耐污染反滲透膜在中水回用中的應(yīng)用

陶正興，朱加生

（中電環(huán)保股份有限公司，南京 211102）

耐污染反滲透膜在中水回用中的應(yīng)用

陶正興，朱加生

（中電環(huán)保股份有限公司，南京 211102）

反滲透是采用膜法分離的水處理技術(shù)，利用該技術(shù)可以有效去除水中的溶解鹽、膠體和細(xì)菌等雜質(zhì)。本文以耐污染反滲透膜在某中水回用系統(tǒng)的應(yīng)用為例，對其進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測和分析，研究了耐污染反滲透膜的性能隨時間變化的趨勢。結(jié)果表明，耐污染反滲透膜的回收率、產(chǎn)水電導(dǎo)率和脫鹽率等性能指標(biāo)在短時間內(nèi)保持穩(wěn)定，膜的性能衰減較小；良好的預(yù)處理設(shè)計對反滲透系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。

耐污染；反滲透；中水回用；脫鹽率；回收率

反滲透技術(shù)是目前較先進(jìn)和有效的除鹽技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)的離子交換法相比，反滲透具有脫鹽率高，產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定；設(shè)計和運(yùn)行維護(hù)簡單；占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，空間利用率高；建造周期短以及環(huán)境友好等獨特優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于中水回用、海水和苦咸水淡化、純水和超純水的制備等領(lǐng)域[2-3]。

反滲透是采用膜法分離的水處理技術(shù)，反滲透膜元件的主要脫鹽部分的機(jī)理類似于半透膜，對水中的離子具有選擇透過性，其原理是在壓力作用下，透過反滲透膜的水成為純水，水中的雜質(zhì)被反滲透膜截留并被帶出。利用反滲透技術(shù)可以有效地去除水中的溶解鹽、膠體、細(xì)菌、病毒、細(xì)菌內(nèi)毒素和大部分有機(jī)物等雜質(zhì)[4-5]。

反滲透膜對進(jìn)水水質(zhì)要求嚴(yán)格，進(jìn)水水質(zhì)或者反滲透預(yù)處理工藝的好壞直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[6]。此外，隨著運(yùn)行時間的延長，膜的性能也會有所變化[7-8]。本文分析了某中水回用系統(tǒng)的工程設(shè)計和運(yùn)行數(shù)據(jù)，以期為工程后續(xù)的運(yùn)行提供理論依據(jù)，為以后的工程設(shè)計提供基本參數(shù)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本項目進(jìn)水水質(zhì)為經(jīng)過處理后的廢水，廢水種類包括：循環(huán)水站排污、脫鹽水站濃排水、全廠未預(yù)見水量排水和污水處理站出水等。

表1 設(shè)計進(jìn)出水質(zhì)

1.2 工藝流程

根據(jù)原水水質(zhì)和產(chǎn)水水質(zhì)，本項目采用“預(yù)處理（BAF生物濾池+石灰軟化澄清池+UF）+反滲透”系統(tǒng)，濃水考慮回收利用，最終進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶，具體如圖1所示。反滲透系統(tǒng)運(yùn)行的好壞很大程度上取決于預(yù)處理以及相關(guān)配套工程的運(yùn)行效果。

原水排水進(jìn)入回用水調(diào)節(jié)池，經(jīng)提升泵提升，先進(jìn)入BAF曝氣生物濾池去除來水中的有機(jī)物污染物和氨氮，出水自流進(jìn)入石灰軟化澄清池中進(jìn)行軟化處理，并依次加入石灰乳、PAC、PAM藥劑進(jìn)行混凝反應(yīng)沉淀，沉淀后的澄清水調(diào)節(jié)pH后進(jìn)入濾池進(jìn)行過濾。濾池出水加壓后進(jìn)入膜處理工段。膜處理工段包括超濾、反滲透、濃水反滲透及提濃工段四部分，產(chǎn)水回用于循環(huán)水系統(tǒng)，濃水去蒸發(fā)裝置。BAF反洗水、濾池反洗水、超濾裝置自用水自流至調(diào)節(jié)池再處理，以提高系統(tǒng)產(chǎn)水率，減少系統(tǒng)外排水量，最終產(chǎn)水滿足出水要求。

圖1 工藝流程圖

1.3 反滲透系統(tǒng)設(shè)計

1.3.1 反滲透保安過濾器

反滲透保安過濾器用在反滲透裝置前面去除大的顆粒，防止劃傷、污堵膜元件，當(dāng)過濾器進(jìn)出口壓差大于設(shè)定的值時，應(yīng)當(dāng)更換濾芯。

1.3.2 反滲透裝置

反滲透膜組是整個系統(tǒng)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它主要負(fù)責(zé)脫除水中的可溶性鹽份、膠體、有機(jī)物及微生物。

