗(yàn)。

該阻垢水處理器由控制柜和線圈組成。控制柜內(nèi)主要是脈沖電磁場(chǎng)發(fā)生裝置，然后通過(guò)導(dǎo)線連接至線圈，線圈纏繞在高壓泵出口的反滲透進(jìn)口管道外。設(shè)備安裝無(wú)需破壞原系統(tǒng)設(shè)備。

1.2 物理阻垢機(jī)理

該方法是在管道外加一個(gè)脈沖電磁波，通過(guò)微電腦控制將變頻、掃頻技術(shù)應(yīng)用于水處理過(guò)程，防止新垢生成。垢和水流的接觸面上，存在著“溶解”、沉積、再“溶解”、再沉積的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。一旦“溶解”和沉積的平衡被破壞，“溶解”大于沉積，垢就逐漸減少；反之沉積大于“溶解”，垢會(huì)漸漸增厚。在管道外加一個(gè)交變脈沖電磁場(chǎng)，而且是頻率有規(guī)律從低到高變化的脈沖電磁場(chǎng)，所產(chǎn)生的磁力線對(duì)管內(nèi)水流進(jìn)行垂直切割，使水自然存在的大締合體狀態(tài)（水分子由結(jié)合健相聯(lián)）的結(jié)合鍵被深度打斷，離解成活性很強(qiáng)的單分子水，從而改變了水的物理結(jié)構(gòu)和特性，增強(qiáng)了水分子的極性，增大了水分子的偶極距，提高了水對(duì)Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-等離子的水合能力，減慢了這些離子的活動(dòng)速度，減少了它們彼此碰撞結(jié)合的機(jī)會(huì)，同時(shí)又在眾水分子包圍之中，受水單分子的阻擋無(wú)法接近管壁，水中的Ca2+、Mg2+離子在交變脈沖電磁場(chǎng)的作用下，將通常150μm的晶體減小到20μm左右，這樣大小的晶體其結(jié)構(gòu)變得松散，不易形成附著沉積的針狀晶體而順?biāo)畮ё?，起到防垢作用?

1.3 不同阻垢方法實(shí)驗(yàn)室對(duì)比

在實(shí)驗(yàn)室條件下，單獨(dú)使用阻垢劑、單獨(dú)使用物理水處理器、以及阻垢劑和物理水處理器聯(lián)合使用時(shí)，反滲透系統(tǒng)回收率隨時(shí)間的變化曲線。

從圖1可以看出，物理水處理器有一定的阻垢作用，物理水處理器與阻垢劑聯(lián)合處理較單獨(dú)使用阻垢劑或物理水處理器的效果更好，聯(lián)合處理顯著提高了反滲透系統(tǒng)的回收率。物理水處理器與2ppm阻垢劑聯(lián)合處理可以取得較好的阻垢效果。

2 應(yīng)用實(shí)例分析

選某電廠2、3號(hào)反滲透進(jìn)行為期半年的對(duì)比試驗(yàn)，于2013年8月對(duì)2、3號(hào)反滲透同時(shí)清洗，通過(guò)調(diào)校濃排閥門，將回收率調(diào)到約75%，此時(shí)兩套反滲透設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)起始狀態(tài)基本一致。運(yùn)行中2號(hào)反滲透保持添加阻垢劑（2.5ppm PT0100），3號(hào)反滲透改用物理阻垢器（GSGⅡ型），停止添加阻垢劑，試驗(yàn)期間于12月份再次對(duì)2、3號(hào)反滲透同時(shí)清洗，試驗(yàn)期間參數(shù)對(duì)比分析如下

2.1 根據(jù)反滲透出力對(duì)比分析

通過(guò)圖2反滲透出力數(shù)據(jù)對(duì)比圖表可以看出，使用物理阻垢器的反滲透裝置出力始終高于藥物阻垢的反滲透裝置。在同等的壓力下，每小時(shí)能夠多產(chǎn)水3～5噸/小時(shí)，減少運(yùn)行時(shí)間10%～20%，達(dá)到增加產(chǎn)水量的目的。

2.2 根據(jù)反滲透一段壓差對(duì)比分析

根據(jù)圖3反滲透一段壓差變化對(duì)比圖表可以看出，使用物理阻垢的反滲透裝置一段壓差始終低于藥物阻垢的反滲透裝置。說(shuō)明起到了阻垢的作用，并且優(yōu)于藥物阻垢。通過(guò)物理阻垢可以減少水中含鹽量，亦可起到防止微生物繁殖的作用。

2.3 根據(jù)反滲透二段壓差對(duì)比分析

根據(jù)圖4反滲透二段壓差變化對(duì)比圖表可以看出，使用物理阻垢的反滲透裝置二段壓差與藥物阻垢的反滲透裝置變化基本一致，物理阻垢能達(dá)到藥物阻垢效果。

