關(guān)于超濾膜系統(tǒng)的優(yōu)化運行研究

劉桐瑋，劉 翊，董 捷,

(1.天津泰達水業(yè)有限公司 天津300457；2.天津泰達新水源科技開發(fā)有限公司 天津300457；3.天津泰達津聯(lián)自來水有限公司 天津300457)

0 引 言

目前國外一些國家在自來水廠改造過程中，大都選擇膜處理技術(shù)，我國大部分凈水廠仍使用傳統(tǒng)混凝沉淀工藝，部分自來水廠采用了超濾膜凈化處理技術(shù)進行凈水處理。天津某凈水廠采用了多介質(zhì)-活性炭-超濾膜聯(lián)合凈水工藝，至今出水量穩(wěn)定，各項水質(zhì)指標(biāo)都符合并遠高于國家標(biāo)準(zhǔn)。本文根據(jù)超濾膜進出水工藝參數(shù)進行節(jié)能降耗改造，降低噸水成本，同時對超濾系統(tǒng)的優(yōu)化運行進行深入探討。

1 超濾系統(tǒng)運行流程闡述

1.1 主要工藝設(shè)備參數(shù)

天津某凈水廠采用了多介質(zhì)-活性炭-超濾系統(tǒng)聯(lián)合凈水工藝。

多介質(zhì)罐內(nèi)濾料為石英砂與無煙煤，下層為無煙煤，上層為石英砂，罐內(nèi)以2∶1的比例放置，多介質(zhì)罐單臺產(chǎn)水量為80～100m3/h。

活性炭罐內(nèi)濾料為活性炭粉末，活性炭罐單臺產(chǎn)水量為80～100m3/h。

超濾膜規(guī)格為外壓式PVDF中控纖維膜，膜絲平均孔徑為0.03μm，設(shè)計單根膜平均通量為45m3/h[1]。

超濾膜進水端設(shè)有自清洗過濾器，其孔徑為100μm，用于防止水中大顆粒雜質(zhì)堵塞超濾膜。

1.2 工藝流程

采用源水→多介質(zhì)罐→活性炭罐→超濾膜組→清水池→管網(wǎng)工藝路線，源水由取水泵提升至膜車間進水管，再由膜車間進水增壓泵提升至多介質(zhì)進水管，依次經(jīng)多介質(zhì)罐、活性炭罐過濾后流入多介質(zhì)產(chǎn)水池，再由超濾進水泵提升至超濾進水管，經(jīng)過自清自過濾器后進入超濾膜組，過濾后流入超濾產(chǎn)水池。

多介質(zhì)罐與活性炭罐反洗過程：松濾料(正洗)→排水→氣反洗→水反洗→初濾→正常過濾。

超濾系統(tǒng)反洗分為兩種：一種為常規(guī)反沖洗，即氣反洗→氣水反洗→水反洗→正常過濾；另一種為CEB加強反沖洗，即氣反洗→氣水反洗→酸(或堿)與水混合進水正洗并排放→酸(或堿)藥劑向超濾膜補液(關(guān)閉排水閥)→浸泡(關(guān)閉所有閥門)→排放并進行水反洗→正常過濾。

2 超濾系統(tǒng)可靠性分析

衡量超濾膜工作狀態(tài)的指標(biāo)共兩部分：一是超濾跨膜壓差，二是超濾產(chǎn)水濁度。圖1—圖3比較了2018年11月至2019年4月共計6個月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，其中包含超濾膜系統(tǒng)(每組超濾系統(tǒng)20支超濾膜)月平均產(chǎn)水流量、跨膜壓差、超濾產(chǎn)水濁度的趨勢圖。

半年以來，超濾系統(tǒng)運行平穩(wěn)，產(chǎn)水流量維持在210～240m3/h，濃水流量維持在45m3/h，跨膜壓差維持在30kPa，超濾膜設(shè)計產(chǎn)量為220m3/h，最大允許跨膜壓差約為150kPa均滿足設(shè)計條件，實際產(chǎn)量遠低于極限值。圖3表示6個月超濾產(chǎn)水濁度值的情況，該趨勢圖表明超濾產(chǎn)水濁度維持在0.05～0.08NTU之間，超濾系統(tǒng)運行較平穩(wěn)，產(chǎn)水流量及濁度滿足設(shè)計要求，運行一切正常。

圖1 超濾產(chǎn)水流量Fig.1 UF produced water flow

圖2 超濾跨膜壓差Fig.2 UF transmembrane pressure

圖3 超濾產(chǎn)水濁度Fig.3 UF produced water turbidity

通過及時反沖洗，及時CEB清洗等步驟保證超濾系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，具體步驟設(shè)定如下：

①常規(guī)反沖洗。常規(guī)反洗以超濾運行時間為判斷條件，每組超濾系統(tǒng)連續(xù)過濾30min進行一次常規(guī)反沖洗。常規(guī)反沖洗包含氣洗、氣水洗、水洗3個步驟。氣洗采用0.6～0.8MPa壓縮空氣為氣源，通過定值減壓閥降低至0.15MPa進行氣洗；氣水洗通過0.15MPa氣洗結(jié)合超濾反洗泵運行的水洗組合而成；水洗通過超濾反洗泵定頻運行，清洗超濾膜。

