雙膜法中水廠反滲透系統(tǒng)運行分析

王金龍

(青島錦龍弘業(yè)環(huán)保有限公司,山東青島 266555)

反滲透工藝是最常用的脫鹽技術(shù)。隨著國家對于水資源回用的進一步重視,反滲透應(yīng)用場景及規(guī)模將進一步擴大。工程實踐中,各水廠反滲透膜性能及壽命存在較大差異,雖然水質(zhì)、預處理流程、膜材質(zhì)等影響較大,但也與運行方法密切相關(guān)。尤其以中水源為原水的雙膜工藝,運行更為復雜,受進水水質(zhì)及水質(zhì)變化影響更大,更需要提出優(yōu)化措施予以應(yīng)對,確保膜性能的維持。青島某中水源雙膜工藝設(shè)計產(chǎn)水量為2萬m3/d,以污水廠出水為原水,工藝流程為高密度沉淀池→超濾→反滲透,脫鹽水用于供給周邊工業(yè)企業(yè)[1-2]。本文分析了中水源雙膜水廠反滲透4年運行效果,提出了優(yōu)化運行維持膜性能并延緩膜性能衰減的工程措施,旨在為反滲透工藝的運行提供參考。

1 材料與方法

1.1 反滲透系統(tǒng)概況

反滲透系統(tǒng)設(shè)計5組,單組產(chǎn)水量為181.5 m3/h,每組39支壓力容器,分兩段,排列比為26∶13,每個壓力容器內(nèi)裝有7支反滲透膜,5組共計1 365支膜。反滲透膜型號為BW30XFR-400/34,運行壓力為1.5～2.5 MPa,回收率為72%,單支膜的膜面積為37 m2,產(chǎn)水膜通量(MF)為17.96 L/(m2·h)。反滲透給水泵5用1庫備,單臺設(shè)計流量為252 m3/h,揚程為45 m;反滲透高壓泵5臺,單臺設(shè)計流量為252 m3/h,揚程為170 m;一級反滲透段間增壓泵5臺,單臺設(shè)計流量為128 m3/h,揚程為45 m;一級反滲透沖洗泵1用1庫備,單臺設(shè)計流量為130 m3/h,揚程為40 m。各水泵均為臥式離心泵。阻垢劑采用母管投加,還原劑與反滲透一一對應(yīng)投加。系統(tǒng)的主要藥劑,如阻垢劑、還原劑、非氧化殺菌劑均采用國產(chǎn)品牌。非氧化殺菌劑采用溴類、異噻唑啉酮類兩種,定期交替使用。清洗采用常規(guī)方法并根據(jù)現(xiàn)場優(yōu)化。反滲透進水水質(zhì)如表1所示。

表1 反滲透進水水質(zhì)Tab.1 Influent Quality of Reverse Osmosis

1.2 在線維護性清洗

反滲透系統(tǒng)在線清洗除按照一般的要求達到清洗條件需及時清洗以外,一般1.5～2.0個月也需要進行維護性在線清洗。當運行時間較長時,壓差上升或產(chǎn)水量降低幅度較小,說明系統(tǒng)已出現(xiàn)輕度污染,在系統(tǒng)運行負荷不高時,進行在線維護性清洗,即降低清洗加藥量、清洗時間,尤其pH值應(yīng)控制在11.0左右,如表2所示。

表2 清洗藥劑量對比Tab.2 Comparison of Cleaning Dose

1.3 分析測試方法與主要符號

氧化還原電位(ORP)、電導率采用在線儀表測定,分別為哈希的P33A1NN+RD1R5、C33A1NN+3422B3A;其余指標均采用國標法測定。阻垢劑性能測試根據(jù)《水處理劑阻垢性能的測定 碳酸鈣沉積法》(GB/T 16632—2008)。