3 效益分析

反滲透系統(tǒng)中采用物理水處理器取代阻垢劑阻垢，可以直接減少下面三方面的開(kāi)支：阻垢劑年消耗費(fèi)用R1（元/年）、反滲透膜清洗周期延長(zhǎng)而節(jié)約的清洗費(fèi)用R2（元/年）、提高產(chǎn)水率后節(jié)約的水費(fèi)用R3（元/年），延長(zhǎng)反滲透膜的使用壽命的節(jié)省費(fèi)用R4（元/年）。將物理水處理器的年運(yùn)行費(fèi)用記作R5（元/年），那么反滲透系統(tǒng)采用物理水處理器取代阻垢劑后每年可節(jié)約的費(fèi)用R為：R=R1+R2+R3+R4-R5。

其中：R1為阻垢劑年消耗費(fèi)用，電廠目前使用的阻垢劑單價(jià)為43000元/噸，2010年～2013年平均每套反滲透40000元。

R2為系統(tǒng)采用物理水處理器后因反滲透膜清洗周期延長(zhǎng)而節(jié)約的清洗費(fèi)用?？蓪⒃で逑粗芷?個(gè)月延長(zhǎng)至12個(gè)月以上，按12個(gè)月計(jì)算，則每年節(jié)約1次清洗次數(shù)，相應(yīng)的可以節(jié)約清洗費(fèi)用：1×每次反滲透膜清洗費(fèi)（3000元/次）。

R3為提高回收率后每年多產(chǎn)水的費(fèi)用，一般安裝后平均能使回收率提高5%以上，按5%計(jì)算，每天能多產(chǎn)水24*100*5%=120噸（每套反滲透的進(jìn)水量是100t/h），按每年運(yùn)行時(shí)間180天運(yùn)行計(jì)算，每年可多產(chǎn)水量為21600噸，每噸RO水以3元計(jì)算，即64800元。

R4為有效延長(zhǎng)反滲透膜的使用壽命而節(jié)省的費(fèi)用。一般反滲透膜的使用壽命為3年，使用較好的情況下可以用5年。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況，更換周期平均為4年，使用物理阻垢可使反滲透膜的使用壽命延長(zhǎng)至6年以上（因降低了運(yùn)行壓力，減緩了膜的壓實(shí)速度，減少了化學(xué)清洗）。反滲透系統(tǒng)（70t/h出力）采用一級(jí)二段式，其中一段和二段共有14組膜，每組膜又由串聯(lián)的6支8寸膜組成，價(jià)格約4000元/支左右，系統(tǒng)的反滲透膜共計(jì)14×6=84支。假設(shè)使用物理水處理后可延長(zhǎng)反滲透膜的使用壽命2年，則每年可節(jié)約平均購(gòu)膜費(fèi)用（設(shè)反滲透膜的使用壽命為4年）：4000（元/支）×84（支）÷4-4000（元/支）×84（支）÷6（年）=84000-56000=28000元/年。

R5為物理水處理器的年運(yùn)行費(fèi)用，主要為年消耗的電費(fèi)：物理水處理器年耗電量（0.2KW×24×365=1752度/年）×廠內(nèi)電價(jià)（0.3元/度）。

反滲透系統(tǒng)中采用物理水處理器取代阻垢劑阻垢，可以使電廠直接減少阻垢劑藥品年消耗費(fèi)用，阻垢劑年消耗費(fèi)用按70噸出力反滲透計(jì)算，年使用阻垢劑量約為2.5噸，阻垢劑單價(jià)為50000元/噸，阻垢劑年消耗費(fèi)用為13.5萬(wàn)元，需1.5年左右回收成本（物理阻垢裝置20萬(wàn)元/臺(tái)）。同時(shí)還可以減少反滲透膜清洗費(fèi)用、提高反滲透系統(tǒng)出力等。

物理水處理器的使用能帶來(lái)一定的社會(huì)效益。反滲透阻垢劑的主要成分一般為有機(jī)磷，在使用過(guò)程中，阻垢劑將隨濃水排入河流，從而造成河流水體的富營(yíng)養(yǎng)化。物理水處理器的使用可以起到節(jié)能減排的作用。

4 結(jié)論

物理阻垢替代或部分替代傳統(tǒng)阻垢劑有利于提高反滲透系統(tǒng)的阻垢效果，且效果優(yōu)于藥品阻垢，還有效增加了反滲透裝置出力，延長(zhǎng)清洗周期，降低反滲透運(yùn)行成本，同時(shí)停用阻垢劑有利于節(jié)能減排。借鑒試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，物理阻垢與阻垢劑聯(lián)合處理是一種更好的反滲透系統(tǒng)阻垢方式，現(xiàn)采用反滲透物理阻垢技術(shù)還較少，是否適合各廠實(shí)際情況，使用前需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

[責(zé)任編輯：湯靜]