超濾技術是去除水中懸浮物、原水動物、細菌、病毒和部分膠體的過濾方法.這一技術是保證飲水

安全的重要手段之一 , 特別是在避免賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲對飲水安全的威脅方面, 超濾技術更有著不可替代的重要作用.然而, 由于人們對超濾技術缺乏認識和價格等方面的問題, 超濾在中國自來水領域的應用還剛剛開始, 經驗還較為缺乏.與此同時, 超濾技術在工業領域卻已經得到了廣泛應用和普遍接受, 自2007 年起絕大部分以XX水為水源的除鹽系統均使用超濾作為反滲透裝置的預處理.本文報道了較大型超濾處理XX水長期運行經驗, 希望為超濾在飲用水方面的應用提供借鑒.另一方面, 進口產品壟斷中國超濾膜市場的時代已經完結, 多個優秀民族品牌的超濾膜產品已經脫穎而出.在此影響下, 超濾系統的噸水造價也已明顯降低.對于大型超濾系統, 預期壓力式膜裝置每天噸水投資可以控制在120 元人民幣以下.超濾膜系統價格的降低將使超濾技術在大型自來水制造領域獲得更高的競爭力.

1 　工程概況

XX集團于XX年始建一期熱電聯產發電廠, 其中鍋爐補給水采用經過簡單沉淀的XX水為水源.一期工程水處理工藝為多介質過濾器+活性炭過濾器+反滲透+離子交換器.2003 年籌建二期熱電廠時, 水處理設備招投標技術方案仍然沿用了一期工藝.在招投標技術討論時投標單位之一首次提出應該增加超濾裝置并取消活性炭過濾器.經過調研和論證得出以下結論:( 1) 當時大多數使用多介質過濾器+活性炭過濾器作為反滲透預處理的XX水處理系統, 反滲透裝置均不能長期穩定運行,主要原因是XX水中的大量膠體物質無法用這一預處理工藝去除;( 2) 活性炭過濾器經短時間運行即達到吸附飽和, 此后則對反滲透系統有害無益;( 3)雖然當時尚無超濾處理XX水的大型工程實例, 但是超濾的使用至少可以明顯減低反滲透的運行壓力, 為穩定生產提供進一步的保障;( 4) 增加超濾裝置并取消活性炭過濾器投資費用也接近持平.因此,總體水處理工藝變更為多介質過濾器+超濾+反滲透+離子交換器.

2 　工藝流程及設計參數

2 .1 　系統設計

超濾裝置由6 個單元組成, 6 個單元采用母管并聯.整套超濾系統設計產量為每天10 080 t .系統占地為14 m ×3 .3 m =46 .2 m2 .設備竣工照片如圖1 所示.

 

2 .2 　設計參數

系統采用超濾膜組件84 支, 每支膜面積40m2 , 單位膜面積平均水通量為125 L/( m2 · h) .運行瞬時通量為135 L/( m2 · h) .設計反洗周期每60 min 反洗一次.反洗過程中加入次氯酸鈉殺菌, 用以控制超濾膜中細菌和微生物的滋生.設計錯流濃水流量為每單元20 m3 /h ., 大部分錯流濃水流回到多介質過濾器給水泵之前, 濃水排放流量為每單元1 .7 m3 /h .超濾反洗使用反滲透濃水.超濾系統水利用率為97 .7 %.設計化學藥洗周期為180 天, 用以去除超濾膜在運行中受到的頑固膠體污染和生物污染, 恢復膜性能.

3 　運行參數的優化

3 .1 　運行通量

本工程在投運后前36 個月運行通量一直控制在125 L/( m2 ·h) , 化學藥洗周期大于等于6 個月.運行跨膜壓差0 .06 ～ 0 .08 MPa, 系統穩定運行.2008 年1 月, 熱電系統整體增容, 此后超濾供水壓力減低, 運行人員主動將該超濾系統出水削減至65 L/( m2 · h ) .此時運行跨膜壓差下降至0 .03 ～ 0 .04 MPa, 并一直穩定至今.

3 .2 　超濾水利用率

在更換聚砜超濾膜后進行了超濾膜產水率優化實驗.其中比較了排水量與反洗周期的變化.實驗證明, 將全部錯流濃水回用并不影響超濾系統的運行.此時超濾系統水利用率為98 .3 %.