主要術(shù)語符號包括脫鹽率(desalination rate,DR)、標準化脫鹽率(standardized desalination rate,SDR)(膜元件在標準狀態(tài)下測定的DR)、膜壓差(membrane pressure drop,MPD)、MF、標準化膜通量(standardized membrane flux,SMF)(膜元件在標準狀態(tài)下測定的MF)、標準化膜通量保持率(standardized membrane flux retention rate,RR)、進水壓力增長倍數(shù)(PR),部分指標計算如式(1)～式(6)。

(1)

ΔP1=Pinf-P1

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

其中:NRR——RR的值;

ASMF——當年SMF均值,L/(m2·h·MPa);

ASMF0——初始SMF,L/(m2·h·MPa);

ΔP1——一段壓差,MPa;

Pinf——進水壓力,MPa;

P1——一段壓力,MPa;

PPR——PR的值;

Pave——當年進水壓力均值,MPa;

P0——進水壓力初始值,MPa;

SSDR——SDR的值,工程中采用膜初始運行時的100 d數(shù)據(jù)平均值作為初始值;

CTDS——溶解性總固體質(zhì)量濃度,mg/L;

Q——產(chǎn)水量,m3/h;

T——溫度校正系數(shù);

Cave——進水與濃水間平均質(zhì)量濃度,mg/L;

Qe——標準化產(chǎn)水量,L/(m2·h);

QSMF——SMF的值,L/(m2·h·MPa);

ΔPe——標準化壓降,MPa;

Pe——標準條件下的驅(qū)動壓力,MPa;

Pact——實際驅(qū)動壓力,MPa,工程中采用膜初始運行時的100 d數(shù)據(jù)平均值作為初始值。

2 反滲透系統(tǒng)運行效果

以系統(tǒng)剛運行100 d數(shù)據(jù)作為初始值,SMF為85.82 L/(m2·h·MPa),SDR為98.7%,MPD為0.08 MPa。系統(tǒng)自2017年初開始運行,已穩(wěn)定運行4年。期間進水電導率呈季節(jié)性波動,夏季進水電導率相對較低,為1 600～3 500 μS/cm;冬季進水電導率相對較高且波動大,為3 000～5 500 μS/cm。低溫是運行難點,且低溫季節(jié)進水電導率高,相關(guān)數(shù)據(jù)更具有代表性,故選取各年冬季水溫＜20 ℃時的數(shù)據(jù)進行分析。對系統(tǒng)SDR和DR進行比較,結(jié)果如圖1所示。

圖1 反滲透SDR和DRFig.1 SDR and DR of Reverse Osmosis

SDR均值能夠整體反映系統(tǒng)的膜性能變化情況。由圖1 可知,運行4年,系統(tǒng)SDR均值呈現(xiàn)先快速降低而后平穩(wěn)降低的趨勢。新膜投入使用后,2017年SDR降低0.2%,屬于正常降幅。2018年夏天系統(tǒng)SDR開始迅速下降,SDR最低降至98.0%,經(jīng)排查確認為自控程序問題,優(yōu)化程序后SDR逐步恢復,但2018年SDR仍降至98.2%,相比初始降低了0.5%。2018年的SDR穩(wěn)定性較差,箱體較長,且比DR箱體長,顯示出系統(tǒng)脫鹽性能實質(zhì)性下降。2019年系統(tǒng)SDR均值為98.0%,較初始降低了0.7%,但下降趨勢已得到緩解,箱體縮短。2020年SDR均值為97.9%,較初始降低0.8%,相比前一年僅降低0.1%,箱體進一步縮短,SDR已趨于穩(wěn)定。運行4年,SDR均值平均年下降0.2%。2018年系統(tǒng)出現(xiàn)DR問題后,雖逐步恢復,但后續(xù)反滲透化學清洗時,系統(tǒng)DR波動較大,運行約1周時間會恢復穩(wěn)定。

