中水回用脫鹽水站超濾膜的運(yùn)行管理

段小冰,王保霞,劉明遠(yuǎn),劉 磊,凈曉星,侯志廣

（北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064404）

前言

隨著水資源的短缺和生態(tài)環(huán)境的惡化，國(guó)家提出了更為嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，在這種形勢(shì)下，膜技術(shù)作為20 世紀(jì)90 年代的主流高新技術(shù)，在水處理行業(yè)得到了快速發(fā)展和應(yīng)用。膜技術(shù)主要包括微濾、超濾、納濾、反滲透等幾類(lèi)，其中，以超濾為核心的反滲透預(yù)處理工藝，因其設(shè)備占地少、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行靈活、產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定、水質(zhì)好等優(yōu)勢(shì)，迅速發(fā)展為反滲透預(yù)處理系統(tǒng)的主導(dǎo)工藝，被大規(guī)模應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)上。

1 超濾概述

超濾是一種以壓力為推動(dòng)力的膜分離技術(shù)，能夠?qū)⑷芤哼M(jìn)行凈化、分離或濃縮，優(yōu)于傳統(tǒng)的過(guò)濾技術(shù)。超濾膜在外界壓力的推動(dòng)下，將水中非溶解雜質(zhì)全部截留，達(dá)到凈化水體的目的。目前，生產(chǎn)超濾膜的主要材質(zhì)為聚偏氟乙烯（PVDF），其抗氧化能力、機(jī)械強(qiáng)度以及拉伸力均明顯優(yōu)于其他材質(zhì)。超濾膜因其本身特性，對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求低，能夠截留病毒、大分子膠體，產(chǎn)水水質(zhì)好且穩(wěn)定；超濾抗污染負(fù)荷能力強(qiáng)，膜通量大，使用壽命長(zhǎng)，長(zhǎng)期運(yùn)行成本低；設(shè)備占地面積小，節(jié)省空間；易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，操作方便簡(jiǎn)單，能夠降低工人體力勞動(dòng)強(qiáng)度；運(yùn)行過(guò)程中不需要添加任何化學(xué)藥劑，無(wú)二次污染。超濾膜以其優(yōu)越性能，迅速發(fā)展為反滲透系統(tǒng)的核心預(yù)處理工藝，保障反滲透系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 工藝流程

某鋼鐵公司中水回用脫鹽水站采用多介質(zhì)過(guò)濾器+超濾+反滲透裝置對(duì)中水進(jìn)行脫鹽處理，以超濾作為反滲透系統(tǒng)的預(yù)處理裝置，其工藝流程圖如圖1。

圖1 脫鹽水站工藝流程圖

污水處理廠處理后的中水通過(guò)管網(wǎng)進(jìn)入脫鹽水站，在進(jìn)水管道上投加氧化性殺菌劑次氯酸鈉，然后進(jìn)入多介質(zhì)過(guò)濾器，多介質(zhì)過(guò)濾器產(chǎn)水進(jìn)入超濾供水池，經(jīng)過(guò)超濾供水泵進(jìn)入超濾裝置，超濾產(chǎn)水進(jìn)入超濾產(chǎn)水池，最后通過(guò)反滲透供水泵、保安過(guò)濾器、高壓泵進(jìn)入反滲透系統(tǒng)進(jìn)行脫鹽處理。

3 超濾裝置

該系統(tǒng)共設(shè)有6 套超濾，每套產(chǎn)水量為260 m3/h，設(shè)計(jì)總產(chǎn)水量為1 560 m3/h。超濾膜元件采用了旭化成UNA-620A，外壓式中空纖維膜，材質(zhì)為聚偏氟乙烯（PVDF），精度為0.1 μm。單套超濾系統(tǒng)由96 根膜元件組成，設(shè)計(jì)進(jìn)水量為280 m3/h，產(chǎn)水量260 m3/h，濃水量為20 m3/h，系統(tǒng)回收率大于90%。