3 .3 　反洗周期及程序的優化

系統投運時反洗周期設定為60 min .每次反洗程序為正沖30 s, 上排放加藥反洗( 100 mg/ L 次氯酸鈉) 30 s, 下排放加藥反洗( 100 mg/L 次氯酸鈉)30 s, 上下排放同時反洗30 s, 正沖30 s .單只膜的反洗強度為12 .5 m3/h .在選擇和優化反洗周期時主要考察反洗前后單套超濾膜組件跨膜壓差( TMP ) 變化.在產水量不變前提下, 反洗前后跨膜壓差變化小于等于5 %為宜.目前反洗周期為每產360 m3水反洗一次( 連續運行約100 min) , 每次反洗程序保持不變.這一優化可以提高水利用率0 .3 %.

3 .4 　化學藥洗周期

化學藥洗在系統產水量不變, 跨膜壓差增加15 %時進行.實際運行中雖系統跨膜壓差增加不足15 %, 仍然每6 個月也進行一次維護性化學藥洗.

3 .5 　完整性檢驗

自動完整性檢驗系統可以對超濾系統定期做完整性檢驗.方法是:打開產水閥門, 關閉給水閥門, 向給水系統中加入壓縮空氣, 氣壓到達0 .10 MPa 后自動關閉氣閥;系統中安裝的壓力變送器將給水側氣體壓力傳送到DCS 記錄和分析;2 min 氣壓損失超過5 %的系統需要進行人工完整性檢驗, 找出需要修補的超濾膜組件.人工完整性檢驗時, 打開超濾產水排放閥門, 關閉給水閥門, 向給水側加入壓縮空氣, 到達指定氣壓后通過調整壓縮空氣加入量維持進水側壓力在指定壓力;觀察每支超濾膜組件頂部產水管上安裝透明管中是否有氣泡逸出.有氣泡逸出的超濾膜組件需要離線修補.實際運行中每周進行一次完整性檢驗.每天測定產水SDI 值也可以間接檢測超濾系統的完整性.

4 　運行結果與討論

4 .1 　超濾膜材料和膜組件結構的影響

本工程提供了在同樣水源, 同樣工藝和同樣水通量前提下兩種膜材料的比較.實踐中的確發現不同材料的膜組件表現出不同的性能, 特別是在膜的壽命方面差別明顯.該項工程于2004 年底投入運行, 當時采用了價格具有較高競爭力的聚氯乙烯( PVC) 超濾膜.超濾系統處理效果在初期非常理想.然而, 超濾系統在運行6 個月后出現大量“ 斷絲” 問題.膜組件解剖研究中發現超濾膜并未“ 斷絲”, 膜組件失去完整性是“ 膜破損” 的結果.由于“ 膜破損”數量較多和持續增加, 在投產9 個月后將全部超濾組件更換為新的PVC 超濾膜.然而在更換新超濾膜3個月后, “ 膜破損” 問題再次出現并持續增加.2006 年3 月, 經供需雙方協商將全部超濾膜更換成改性聚砜材料( mPS) 的新型超濾膜組件.此后至今57 個月中超濾系統穩定運行, 水質和水量完全達到設計和生產要求.雖然聚砜膜材料( PS ) 價格高于聚氯乙烯( PVC) 膜材料十幾倍, 但是聚砜膜組件的價格僅僅高于聚氯乙烯膜組件約30 %.從本工程膜壽命來看, 聚砜材料超濾膜具有明顯的優勢.膜材料是影響膜產品性能的關鍵因素.同時制膜方法和膜組件集成技術等眾多因素也明顯影響膜組件的壽命.比如, 膜絲在澆筑層附近變得很脆, 這部分膜絲的保護對膜組件的壽命也至關重要.對于反滲透預處理, 超濾系統的污染指數( SDI) 值尤為重要.這一指標與水中細微懸浮物和膠體的總量相關聯.這一指標的降低也標志著水中微生物和微生物碎片的濾除.一般地說, 超濾膜截留分子量越小, 產水的這一指標也越低.當然, 當膜組件發生斷絲時, 這一指標會明顯上升.使用PVC 超濾膜組件時, 在原水中添加絮凝劑, 投運前3 個月內SDI 值在1 .3 ～ 2 .0 之間, 此后逐漸增加, 投運6 個月時增加到4 .2 .此時發現膜破損問題.使用PS 超濾膜組件時, 在原水中添加絮凝劑前提下, SDI 值僅為0 .5 ～ 0 .9 .兩種超濾膜產水SDI 值的差別應該與兩種超濾膜截留分子量的差別有關.為了節省運行成本, 在更換為mPS 超濾膜后大部分時間停止添加絮凝劑, 此時產水SDI 值隨給水水質有所波動, 但一直保持≤2 .0