用戶對用水電導率的要求較高,要求出水電導率＜150 μS/cm。進水受季節(jié)影響較大,雖然全年電導率平均值僅為3 100 μS/cm,但冬季進水電導率98%保證率可達4 000 μS/cm。系統(tǒng)設(shè)計進水電導率＜4 200 μS/cm,DR需維持在96.4%以上。鑒于保證穩(wěn)定供水的要求,應(yīng)同時分析98%保證率時系統(tǒng)DR的情況。系統(tǒng)初始98%保證率DR為98.4%,始終處于下降趨勢,至2020年降至97.4%,4年平均每年降幅為0.25%。2020年系統(tǒng)DR箱體比SDR箱體長,主要是進水電導率波動較大所致。系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運行4年,按SDR及98%保證率DR降低變化趨勢預測,系統(tǒng)DR降至96.4%以下將至少可累計使用7年,顯示出較長的膜運行平均壽命,系統(tǒng)運行良好。馬麗媛等[3]運行以市政污水為水源的雙膜水廠,反滲透DR經(jīng)過3年從98.0%降至88.0%,更換新膜僅半年DR即下降5%。與之相比,本項目DR下降緩慢,顯示出更好的膜脫鹽性能。

系統(tǒng)SMF和MF、進水壓力和一段壓差分別如圖2、圖3 所示。2017年SMF均值為(54.30±13.12) L/(m2·h·MPa),RR為63.3%,且整體波動較大,主要是系統(tǒng)剛運行,加藥控制不精準,導致膜出現(xiàn)鋁膠體污染。在線清洗后,SMF波動較剛運行時大幅降低。2018年SMF均值為(48.00±5.90) L/(m2·h·MPa),RR為55.9%,由于系統(tǒng)內(nèi)污染物累積,SMF繼續(xù)下降,但系統(tǒng)穩(wěn)定性得以提高。由于反滲透系統(tǒng)各壓力容器為7支膜,在線清洗效果不理想,2019年逐步離線清洗,效果顯著,SMF逐年上升,至2020年均值已恢復至(54.08±9.43) L/(m2·h·MPa),RR為63.0%,幾乎恢復至2017年水平。雖然離線清洗能夠較好地恢復SMF,但是穩(wěn)定性較之前相比變差,顯示2020年SMF箱體較長。SMF的下降,意味著系統(tǒng)能耗的增加,從進水壓力變化看更加顯著。

圖3 反滲透進水壓力和一段壓差Fig.3 Inlet Pressure and First Section Differential Pressure of Reverse Osmosis

進水壓力和一段壓差均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢。2017年,進水壓力均值由初始的0.99 MPa上升至1.16 MPa,PR約為1.17,一段壓差增長了0.07 MPa,增長了近1倍。而2018年進水壓力均值增加較少,主要是總體供水量減少所致,但一段壓差繼續(xù)增長。雖然2019年開始離線清洗,SMF得以快速恢復,但由于供水量較大,提高了進水壓力加大產(chǎn)水,對應(yīng)的一段壓差開始下降,已降至2017年水平。一段反滲透主要受膠體有機物、細菌污染,殺菌、清洗后壓差逐步恢復。2020年得益于離線清洗,進水壓力進一步降至1.19 MPa,PR約為1.20,一段壓差與初始值相比僅增大62.5%,低于2017年運行第一年水平。2020年進水壓力箱體較長,主要是離線清洗前后,進水壓力波動較大導致。經(jīng)檢測,系統(tǒng)二段壓差一直穩(wěn)定在(0.11±0.02) MPa,無波動。

與其他類似水廠對比,結(jié)果如表3所示。威海中水回用單位,與污水廠為同一單位運行,出水水質(zhì)相對較好;反滲透使用4～5年,DR降至95%左右;運行第4年需更換系統(tǒng)約30%的反滲透膜,第5～6年各更換剩余的35%,平均膜壽命在5年。淄博中水回用單位,反滲透一般使用3年,全部更換后DR降至85%。本廠與對比水廠相比,工藝類似,但進水水質(zhì)更差,但不論是膜平均壽命(預期壽命)、SDR(98%保證率)、RR均遠優(yōu)于其他水廠,顯示出更好的運行質(zhì)量。

表3 不同水廠反滲透膜性能比較Tab.3 Comparison of Reverse Osmosis Membrane Performance among Different WTPs