為了便于崗位職工運(yùn)行操作和保證后道工序反滲透系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，超濾系統(tǒng)采用了恒流的運(yùn)行模式，即超濾進(jìn)水量、產(chǎn)水量和濃水量保持恒定不變。為實(shí)現(xiàn)恒流運(yùn)行模式，超濾供水泵設(shè)計(jì)為變頻泵，當(dāng)超濾系統(tǒng)進(jìn)水量、產(chǎn)水量和濃水量任何一個(gè)水量發(fā)生變化時(shí)，崗位人員通過(guò)調(diào)整超濾供水泵的變頻器頻率和濃水手動(dòng)閥的開(kāi)度，使進(jìn)水量、產(chǎn)水量和濃水量始終保持恒定不變。

4 運(yùn)行管理

在脫鹽水站的運(yùn)行管理中，超濾膜系統(tǒng)至關(guān)重要，其過(guò)濾精度高于傳統(tǒng)預(yù)處理系統(tǒng)，產(chǎn)水水質(zhì)好且穩(wěn)定，大大提高了反滲透系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4.1 超濾系統(tǒng)日常運(yùn)行管控

4.1.1 余氯控制

在中水回用系統(tǒng)中，受水溫、水質(zhì)影響，微生物滋生較為嚴(yán)重，為保證超濾系統(tǒng)能夠長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，在中水進(jìn)入超濾系統(tǒng)前投加一定量的次氯酸鈉。根據(jù)水質(zhì)情況，投加量有所不同，一般控制在0.5～1 mg/L，超濾產(chǎn)水余氯值控制在0.03 mg/L。定期對(duì)超濾產(chǎn)水進(jìn)行余氯監(jiān)測(cè)，如果余氯值很低或者無(wú)，說(shuō)明中水中微生物滋生嚴(yán)重，要增加次氯酸鈉的投加量，加大對(duì)中水的殺菌處理。反之，如果余氯值較高，要及時(shí)降低次氯酸鈉的投加量。這樣既能保證超濾系統(tǒng)不被微生物污染而影響正常運(yùn)行，又不會(huì)因余氯含量過(guò)高氧化反滲透膜元件，保證反滲透系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4.1.2 流量控制

超濾系統(tǒng)采用恒流運(yùn)行模式，每套超濾裝置進(jìn)水設(shè)置1 臺(tái)流量調(diào)節(jié)閥，根據(jù)超濾產(chǎn)水流量計(jì)發(fā)出的流量信號(hào)控制調(diào)節(jié)供水泵的揚(yáng)程，以達(dá)到產(chǎn)水流量恒定，防止產(chǎn)水和水質(zhì)波動(dòng)，延長(zhǎng)超濾運(yùn)行壽命。該系統(tǒng)超濾產(chǎn)水量控制為260 m3/h，濃水量控制為20 m3/h。

4.1.3 運(yùn)行時(shí)間、周期控制

超濾系統(tǒng)作為反滲透系統(tǒng)的預(yù)處理單元，主要作用是攔截去除水體中的懸浮物和膠體顆粒等物質(zhì)，因其本身特性，運(yùn)行方式一般為間歇性，即正沖、運(yùn)行、反洗為一個(gè)小周期，三個(gè)步驟循環(huán)運(yùn)行。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行正沖，一般時(shí)間控制在60 s，正沖結(jié)束后進(jìn)入運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間控制在30 min，最后進(jìn)入反洗，反洗時(shí)間控制在90 s，超濾系統(tǒng)采用反洗方法來(lái)達(dá)到去除膜表面的沉積污垢。超濾系統(tǒng)雖然反洗可以去除膜表面的一些沉積污垢，但達(dá)不到完全去除，隨著運(yùn)行周期的延長(zhǎng)，膜表面沉積污垢會(huì)不斷積累，因此，在運(yùn)行到一定程度時(shí)，需要進(jìn)行增強(qiáng)維護(hù)性循環(huán)清洗（EFM）。在該系統(tǒng)中，運(yùn)行60個(gè)小周期進(jìn)行一次EFM。

4.1.4 跨膜壓差控制

跨膜壓差（Trans－ Membrane Pressure Drop簡(jiǎn)稱TMP），是膜設(shè)備運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，指驅(qū)動(dòng)水透過(guò)膜所需要的壓力，即進(jìn)水壓力與過(guò)濾壓力的差值。跨膜壓差受膜元件本身膜絲孔徑大小影響，孔徑小的膜的跨膜壓差較大，而孔徑大的膜的跨膜壓差較小；同時(shí)，跨膜壓差因水溫、水質(zhì)及膜通量大小而不同，水溫較低、水質(zhì)差以及膜通量較高時(shí)，跨膜壓差較大，反之，跨膜壓差較小。該系統(tǒng)超濾膜膜絲材質(zhì)為聚偏氟乙烯（PVDF），孔徑為0.1 μm，初始跨膜壓差一般在0.045 MPa 左右，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，跨膜壓差不斷增長(zhǎng)，增長(zhǎng)至0.08 MPa 左右時(shí)，對(duì)超濾系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)清洗，降低其跨膜壓差，恢復(fù)膜元件性能，保證超濾系統(tǒng)穩(wěn)定的產(chǎn)水量。

