全膜法在水处理设计中的应用及设计注意事项

Posted 2023-01-12 反渗透

篇首语：贫不足羞，可羞是贫而无志。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了全膜法在水处理设计中的应用及设计注意事项相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

全膜法系统在水处理设计领域的应用越来越广泛。文章就某工程除盐水站全膜法系统进行简要介绍，并提出系统设计中应注意的事项。目前除盐水站已投入运行，一级脱盐水和深度脱盐水的指标均完全满足工程的需要，且系统运行稳定，自动化程度高，对环境影响小，运行方便、灵活，运行人员的劳动强度低。除盐水站的运行情况表明，针对不同的外部条件进行正确分析，合理设计，全膜系统完全能够满足水处理工程的要求。
中国分类号∶TM621.8文献标识码∶B文章编号∶1001-408X(2013)02-0019-04
1.概述
随着环保压力的不断增大，膜分离技术越来越受到各国的重视，全膜法系统在水处理设计领域的应用也越来越广泛。本文就某工程除盐水站全膜法系统进行简要介绍，并提出在系统设计中一些应注意的事项。
1.1项目的基本概况
工程总项目位于贵州山区，冬季气温较低。除盐水处理站为其自备动力车间配套的共用工程。
1.2水源水质
本工程补给水为地下水。地下水水质资料主要数据如表1。

从水质分析的数据来看，本工程水质含盐量较高。
1.3水汽质量控制标准
根据工程需要，脱盐水处理系统出水水质分为一级脱盐水和深度脱盐水两种，水质要求如下：
(1)一级脱盐水水质要求见表2。