3 反滲透運行工程經(jīng)驗總結(jié)

3.1 自控程序優(yōu)化

2018年夏季出現(xiàn)了DR大幅降低的情況,檢查了壓力容器進水端蓋及密封圈機械損壞等情況,排除密封不嚴的可能性。進一步檢測各壓力容器DR,并進行探針測試,測定壓力容器內(nèi)各支膜的DR,如圖4 所示。從結(jié)果可知,一段壓力容器DR正常,可以排除化學清洗造成不可逆膜損傷或進水水質(zhì)問題;二段壓力容器DR顯著下降,且越靠近濃度水端的膜,DR下降越顯著,懷疑是濃水端背壓導致。系統(tǒng)自控程序中,有一段為“開高壓泵→高壓泵達到運行設(shè)定值→關(guān)濃水排放閥→關(guān)不合格產(chǎn)水排放閥”。此步序能保證系統(tǒng)剛運行時,進水壓力不足、電導率較高的產(chǎn)水排放,不影響產(chǎn)品水池內(nèi)的水質(zhì)。但在不合格產(chǎn)水閥門關(guān)閉瞬間,反滲透產(chǎn)水分兩路,即一段進水端產(chǎn)水側(cè)和二段濃水端產(chǎn)水側(cè),且壓力前者高后者低,出現(xiàn)輕微“水錘”現(xiàn)象。長時間運行,導致濃水端末端膜產(chǎn)生背壓現(xiàn)象,DR顯著降低。將自控第二段程序優(yōu)化為“關(guān)濃水排放閥→關(guān)不合格產(chǎn)水排放閥→開高壓泵→高壓泵達到運行設(shè)定值”,防止背壓。程序調(diào)整后,DR逐步恢復,但仍受到了不可逆損傷,較之前有所降低,不符合要求時僅能進行膜更換。

圖4 反滲透各支膜DRFig.4 DR of Each Branch Membrane of Reverse Osmosis

3.2 藥劑控制

運行初期,反滲透系統(tǒng)的阻垢劑及殺菌劑均使用進口品牌藥劑。為節(jié)約運行成本,對比了國產(chǎn)藥劑與進口藥劑的效果,如表4、表5所示。阻垢小試試驗表明,幾組藥劑的阻垢性能為C＞;D＞;B＞;A,國產(chǎn)阻垢劑能夠滿足運行要求。廠內(nèi)于2019年開始更換國產(chǎn)藥劑,已使用2年,系統(tǒng)運行未受藥劑更換影響,大大節(jié)約了運行費用。阻垢劑一般加藥量為3 mg/L,若原水電導率及Ca2+、Mg2+含量不高時,可適當降低加藥量,以節(jié)約藥劑成本。

表4 不同阻垢劑效果對比Tab.4 Effects Comparison of Different Scale Inhibitors

表5 不同殺菌劑效果對比Tab.5 Effects Comparison of Different Fungicides

對于預處理良好的反滲透系統(tǒng),控菌是確保運行穩(wěn)定的第一要務(wù),一旦出現(xiàn)微生物污染并形成生物膜,難以恢復。張子瀟等[4]認為,非氧化殺菌劑每周投加2次時,反滲透月標準化產(chǎn)水量下降得到極大緩解。本項目采用沖擊式殺菌和清洗水箱殺菌兩種模式,每3 d殺菌1次,按照2次清洗水箱殺菌、1次沖擊式殺菌方式交替進行。沖擊式殺菌,每3 d殺菌1次,夏季120 mg/L,冬季100 mg/L,沖洗殺菌20 min+浸泡40 min+沖洗殺菌20 min+清水沖洗。清洗水箱殺菌,夏季1 000 mg/L,冬季600～800 mg/L,一段二段分開殺菌同時進藥,先二段殺菌1.0 h,再一段殺菌1.5 h,殺菌后沖洗干凈。清洗水箱殺菌濃度高、流量大,殺菌效果好。沖擊式殺菌,可將保安過濾器一同殺菌。殺菌小試結(jié)果如表5所示,幾組藥劑的滅菌效果為c＞;b＞;d＞;a＞;e,顯示溴類殺菌劑效果顯著優(yōu)于異噻唑啉酮,且國產(chǎn)藥劑與進口藥劑無顯著性差別,與薛偉等[5]研究結(jié)果一致。日常殺菌劑均用國產(chǎn)藥劑,使用溴類殺菌劑2～3個月后,更換為異噻唑啉酮殺菌劑,殺菌2～3次,同時提高異噻唑啉酮殺菌劑質(zhì)量分數(shù)為30%,防止細菌產(chǎn)生抗性。若細菌數(shù)量降低,減少殺菌劑濃度而不降低殺菌頻率。若細菌數(shù)量仍較高,在超濾產(chǎn)水池投加異噻唑啉酮殺菌劑3～5 mg/L,每次殺菌4 h左右,2～3 d殺一次。