4.1.5 產(chǎn)水SDI值控制

在膜法水處理技術(shù)中，污泥密度指數(shù)SDI值，也稱為污染指數(shù)[1]，是衡量反滲透進(jìn)水水質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，在超濾+反滲透系統(tǒng)工藝中，實(shí)際上也反映超濾產(chǎn)水的水質(zhì)情況。超濾產(chǎn)水SDI值一般控制在1～3，最大不能超過(guò)5。如果超過(guò)5，屬于污染水質(zhì)，不能進(jìn)入反滲透系統(tǒng)。此時(shí)要對(duì)預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行檢查，首先對(duì)超濾系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行SDI檢測(cè)，如果SDI值檢測(cè)值很高，說(shuō)明原水水質(zhì)污染，要及時(shí)對(duì)污水處理系統(tǒng)的混凝澄清及過(guò)濾進(jìn)行調(diào)整，改善水質(zhì)。如果超濾進(jìn)水水質(zhì)正常，說(shuō)明超濾膜元件有斷絲情況，要對(duì)超濾系統(tǒng)所有膜元件進(jìn)行氣密性檢測(cè)，對(duì)有斷絲的膜元件及時(shí)進(jìn)行封堵。

4.2 超濾系統(tǒng)清洗

在膜法水處理運(yùn)行過(guò)程中，膜的污染是不可避免的，膜元件表面會(huì)被截留的各種污染物所覆蓋，甚至膜孔也會(huì)被更為細(xì)小的雜質(zhì)堵塞，造成膜元件性能下降。因此，一般超濾系統(tǒng)都會(huì)采取清洗技術(shù)來(lái)恢復(fù)膜元件的性能。膜清洗方法可分為物理清洗和化學(xué)清洗兩大類(lèi)。在日常運(yùn)行管理過(guò)程中，先采用物理清洗方法，如果無(wú)效或效果不佳，再采用化學(xué)清洗方法。

4.2.1 物理清洗方法

物理清洗方法是利用機(jī)械的力量去除膜表面的污染物，是一種比較原始而且有效的方法，在清洗過(guò)程中不投加任何化學(xué)藥劑，清洗過(guò)程中不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生二次污染。

該超濾系統(tǒng)采用的物理清洗方法是等壓大流量沖洗法和氣-水混合擦洗法。等壓大流量沖洗法通過(guò)沖洗水泵，增大膜元件中水的流速?zèng)_洗膜表面的污染物，這對(duì)去除膜表面大量松軟的大顆粒雜質(zhì)非常有效。在沖洗過(guò)程中，關(guān)閉產(chǎn)水閥，打開(kāi)濃縮水出口閥，單支膜元件沖洗水流量6 m3/h，沖洗時(shí)間3～5 min。氣-水混合擦洗法，將凈化后的空氣通過(guò)進(jìn)氣管與水同時(shí)送入超濾膜元件，氣-水混合流體使膜絲產(chǎn)生抖動(dòng)，去除膜絲表面一些比較頑固的污染物，壓縮空氣控制壓力為0.2 MPa，流量為 5 m3/h。超濾系統(tǒng)的物理清洗根據(jù)膜元件污染規(guī)律，可采用周期性的定時(shí)清洗，清洗可以手動(dòng)清洗，也可以通過(guò)程序設(shè)定實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)清洗。

