鹵水體系下超濾運行步序的優化研究

曲曉紅，張德華，王曉波，劉東鴻，譚金靜

(1.山東海化股份有限公司純堿廠，山東 濰坊 262737；2.濰坊濱海新城公有資產經營管理有限公司，山東 濰坊 262737)

近年來，山東海化股份有限公司純堿廠將新興膜技術與傳統的鹽化工相結合，創新性采用超濾+納濾技術處理地下鹵水，得到氯化鈉含量較高的精制鹵水，用精制鹵水代替海水用于純堿生產化鹽，實現了地下鹵水直接用于純堿廠生產化鹽，不僅大幅度降低固體原鹽使用量，還可節省精制過程中的石灰石、焦炭、純堿耗用量，實現了純堿生產的降本增效[1]。

1 超濾技術工程應用及情況介紹

1.1 項目研究背景

鹵水精制過程中超濾作為納濾的預處理，超濾產量的穩定直接影響后續納濾系統的產量，超濾產水量不足，納濾負荷便無法提高。特別是在高鹽復雜鹵水體系下，鹵水水質比較復雜，除了含鹽量高，懸浮物、膠體和微生物含量也較高，其二價離子處于理論上的過飽和狀態，極易造成超濾膜的污染。

近年來隨著我廠純堿產能的不斷提升和原鹽價格的不斷上升，后續生產對精制鹵水需求量不斷增加，在來水量無法增加的情況下提高納濾產能，就需要在超濾上找突破，提高超濾回收率就迫在眉睫(工藝流程圖詳見圖1)。

圖1 鹵水納濾生產工藝流程圖

1.2 超濾機臺現狀介紹

山東海化納濾一期項目超濾系統共設置了7臺主機，每臺主機上設置超濾膜組件72支。超濾膜堆機架的材質為碳鋼加強防腐，管道材質大部分采用UPVC。在每組超濾機臺的出水管線上都設有流量變送器，用于監視超濾裝置產水量的變化情況。超濾主機內部系統所有與介質接觸的管道均采用UPVC管道，所有管道及閥門組裝在組合框架上。膜系統配備完整性檢測裝置，能夠及時檢測超濾膜組件發生的斷絲情況，并能對斷絲進行精確定位和修補。

圖2 CMF系統運行

如圖2所示，超濾系統的基本運行工藝包括制水、反洗、CEB以及化學清洗基本工藝：

1)過濾

用CMF循環進水泵將經過原水加壓送入CMF設備，由于過濾膜本身的特性，大部分的細菌、藻類、膠體物質和微小的顆粒物質可以在此去除，并且連續膜過濾的出水的SDI值小于3，可保證納濾設備的安全穩定運行。

2)氣水反洗

在反洗過程中，反洗液(一般為膜過濾的透過液)由膜元件的透過液出口進入到外壓中空纖維膜的內側，由內向外反向清洗；同時，在膜元件的原液入口加入壓縮空氣，對中空纖維的外壁進行空氣振蕩和氣泡擦洗。壓縮空氣在中空纖維外壁與膜元件外殼之間的空間內上升，與反洗水共同作用，將膜表面的污染物清洗干凈，清洗后的污水從膜元件的排污口排出。

3)CEB(增強反洗)清洗

為了降低膜污染速率，增強反洗效果，超濾每運行12～24 h后進行一次增強反洗，在CEB清洗是在反洗水中加入一定量的鹽酸，增強反洗效果。酸的作用是清洗無機鹽的結垢而產生的污染物。結合本次項目的實際情況，結垢是超濾膜系統的主要污染物，因此選擇的CEB藥劑為鹽酸。

4)化學清洗

超濾系統的化學清洗系統為手動操作，當人工將清洗藥劑配制完成后，CMF設備手動切換至化學清洗狀態，然后開啟化學清洗，將配置好的化學清洗液送入CMF設備，進行錯流循環，讓藥液與污染物充分反應，循環一段時間后停止運行，進行一段時間的浸泡，直至化學清洗歷時結束。經對CMF設備沖洗和反洗后，清洗好的CMF設備將投入正常運行。

2 影響超濾產能因素分析

超濾膜的主要作用是去除鹵水中的懸浮物、泥沙、細小微粒、膠體和大分子有機物等，隨著使用時間的延長，超濾機臺性能逐漸下降，我們通過對現有超濾裝置回收率進行統計發現，現有機臺回收率較低，只有85%左右；遠遠達不到超濾機臺的設計值92%，嚴重影響了超濾產能的發揮。

經過運行研究發現，影響超濾系統產能的主要因素為來水溫度、來水濁度、進水壓力、清洗情況、步序運行等，各因素對超濾產水量的影響如下：

1)進水壓力:在不超過超濾安全運行壓力的情況下，超濾膜的產水量與進水壓力在一定程度上成正比關系，即產水量隨著壓力升高隨著增加。

2)來水濁度:進水濁度大容易引起超濾膜的堵塞，從而導致超濾膜的通量下降，對超濾回收率影響極大。

3)來水溫度:溫度升高水分子的活性增強，粘滯性減小，故產水量增加。反之則產水量減少。

4)步序運行：目前超濾運行主要分為四個步驟：過濾1 800 s—氣水反洗30 s—水反沖30 s—排污30 s，超濾的回收率=產水/(產水+反洗水)，從公式可以看出 ，在超濾的運行步序中過濾、氣水反洗、水反沖均對超濾回收率影響較大。