本系統(tǒng)反滲透裝置設(shè)置2套，每套設(shè)備的凈產(chǎn)水量≥150 m3/h。

本系統(tǒng)要求系統(tǒng)脫鹽率≥98%（一年內(nèi)），系統(tǒng)脫鹽率≥95%（三年內(nèi)），系統(tǒng)總回收率≥70%，膜元件的使用壽命及使用性能保證不小于3年。

反滲透選用原裝進(jìn)口低壓寬流道抗污染膜產(chǎn)品，平均通量不大于18 L/m2·h。采取一級兩段25:13排列比。

1.3.3 加藥系統(tǒng)

還原劑加藥裝置：在進(jìn)水母管設(shè)置加藥點，去除預(yù)處理超濾出水中會含有少量的余氯，減少對膜的氧化風(fēng)險。

阻垢劑加藥裝置：在每套反滲透進(jìn)水口設(shè)置加藥點，降低反滲透濃水結(jié)垢的風(fēng)險。

2 結(jié)果與討論

2.1 反滲透回收率隨時間變化

反滲透回收率隨時間變化如圖2所示。

圖2 反滲透回收率隨時間變化

從圖2可以看出，系統(tǒng)的回收率隨系統(tǒng)的運(yùn)行會出現(xiàn)波動，但回收率基本保持在70%左右。從圖2還可以看出，系統(tǒng)回收率在前期波動相對較大，后期相對穩(wěn)定，后期回收率相對前期有輕微的下降。這和反滲透膜隨運(yùn)行時間的延長，膜受污染的情況有關(guān)，但整體相對穩(wěn)定。反滲透使用壽命一般在3年以上，本系統(tǒng)運(yùn)行時間約半年，因此膜性能衰減相對較小，回收率相對穩(wěn)定[9]。

2.2 反滲透進(jìn)出水電導(dǎo)率和脫鹽率隨時間變化

圖3、圖4為反滲透進(jìn)出水電導(dǎo)率隨時間變化，圖5為反滲透脫鹽率隨時間變化。

圖3 反滲透進(jìn)水電導(dǎo)率隨時間變化

圖4 反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率隨時間變化

圖5 反滲透脫鹽率隨時間變化

從圖3可以看出，反滲透進(jìn)水電導(dǎo)基本維持在1 900 us/cm左右，從圖4可以看出產(chǎn)水電導(dǎo)維持在30 us/cm左右，進(jìn)出水電導(dǎo)率基本穩(wěn)定。從圖5可以看出，反滲透脫鹽率隨時間延長有所波動，但變化相對較小，均在98%以上，該脫鹽率是符合設(shè)計要求的。反滲透膜在第一年脫鹽率基本能達(dá)到98%，隨時間延長，脫鹽率會有所降低。從圖3、圖4和圖5可以看出，系統(tǒng)目前處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行情況良好。

2.3 討論

反滲透膜的脫鹽率、水通量是反滲透系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，這兩個參數(shù)將受到壓力、溫度、反滲透回收率、水含鹽量等因素的影響[7-8]。

反滲透膜是通過壓力驅(qū)動進(jìn)行鹽分的去除，反滲透進(jìn)水壓力對膜的設(shè)計有著重要影響，因此反滲透膜前端設(shè)置高壓泵，而且設(shè)置變頻調(diào)節(jié)，以保持進(jìn)水所需壓力。壓力升高會導(dǎo)致產(chǎn)水量增加，但是溶解鹽透過速度隨壓力變化較小，需要結(jié)合能耗綜合考慮反滲透壓力[2]。

本項目進(jìn)水為幾股水源合并的水質(zhì)，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中水質(zhì)和水溫有時會有所變化。水質(zhì)和水溫的變化對系統(tǒng)的影響主要在于三個方面：一是影響膜通量，溫度升高，由于水粘度下降，擴(kuò)散性提高，產(chǎn)水通量會增加；二是影響膜系統(tǒng)所需滲透壓，溫度較低，系統(tǒng)所需要的壓力越高；二是影響脫鹽率，溫度升高，水中溶解鹽的擴(kuò)散加快[7-8]。為解決這三方面的問題，系統(tǒng)設(shè)計要考慮兩點：當(dāng)冬季溫度較低時可設(shè)置換熱器，當(dāng)夏天溫度較高時可以不啟動換熱器；在反滲透高壓泵出口設(shè)有手動截止閥。當(dāng)水溫和水源發(fā)生變化時，反滲透高壓泵通過變頻的方式來滿足反滲透膜的滲透壓變化。其間，當(dāng)反滲透高壓泵在變頻過程中，壓力和水量不能滿足系統(tǒng)要求時，可手動調(diào)節(jié)反滲透高壓泵出口手動截止閥來滿足系統(tǒng)的要求。