4.2.2 化學(xué)清洗方法

超濾系統(tǒng)膜元件長(zhǎng)期運(yùn)行，污染物不斷積累，最終也會(huì)被污染而導(dǎo)致膜元件性能衰減，產(chǎn)水量下降，壓差不斷增加，當(dāng)壓差上升到一定程度時(shí)，通過(guò)沖洗、氣-水混合擦洗等物理清洗方法不能恢復(fù)膜元件的性能時(shí)，必須通過(guò)化學(xué)清洗方法來(lái)恢復(fù)膜元件的性能。化學(xué)清洗方法是通過(guò)化學(xué)藥品與污染物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)去除膜表面的污染物。在化學(xué)清洗時(shí)要注意化學(xué)藥品的選擇，一是不能選用與膜元件及組件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的藥品，二是不能因使用化學(xué)藥品而產(chǎn)生二次污染[2]。

該超濾裝置化學(xué)清洗系統(tǒng)主要由清洗泵、酸堿清洗藥箱和相應(yīng)的閥門(mén)、管路組成。清洗藥劑在膜元件內(nèi)循環(huán)流動(dòng)來(lái)清除污染物。當(dāng)跨膜壓差增長(zhǎng)至0.08 MPa時(shí)，對(duì)超濾系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)清洗。進(jìn)行化學(xué)清洗前，首先要確定污染物，根據(jù)污染物性質(zhì)決定酸洗或堿洗。對(duì)于有機(jī)物、微生物、膠體的污染，采用堿洗。

用1%的氫氧化鈉和3 000 mg/L的次氯酸鈉配制清洗藥液，pH 值調(diào)整至12，配制好的清洗藥液低流量循環(huán)2 h（pH 值降低時(shí)，及時(shí)補(bǔ)充堿液，保證pH值12），浸泡2 h，再循環(huán)2 h，浸泡8 h，大流量循環(huán)2～3 h。循環(huán)后沖洗，使pH 值接近中性，然后投入運(yùn)行。對(duì)于無(wú)機(jī)物結(jié)垢或金屬性污染，采用酸洗。配制2%的檸檬酸清洗藥液，pH 值調(diào)整至2，對(duì)于污堵嚴(yán)重的或使用檸檬水清洗效果不佳的，可以采用0.5%的鹽酸配制清洗藥液，pH 值調(diào)整至2，低流量循環(huán)3 h（pH 值升高時(shí)，及時(shí)補(bǔ)充酸液，保證pH 值2），浸泡8 h，大流量循環(huán)2～3 h。循環(huán)后沖洗，使pH 值接近中性，然后投入運(yùn)行。在清洗過(guò)程中，要不定時(shí)檢測(cè)清洗藥液pH 值，及時(shí)補(bǔ)充相應(yīng)藥液，循環(huán)浸泡根據(jù)清洗情況可以重復(fù)操作，直至清洗藥液pH 值無(wú)變化。同時(shí)，要控制好清洗藥液的溫度，一般溫度控制在35～40 ℃，溫度適宜，有利于藥液的化學(xué)反應(yīng)，污染物去除效果好；如果溫度過(guò)高，超過(guò)40 ℃，會(huì)破壞膜絲性能，導(dǎo)致膜絲老化，降低膜絲使用壽命。如果溫度低，化學(xué)反應(yīng)差，清洗效果也差。

4.3 停機(jī)保護(hù)

在日常生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷，超濾裝置有可能會(huì)出現(xiàn)停用情況。如果超濾裝置停用，要做好停用管理。短期停用，停用1天以上，需要每天沖洗1次；長(zhǎng)期停用，停用一個(gè)月以上，需要配制1%的亞硫酸氫鈉保護(hù)液，充滿超濾系統(tǒng)膜元件，關(guān)閉進(jìn)出口閥門(mén)，防止膜元件氧化及污染結(jié)垢。

5 結(jié)論

對(duì)于中水回用脫鹽水站超濾系統(tǒng)，做好日常指標(biāo)管控，加強(qiáng)日常運(yùn)行管理，才能保證超濾系統(tǒng)產(chǎn)水的合格穩(wěn)定，同時(shí)也能延長(zhǎng)超濾膜元件的使用壽命，進(jìn)而確保反滲透系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。該系統(tǒng)自投產(chǎn)以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定，指標(biāo)良好，膜元件使用壽命已達(dá)十年以上。超濾膜在中水回用中的成功應(yīng)用，成為了在污水循環(huán)利用，節(jié)約水資源工作中的又一重要手段。它的應(yīng)用不僅能夠取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且在環(huán)境效益方面作用也十分顯著，超濾裝置在中水回用中的應(yīng)用具有重要的示范意義。