5)化學清洗:化學清洗是目前工業最主要也是最有效的控制不可逆膜污染的方法，當物理清洗不能將回收率恢復至接受的程度時即有必要進行化學清洗，對超濾回收率影響較大。

3 技術方案

鑒于鹵水的高鹽復雜波動特性，且我廠對來水水質不可控，通過前期運行和結合QC攻關小組攻關情況確認，目前影響超濾回收率的主要因素為超濾運行步序中的水反沖時間長和氣水反洗時間短，車間為尋求最佳水反沖時間和氣水反洗時間，開展了大量的試驗。

3.1 試驗方案

1)在保證鹵水來水量、pH值、溫度及濁度等指標穩定的情況下，選擇產水量、跨膜壓差及投用時間相近的三組超濾機臺進行試驗，機臺分別設置不同氣水雙洗時間，統計跨膜壓差下降百分比，得出最佳氣水雙洗時間，從而降低超濾機臺跨膜壓差。

2)通過縮短水反沖時間，同時為保證反洗效果，增加氣洗步序，為了保證足夠的過濾時間和過濾次數，水反沖、氣洗、氣水雙洗時間之和不變(原氣水雙洗時間為40 s，水反沖時間為120 s)，設置不同水反沖時間和氣洗時間，統計超濾回收率情況，得出水反沖和氣洗時間的最佳方案，從而提高超濾回收率。

3.2 試驗過程及結果

3.2.1 延長氣水雙洗時間，通過試驗的方式得出最佳氣水雙洗時間

1)保證上游工序來水量、pH值、溫度及濁度等指標穩定，選擇1#、2#、5#超濾機臺進行試驗；

2)單機臺分別設置不同氣水雙洗時間，在原有時間40 s的基礎上每次增加10s；

3)統計跨膜壓差下降百分比，得出最佳氣水雙洗時間。

表1 不同超濾機臺變化氣水雙洗時間試驗數據

從表1可以看出，隨著氣水雙洗時間的延長，超濾機臺氣水反洗前后跨膜壓差下降百分比呈先上升后趨于平穩的趨勢，在滿足氣水雙洗效果的前提下，我們選擇最短時間，因此最佳水雙洗時間為60 s。

3.2.2 縮短水反沖時間，增加氣洗步序，通過試驗的方式得出最佳水反沖和氣洗時間

1)保證來水量、pH值、溫度及濁度等指標穩定的情況下，選擇1#、2#、5#超濾機臺進行試驗；

2)現場檢查反洗泵出口閥門是否全開；

3)縮短水反沖時間，同時為保證反洗效果，增加氣洗步序；

4)為了保證足夠的過濾時間和過濾次數，其他運行步序總時間之和不得改變，因氣水雙洗時間延長20s，故水反沖和氣洗時間總和為100s ；

5)分別設置不同的水反沖時間和氣洗時間，統計超濾機臺回收率變化情況。

表2 不同超濾機臺變化水反沖時間和氣洗時間試驗數據

從表2可以看出，隨著水反沖時間的縮短，超濾機臺回收率呈先上升、后下降的趨勢，因此最佳水反沖時間為60 s，氣洗時間為40 s。

3.3 應用后效果跟蹤

對1#、2#、5#超濾氣水雙洗前后跨膜壓差下降情況進行跟蹤統計，氣水雙洗時間延長后，超濾機臺跨膜壓差下降幅度增加量在10%左右。

表3 不同超濾機臺氣水雙洗前后跨膜壓差下降情況數據記錄表

對1#、2#、5#超濾的回收率進行跟蹤統計，縮短水反沖時間后各機臺回收率上漲幅度在4%左右。

表4 不同超濾機臺整改前后回收率變化情況數據記錄表

4 結論和建議

針對高鹽復雜鹵水體系下超濾運行存在的問題，對超濾運行步序進行了優化并對一期7臺超濾機臺進行工業化推廣應用，步序優化后，超濾機臺平均回收率提高了4.96%，年可增加超濾產水量約為36.11萬m3；可節約原鹽12 431 t，節約原鹽成本約201.4萬元。大大降低了超濾膜清洗頻次，延緩超濾膜污染速度，延長超濾膜壽命。

為了保證超濾膜在高鹽復雜鹵水體系下更穩定運行，建議如下：

1)通過試驗我們得出，最佳氣水雙洗時間為60 s，最佳水反沖時間為60 s，氣洗時間為40s，建議在二期超濾系統中進行工業化推廣應用。

2)針對鹵水特點，進一步優化超濾運行工藝

鑒于鹵水的高鹽復雜波動特性，且我廠對來水水質不可控，污染物復雜多樣，后續的生產運行中應定期對污染物進行跟蹤分析，及時調整步序運行，提高產水水質，延緩超濾膜污染速度，減少清洗頻次，從而有效保證納濾系統運行的更加穩定。

3)在保證超濾膜安全的情況下，增加氣洗步序能在一定程度上緩解膜污染的速度。在攻關的過程中我們發現氣洗強度對反洗效果有一定的影響，在后續生產中應進一步探索最佳氣洗強度。