②CEB加強反沖洗。CEB加強反洗采用鹽酸和次氯酸鈉兩種藥劑對超濾膜進行加強反洗。目的是通過酸洗去除膜絲上附著的難去除的水垢，通過堿洗去除蛋白質(zhì)、油脂類等污物。CEB加強反洗的頻次為每60個常規(guī)反洗周期后進行一次CEB清洗，酸溶液和堿溶液交替使用。

通過常規(guī)反洗和CEB加強反洗的結(jié)合，保證了超濾系統(tǒng)出水水質(zhì)的穩(wěn)定，保證了跨膜壓差維持在合理范圍內(nèi)，保證了超濾系統(tǒng)安全生產(chǎn)。

3 超濾系統(tǒng)能耗分析

在超濾系統(tǒng)正常運行過程中超濾進水泵始終運行，為超濾提供水源，保證超濾進水壓力維持在設(shè)計允許的范圍內(nèi)。超濾進水端管道安裝有自清洗過濾器，該過濾器可自動清洗排放，排放閥開啟時需滿足0.2MPa水壓，因此自清洗過濾器前端進水壓力保持為0.2MPa，經(jīng)過自清洗過濾器后超濾進水壓力為0.18MPa。為保證0.2MPa的水壓，運行單臺超濾時，超濾進水泵啟動1臺，頻率為42Hz；運行2臺超濾時，超濾進水泵啟動2臺，頻率為42Hz；運行3臺超濾時，超濾進水泵啟動2臺，頻率為50Hz。

超濾系統(tǒng)正常運行過程中必須對超濾膜進行常規(guī)反洗及CEB加強反洗。CEB加強反洗每組膜需投加200～500μL/L的酸溶液或堿溶液，為保證膜絲通透性需及時進行CEB加強反洗[2]。

4 超濾系統(tǒng)運行合理性分析

為保證超濾系統(tǒng)安全運行，保證出水指標(biāo)合格，降低超濾運行電耗及藥耗成本，對超濾系統(tǒng)提出以下兩點優(yōu)化運行方案。

4.1 超濾進水泵

當(dāng)前超濾膜運行壓力維持在0.18MPa，設(shè)計超濾系統(tǒng)進水壓力應(yīng)不高于0.22MPa，雖然可滿足設(shè)計要求，但超濾進水泵維持在較高頻率運行，超濾系統(tǒng)過濾時由于進水泵的運行而消耗了大量的電能。因此合理降低超濾進水泵運行頻率，保證超濾產(chǎn)水流量維持在合理范圍內(nèi)，可大幅節(jié)約電能消耗，降低制水成本。

以單臺超濾運行為例：單臺超濾運行時，進水壓力為0.18MPa，產(chǎn)水流量為230m3/h，超濾進水泵運行頻率為40Hz，將進水泵頻率降低至38Hz，自清洗過濾器進水壓力為0.17MPa，超濾進水壓力為0.15MPa，超濾產(chǎn)水流量為210m3/h，超濾產(chǎn)水流量未明顯減少，進水泵頻率明顯降低，節(jié)約大量電能。

4.2 超濾CEB加強反洗

當(dāng)前超濾膜使用過程中經(jīng)50次常規(guī)反洗后，超濾產(chǎn)水流量為170m3/h，低于正常產(chǎn)量，完成60次常規(guī)反洗再進行CEB清洗后，產(chǎn)水流量明顯提升，可達到210～230m3/h。CEB清洗在藥劑選擇上，當(dāng)前運行模式為酸-堿切換使用，本次使用酸進行清洗，下次使用堿進行清洗。由于目前水質(zhì)硬度較低，水中藻類微生物數(shù)量較高，應(yīng)增加堿溶液(次氯酸鈉)清洗頻次。當(dāng)水質(zhì)硬度較高時，則應(yīng)考慮使用酸溶液(鹽酸)進行清洗。

據(jù)此，將酸堿投加步序調(diào)整為每投加6次堿溶液投加1次酸溶液，通過次氯酸鈉的清洗浸泡抑制微生物的滋生，保持膜絲的濕潤，保證超濾系統(tǒng)達到設(shè)計產(chǎn)量[3]。

5 結(jié) 論

①超濾膜系統(tǒng)經(jīng)過改造后，產(chǎn)水流量滿足設(shè)計要求，水量穩(wěn)定，出水水質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)。

②改造后系統(tǒng)電耗降低，在保證產(chǎn)水流量滿足設(shè)計要求的前提下，將原設(shè)計超濾進水泵運行方案進行調(diào)整，降低了進水泵運行頻率，噸水電耗降低，節(jié)約了制水成本。

③改造后系統(tǒng)藥耗降低，在超濾CEB反洗方面，將酸堿藥劑的使用頻次進行調(diào)整，降低了酸藥劑的使用，提高了堿藥劑的使用頻次，滿足當(dāng)前原水水質(zhì)條件，更有利于提高超濾膜的清洗效果，減少效果不明顯的藥劑，降低制水成本。