反滲透回收率大小影響系統(tǒng)的設(shè)計，它與進(jìn)水水質(zhì)有著密切關(guān)系。反滲透系統(tǒng)本身就是一個不斷濃縮的過程，如果超過膜元件的溶解度極限時，它們就會在膜表面發(fā)生結(jié)垢，如反滲透系統(tǒng)采用50%的回收率操作時，其濃水中的鹽濃度就會增加到進(jìn)水濃度的兩倍，回收率越高，濃縮程度越高，結(jié)垢的風(fēng)險越大[7-8]。因此，回收率的設(shè)計需要綜合考慮水質(zhì)因素，尤其是原水中的Ca2+、Mg2+、SO42-、CO3

2-、HCO3

-等容易結(jié)垢的離子。一般通過反滲透軟件都能模擬計算反滲透濃水是否有結(jié)垢的傾向。如果進(jìn)水中結(jié)垢離子或者污染離子含量較多，需要進(jìn)行預(yù)處理設(shè)計。本項目前端設(shè)置BAF生物濾池、石灰軟化澄清池、超濾等，目的就是為了去除原水中的懸浮物、膠體和結(jié)垢離子等，為反滲透系統(tǒng)的良好穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

本項目耐污染反滲透膜的回收率、產(chǎn)水電導(dǎo)率和脫鹽率等性能在短時間內(nèi)保持穩(wěn)定，衰減較小，主要依賴于以下幾個因素：前端預(yù)處理措施的完善和正常運(yùn)行，保證了反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)；反滲透膜采用耐污染膜，在較短時間內(nèi)，膜的性能衰減較少；反滲透進(jìn)水設(shè)置阻垢劑裝置，降低反滲透膜結(jié)垢風(fēng)險[9]。

3 結(jié)論

隨著膜技術(shù)的發(fā)展以及國家對排放標(biāo)準(zhǔn)要求的嚴(yán)格，耐污染反滲透膜由于其獨特的優(yōu)勢，將在中水回用中應(yīng)用得越來越廣泛。良好的預(yù)處理設(shè)計和系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)，保證了反滲透系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及產(chǎn)水水質(zhì)。結(jié)果表明，反滲透裝置回收率完全可以達(dá)到70%，并且第一年脫鹽率能達(dá)到98%。

1 許 駿，王 志，王紀(jì)孝，等.反滲透膜技術(shù)研究和應(yīng)用進(jìn)展［J］.化學(xué)工業(yè)與工程，2007，27（4）：351-357.

2 劉 平.620 t/h反滲透脫鹽裝置的應(yīng)用及工藝優(yōu)化［D］.大連：大連理工大學(xué)，2013.

3 王 湛.膜分離技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

4 王 茹.反滲透在水處理中的應(yīng)用研究［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2009，（20）：12-13.

5 張 烽，徐 平.反滲透、納濾膜及其在水處理中的應(yīng)用[J].膜科學(xué)與技術(shù)，2003，（8）：242-245.

6 靖大為.反滲透系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

7 陶氏化學(xué)公司.反滲透和納濾膜元件產(chǎn)品與技術(shù)手冊［M］.上海：陶氏化學(xué)公司，2011.

8 美國海德能公司.反滲透和納濾膜產(chǎn)品技術(shù)手冊［M］.上海：美國海德能公司，2012.

9 李毓亮.反滲透膜污染過程與膜清洗的實驗研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2009.

Application of Fouling Resistant Reverse Osmosis Membranes to the Regenerated Water Recycle

Tao Zhengxing，Zhu Jiasheng
(CEC Environmental Protection Co., Ltd.，Nanjing 211102, China)

Reverse osmosis is the use of membrane separation of water treatment technology, the use of the technology can effectively remove the dissolved salt in water, colloids and bacteria and other impurities.In this paper, the application of anti-polluted reverse osmosis membrane in a water reuse system as an example, its water quality indicators to monitor and analyze the study of resistance to reverse osmosis membrane performance with time trends.The results show that the performance of anti-polluted reverse osmosis membrane, the conductivity of water production and the desalination rate are stable in a short time and the performance of the membrane is less.The good pretreatment design is important for the stable operation of reverse osmosis system effect.

fouling resistant; reverse osmosis; recycle of regenerated water; desalination ratio; recovery

TU991.57 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500(2017)08-0022-04

2017-06-24

本文系南京高端人才團(tuán)隊引進(jìn)計劃“抗污染反滲透膜產(chǎn)業(yè)化”（項目編號：寧人才辦（2016）2號）的階段性研究成果。

陶正興（1989-），男，安徽安慶人，碩士研究生，應(yīng)用工程師，研究方向：工業(yè)水處理、反滲透膜研制和膜法水處理應(yīng)用等。