3.3 膜更換探討

膜更換的考量點主要有3個方面:產(chǎn)水量和DR、運行電耗、膜更換費用。當產(chǎn)水量和DR不能滿足供水要求時,只能換膜;但本項目此時這兩個指標仍能滿足用戶要求。進一步地,分析延長壽命導致運行費用增加和換膜費用的比較,尋求最優(yōu)經(jīng)濟平衡點。能耗主要體現(xiàn)在SMF和進水壓力方面。對于本廠,DR需維持在96.4%以上。經(jīng)過4年運行,98%保證率時,系統(tǒng)DR從初始的98.4%降至97.4%,4年平均每年降幅為0.25%,系統(tǒng)DR降至96.4%以下前,將至少可累計運行7年;系統(tǒng)RR為63.0%,與運行第一年水平相當,顯示產(chǎn)水量方面較為穩(wěn)定;MF角度也顯示膜產(chǎn)水能力能夠滿足要求;進水壓力穩(wěn)定在1.19 MPa,PR約為1.20,一段壓差與初始值相比僅增大62.5%,但也低于第一年水平。反滲透主要能耗是給水泵和高壓泵,給水泵為定頻,相對固定;高壓泵頻率逐年變化如圖5 所示。2017年—2020年,高壓泵頻率分別為37、39、41、42 Hz,若能夠運行8年,預測高壓泵頻率將達到48 Hz,此時電費增幅年費用(相比于第一年)近178萬元。若更換膜預計822萬元,按4年分攤,年費用約為206萬元,且更換后膜電費亦會逐年升高。若從經(jīng)濟角度考慮,則應(yīng)盡可能長維持膜壽命,延緩換膜時間,獲得最大的經(jīng)濟效果。

圖5 高壓泵頻率與電耗關(guān)系Fig.5 Relationship between High-Voltage Pump Frequency and Power Consumption

4 結(jié)論

1)中水源雙膜工藝反滲透穩(wěn)定運行4年,膜性能保持良好,SDR均值為97.9%,較初始降低0.8%,平均年下降0.2%;98%保證率時,系統(tǒng)DR從初始的98.4%降至97.4%,平均每年降幅為0.25%;系統(tǒng)RR為63.0%,進水壓力穩(wěn)定在1.19 MPa,一段壓差相比初始值僅增大62.5%,與運行第一年水平相當,預測膜平均壽命能夠達到7年。

2)通過優(yōu)化自控程序、嚴格控制進水ORP及總氯、交替采用沖擊式殺菌和清洗水箱殺菌、保持在線維護性清洗等綜合手段,有效維持了膜性能,減緩膜性能衰減,延長膜壽命。

3)工程電耗核算及預測表明,更換膜費用大大超過膜壽命延長增加的電費,應(yīng)盡可能長維持膜壽命,延緩換膜時間,獲得最大的經(jīng)濟效果。

4)工程運行實踐表明,國產(chǎn)阻垢劑、非氧化殺菌劑能夠達到進口藥劑相同效果,降低運行費用。