全膜法水處理工藝應(yīng)用分析

王貴德，李朝燕

（1.大唐河北發(fā)電有限公司馬頭熱電分公司，河北 邯鄲 056044；2.大唐武安發(fā)電有限公司，河北 邯鄲 056044）

1 概述

隨著水處理技術(shù)的不斷發(fā)展，全膜法水處理工藝日趨成熟，由于其無需酸堿再生、操作簡單、連續(xù)制水、出水水質(zhì)穩(wěn)定，在火電廠鍋爐補(bǔ)給水處理工藝中的應(yīng)用日趨廣泛。近年來，隨著環(huán)境保護(hù)的要求越來越受到重視，以高分子分離膜為代表的膜分離技術(shù)作為一種新型的流體分離單元操作技術(shù)，在我國受到了越來越多的矚目，尤其是電除鹽（EDI）技術(shù)更是水處理技術(shù)的重大進(jìn)展之一，其不但產(chǎn)水質(zhì)量高、運(yùn)行穩(wěn)定，而且使火力發(fā)電廠制取除鹽水徹底擺脫了因使用化學(xué)再生藥劑所引起的費(fèi)用、空間、環(huán)保等問題。全膜法水處理是指以膜法處理取代傳統(tǒng)的砂濾和離子交換工藝，整個水處理系統(tǒng)均采用膜法處理工藝，即采用超濾＋反滲透入＋EDI系統(tǒng)。隨著全膜法技術(shù)的不斷成熟和推廣以及膜元件產(chǎn)品價格的不斷下降，全膜法水處理工藝越來越多的應(yīng)用于火力發(fā)電廠的鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)。

2 全膜法水處理工藝介紹

膜法液體分離技術(shù)一般分為微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）4類，它們的分離精度按照以上順序越來越高。電除鹽（EDI）因其應(yīng)用了電滲析技術(shù)來實現(xiàn)離子交換樹脂的連續(xù)再生，通常被納入膜法分離技術(shù)之列。目前，用于火力發(fā)電廠的膜處理技術(shù)主要有超濾、反滲透、電除鹽等。

2.1 超濾系統(tǒng)

超濾是一種篩孔分離過程，分為內(nèi)壓式和外壓式。在壓力的作用下，溶劑水和小溶質(zhì)粒子透過超濾膜的孔而到達(dá)低壓側(cè)，大粒子組分被膜阻擋。超濾能夠有效地去除水中的懸浮物、膠體、有機(jī)大分子、細(xì)菌、微生物等雜質(zhì)，具有優(yōu)良的過濾性能。［1］與傳統(tǒng)工藝系統(tǒng)（化學(xué)加藥＋多介質(zhì)過濾器＋活性炭過濾器）相比，超濾系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：占地面積小、出水水質(zhì)好（出水污染指數(shù)SDI可以保持＜2，傳統(tǒng)工藝的預(yù)處理出水SDI為4～5）、出水水質(zhì)穩(wěn)定、易實現(xiàn)全自動控制。

2.2 反滲透系統(tǒng)

反滲透是最精密的膜法液體分離技術(shù)，它能阻擋所有溶解性鹽及分子量大于100的有機(jī)物，但允許水分子透過。反滲透膜是用特殊材料和加工方法制成的、具有半透性能的薄膜，它能夠在外界壓力作用下使水溶液中的某些組分選擇性透過，從而達(dá)到淡化、凈化或濃縮分離的目的。醋酸纖維素反滲透膜脫鹽率一般可大于95%，反滲透復(fù)合膜脫鹽率一般大于98%。由于反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用低、環(huán)境效益高，基本解決了再生酸堿污染環(huán)境的問題。［2］因此，在電力行業(yè)鍋爐補(bǔ)給水、循環(huán)水及廢水的回收，電廠的零排放等均可采用反滲透系統(tǒng)。但一級反滲透系統(tǒng)的出水水質(zhì)還不能滿足電廠鍋爐補(bǔ)給水的要求，特別是隨著高參數(shù)大容量機(jī)組作為我國未來電力發(fā)展的主要機(jī)組，它們對于水質(zhì)的要求也越來越高，因此，目前國內(nèi)大部分電廠僅把反滲透當(dāng)作預(yù)脫鹽，后面仍然采用離子交換技術(shù)，即反滲透加二級除鹽系統(tǒng)或反滲透加混床除鹽系統(tǒng)。此時廢酸堿的排放量與原來離子交換系統(tǒng)相比減少了90%，基本上解決了廢酸堿的排放問題。

2.3 EDI系統(tǒng)

傳統(tǒng)的反滲透加二級除鹽系統(tǒng)或反滲透加混床除鹽系統(tǒng)，仍存在混床樹脂再生酸堿廢液排放和繁瑣的再生操作問題。近年來隨著EDI技術(shù)的應(yīng)用，即用EDI代替混床，徹底解決了酸堿排放問題。