(2)深度脱盐水水质要求见表3。

2.工程设计原则及特点
由于本工程原水含盐量较高，如采用常规离子交换系统，会出现离子交换设备的运行周期短，酸碱再生耗量大，再生频繁，排放的废酸碱也相对较多，对环境的影响也比较大。故本工程水处理系统优先选择全膜法处理工艺。
2.1工艺系统流程
根据本工程水源水质资料，以及设计边界出单元条件对系统出水水质的要求，脱盐水处理系统采用“锰砂过滤器+超滤+一级反渗透+二级反渗透+EDI"方案设计，原则性系统流程如下：
本工程原水==>锰砂过滤器==>清水箱==>超滤升压泵==>叠片过滤器==>超滤装置==>超滤产水箱==>一级反渗透供水泵==>一级反渗透保安过滤器==>一级反渗透高压泵==>一级反渗透装置==>除CO2器==>一级反渗透产水箱==>二级反渗透供水泵==>二级反渗透保安过滤器==>二级反渗透高压泵==>二级反渗透装置==>二级反渗透产水箱==>EDI供水泵==>EDI保安过滤器==>EDI装置==>除盐水箱。
其中一级反渗透出水作为一级脱盐水，通过水泵送往厂区管网，EDI出水作为深度脱盐水，通过水泵送往厂区管网。
2.2工艺系统特点
水处理系统采用全膜法工艺，酸碱耗量很少，对环境影响小，且系统自动化程度较高，劳动强度低，运行方便。
3.本工程全膜法设计中应注意的问题
全膜法系统的设计有其共性，但工程条件的不同，系统设计也存在一定的差异。以下根据本工程的实际条件，提出设计中一些应注意的事项。
3.1原水预处理的问题
从本工程的水质资料看，原水铁的含量还比较高，如果不除掉，会对后续的膜处理造成污染。另外，从超滤膜本身结构的特点看，超滤膜本身是一种娇贵的过滤介质。当水体中存在较大颗粒物质的时候，容易产生污堵，或者划伤膜，对膜本身造成不可修复的伤害，故超滤系统前的预处理就显得非常重要。大部分水处理系统中超滤装置运行效果不佳，都和预处理系统运行不好有直接的关系。本工程在设计过程中，根据原水的水质情况，在超滤前设置一级锰砂过滤器，既可有效降低原水中铁离子的含量，又起到去除悬浮物的作用，保证超滤系统的正常运行。
3.2全膜系统中加药系统的设计
全膜系统运行过程中，通常要伴随着药剂的加入，如：絮凝剂、助凝剂、氧化剂、阻垢剂、还原剂、酸和碱等。药剂的正确使用对系统的安全、稳定运行有着非常重要的作用，加药方式不正确或者其它原因，就有可能危及系统的安全。
例如超滤膜设备前的预处理系统，通常需要加入絮凝剂，絮凝剂主要是带有正(负)电性的基团中和一些水中带有负(正)电性难于分离的一些粒子或者叫颗粒，降低其电势，使其处于不稳定状态，并利用其聚合性质使得这些颗粒集中，并通过物理或者化学方法分离出来。但在实际运行过程中，部分絮凝剂由于未能充分反应，透过超滤膜进入到产水侧，在产水箱中有一定的停留时间，导致这些透过的絮凝剂发生二次絮凝，即后絮凝现象，对反渗透膜产生严重的污染。所以在运行过程中，应根据膜制造商提供的数据，严格控制药剂的投加量，当产生后絮凝现象或其它反常状况时，应停止加药。
全膜系统中，在不同的过程控制水的pH值，可以提高系统的除盐率。例如在一级反渗透进口应设加酸点，可减轻反渗透膜表面的结垢倾向。另外，反渗透膜对水中二氧化碳的去除率很低，这里通过加酸减小进水pH值，并在一级反渗透出口配合除二氧化碳器，对去除水中二氧化碳可以起到很好的效果。
在一级反渗透产水中，仍有少量二氧化碳的残留，二氧化碳对EDI装置运行影响较大，所以应进一步除去水中的二氧化碳。根据以上分析，在二级反渗透进口加碱，调节进水的pH值至8.3以上，使二氧化碳转化为碳酸根或碳酸氢根的形式除去，就能保证后续EDI设备的安全运行。
3.3关于温度的影响
超滤膜、反渗透膜对进水水温的变化十分敏感，一般膜产品较理想的运行温度在15℃～25℃之间。超出这个范围，设备的性能就可能受到一定的影响。例如随着水温的降低，水通量也线性地降低，进水水温每降低1℃，膜产水通量就降低2.5%～3.0%；其原因在于透过膜的水分子粘度下降、扩散性能减弱(水在5℃时的粘度比在25℃时高出70%)。对反渗透膜而言，进水水温的升高同样会导致透盐率的增加和脱盐率的下降，主要是因为盐分透过膜的扩散速度会因温度的提高而加快。
对于EDI装置，提高温度可使水中离子的迁移和移动更加容易，产品水质量通常会提高。但当温度过高时，会由于离子的泄漏而降低产水品质，这是因为吸附到离子交换树脂的离子减少造成的。
本工程地处贵州山区，冬季温度平均温度在0℃左右，这个温度条件下，超滤、反渗透、EDI装置出力会大大降低，为保证冬季水处理系统能正常运行，在超滤进水前设计了蒸汽加热系统，利用自备电厂产生的蒸汽对原水进行加热，使膜系统的进水温度保持在15℃～20℃之间，可以有效保证膜设备的正常出力达到设计要求。
3.4超滤系统按错流运行方式设计
前面提到了超滤膜是一种十分脆弱的水处理产品，由于预处理系统运行不好，或进水水质突然恶化等原因，都会对超滤膜造成污堵。
超滤膜的运行分为死端过滤和错流过滤两种方式，死端(dead-end)过滤是将原水置于膜的上游，在压力差的推动下，水和小于膜孔隙的颗粒透过膜，大于膜孔隙的颗粒则被膜截留。形成压差的方式可以是在水侧加压，也可以是在滤出液侧抽真空。死端过滤随着过滤时间的延长，被截留颗粒将在膜表面形成污染层，使过滤阻力增加，在操作压力不变的情况下，膜的过滤透过率将下降。因此，死端过滤只能间歇进行，必须周期性地清除膜表面的污染物层或更换膜。错流(cross-flow)过滤运行时，水流在膜表面产生两种分力，一种是垂直于膜面的法向力，使水分子透过膜面，另一种是平行于膜面的切向力，把膜面的截留物冲刷掉。错流过滤透过率下降时，只要设法降低膜面的法向力、提高膜面的切向力，就可以对膜进行有效清洗，使膜恢复原有性能。因此，错流过滤的滤膜表面不易产生浓差极化现象和结垢问题，过滤透过率衰减较慢。错流过滤的运行方式比较灵活，既可以间歇运行，又可以实现连续运行。另外，采用错流运行可有效减少膜化学清洗的次数，降低化学药剂的用量。但在设计中值得注意的是，采用错流运行的系统，超滤原水泵的出力应根据需要配置，一般选择错流量在5%～20%之间。
根据大多数超滤系统的运行经验，超滤系统按错流方式设计运行起来比较灵活，可以根据来水的实际情况，决定是否采用错流的方式运行，这对保护膜本身，延长膜寿命，以及保证系统安全运行来说非常重要。
3.5不同类型的超滤膜，反洗设备的出力也不同超滤膜大体可分为外压式和内压式，外压式超滤膜一般采用的材质是聚偏氟乙烯(PVDF)，内压式超滤膜一般采用的材质是聚醚砜(PES)。由于运行方式的不同，内压式超滤膜的反洗水量较外压式超滤膜要大一些，能耗也要高一些。一般内压式超滤膜的反洗水泵的出力是自身出力的4倍左右，外压式超滤膜反洗水泵的出力为自身出力的2～3倍。
3.6关于化学清洗设备的设置
膜系统运行过程中，进水中含有的悬浮物、溶解物质以及微生物繁殖等原因都会造成膜元件污染。当膜元件受到污染时，往往通过清洗来恢复膜元件的性能。清洗的方式一般有两种，物理清洗和化学清洗。物理清洗是不改变污染物的化学性质，通过力量使污染物排出膜元件，恢复膜元件的性能，例如超滤膜的反洗和反渗透膜的冲洗过程就属于物理清洗。
化学清洗是使用相应的化学药剂，改变污染物的组成或属性，恢复膜元件的性能。定期对膜进行化学清洗，对延长膜元件的寿命是非常有必要的。
这里要研究的是化学清洗设备的设置问题。我们知道，超滤膜的化学清洗药剂主要成份是盐酸、氢氧化钠和次氯酸钠，反渗透膜的化学清洗药剂主要是柠檬酸、EDTA等溶剂。设计膜清洗系统时，经常采取的是将超滤膜和反渗透膜的清洗设备合用的方案，这样的方案在运行过程可能会出现以下问题：超滤膜化学清洗过程中，经常会用到次氯酸钠这样的强氧化性药剂，当超滤化学清洗完成后，需要对反渗透进行化学清洗时，但由于化学清洗水箱处理不够彻底，造成配置的反渗透清洗液中氯离子超标，这样的清洗液对反渗透膜会有很大的影响。另外，当膜设备台(套)数量较多的时候，仅设一套共用的清洗装置也会增加运行人员的工作负担。
故在条件允许的情况下，超滤膜和反渗透膜的清洗装置宜分开设置(EDI装置的清洗周期很长，可与反渗透膜的清洗装置合用)，可以有利于系统的安全运行，也能减轻运行人员的工作负担。
3.7关于废水的回收利用
节约用水是工业发展必须面对的课题。本工程膜系统产生的废水可分为：超滤反洗排水、反渗透冲洗水、反渗透浓水、EDI冲洗水。根据不同类别的废水进行回收再利用，可产生循环效应，达到节水的目的。
为尽量提高系统水的回收利用率，本工程在系统设计上有以下考虑：
(1)EDI的极水全部回收至超滤产水箱，二级反渗透的浓水全部回收至超滤产水箱。
(2)将一级反渗透的浓水回收至浓水箱，一部分做为锰砂过滤器的反洗用水；另外设一套浓水反渗透装置，处理剩余的一级反渗透浓水，浓水反渗透装置的产水进一级反渗透产水箱。
(3)超滤反洗排水排至废水池，通过泵输送至循环冷却塔做为循环水的补充水。根据以上设计、优化，可使整个系统水的回收率大于或等于85%，节水的效果非常明显。
4.结语
目前除盐水站已投入运行，一级脱盐水和深度脱盐水的指标均完全满足工程的需要，且系统运行稳定，自动化程度高，对环境影响小，运行方便、灵活，运行人员的劳动强度低。除盐水站的运行情况表明，针对不同的外部条件进行正确分析，合理设计，全膜系统完全能够满足水处理工程的要求。
高效、廉价是水处理发展的趋势，随着膜产品价格的不断降低，膜处理系统与常规水处理系统之间的造价差距也大大缩小了，膜处理技术将越来越广泛的运用在各个领域的水处理项目上。