EDI技術(shù)是在電滲析技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，利用選擇性膜和離子交換樹脂組成填充床生產(chǎn)高純水的技術(shù)。最常見的EDI系統(tǒng)設(shè)備由一系列模塊并聯(lián)組裝而成，每個模塊有一定的產(chǎn)水量，一般每小時幾噸。由于EDI系統(tǒng)設(shè)備的樹脂可以在線連續(xù)再生，因此能實現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。最常見的模塊為板框式。由于EDI系統(tǒng)對進(jìn)水的水質(zhì)要求較高，為確保EDI系統(tǒng)運(yùn)行正常，一般在EDI系統(tǒng)前面采用兩級RO或設(shè)置軟化器［1］。與離子交換相比EDI系統(tǒng)有以下特點：無須酸堿再生，有利于達(dá)到環(huán)保要求，混床中的樹脂是通過酸堿中的H＋和OH－進(jìn)行再生，而EDI系統(tǒng)裝置是通過電將水電離為H＋和OH－，從而對樹脂進(jìn)行再生；占地面積極小，無須備用裝置，無須設(shè)置再生、酸堿貯存、中和設(shè)備；便于實現(xiàn)自動化控制，控制點數(shù)大大少于混床；操作人數(shù)減少，降低人為操作失誤的可能性，無須酸堿再生的操作；設(shè)備維修、更換方便，采用單元模塊式裝配；運(yùn)行回收率高（即自耗用水量少），可達(dá)到95%，且排放的濃水可回收；產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，產(chǎn)水電阻率可達(dá)到10MΩ·cm（25℃）以上。

3 全膜法水處理工藝的應(yīng)用

3.1 機(jī)組概況

河北某煤矸石發(fā)電項目新建工程將建設(shè)2臺300MW間接空冷機(jī)組，每臺機(jī)組包括1臺1 100 t/h亞臨界、自然循環(huán)的循環(huán)流化床鍋爐，1臺300 MW亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽單軸間接空冷凝汽式汽輪機(jī)，1臺300MW發(fā)電機(jī)和相關(guān)的輔助設(shè)備。工程主供水水源為邯鄲礦業(yè)集團(tuán)郭二莊煤礦二坑礦井疏干水站井下涌水；備用水源為郭二莊煤礦馬項礦井疏干水站井下涌水。

3.2 工藝選擇及工藝流程

根據(jù)水源水質(zhì)資料及以往經(jīng)驗，礦井疏矸水的懸浮物最高均在1 000mg/L，不能滿足循環(huán)水補(bǔ)水和鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)進(jìn)水的水質(zhì)要求，因此本期工程設(shè)疏矸水預(yù)處理系統(tǒng)，預(yù)處理系統(tǒng)采用混合凝聚澄清沉淀過濾工藝，采用如下工藝設(shè)備：直列式混合器、星形絮凝設(shè)備、V形沉淀設(shè)備、砂濾池及輔助加藥設(shè)備，系統(tǒng)出水濁度設(shè)計值為小于1NTU。

經(jīng)疏矸水預(yù)處理系統(tǒng)處理過的凈水進(jìn)入鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)。經(jīng)過技術(shù)與經(jīng)濟(jì)對比分析，考慮到全膜法的技術(shù)優(yōu)勢，本期工程鍋爐補(bǔ)給水處理工藝最終確定為超濾＋二級反滲透＋EDI，系統(tǒng)設(shè)計最終出力為2×57t/h，除鹽水箱容積為2×1 500m3。

設(shè)計工藝流程為：生水（經(jīng)混凝、澄清過濾處理并加熱）→生水箱→超濾升壓泵→自清洗過濾器（2×120t/h）→超濾 UF（2×93t/h）→超濾水箱→一級升壓泵→一級RO保安過濾器→一級高壓泵→一級RO（2×70t/h）→除二氧化碳器→中間水池→二級升壓泵→二級RO保安過濾器→二級RO（2×63 t/h）→反滲透水箱→EDI給水泵→EDI保安過濾器→EDI（2×57t/h）→除鹽水箱→經(jīng)除鹽水泵至主廠房。

3.3 工藝設(shè)計優(yōu)化

3.3.1 超濾系統(tǒng)

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗，超濾系統(tǒng)大多存在膜污染和斷絲現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)以上現(xiàn)象，會直接影響產(chǎn)水量和出水水質(zhì)，威脅后續(xù)反滲透膜的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此工程從以下方面對超濾系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

a.選擇性能優(yōu)良的膜元件，膜通量按照低值設(shè)計，且系統(tǒng)運(yùn)行方式設(shè)計為錯流過濾，每個運(yùn)行周期上下端交替進(jìn)水，以最大限度地避免膜污染現(xiàn)象。

b.超濾給水泵和超濾反洗水泵增設(shè)變頻器，以減緩泵啟動時對膜絲的瞬間大流量沖擊，防止斷絲。

c.設(shè)置加強(qiáng)反洗，每個運(yùn)行周期反洗時根據(jù)水質(zhì)情況酌情加入殺菌劑、酸或堿，以保持膜元件表面清潔。

3.3.2 反滲透系統(tǒng)

反滲透膜以其對小分子物質(zhì)和離子態(tài)物質(zhì)的良好截留能力，是全膜水處理工藝中除鹽的核心，但是反滲透易受固體顆粒的損壞和微生物的污染，因此合理的系統(tǒng)設(shè)計和膜材料的選擇至關(guān)重要，工程從以下幾方面對反滲透系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

a.考慮到水源水質(zhì)較惡劣，一級反滲透選用了陶氏公司的BW30－365FR渦卷式抗污染復(fù)合膜元件，抗污染復(fù)合膜不但降低了膜表面的粗糙度、提高了膜的親水性、改善了水流通道，而且膜表面帶有電荷，能有效地削弱濃差極化和減緩有機(jī)物、微生物、陽離子聚合物、表面活性劑集膠體對膜的污染。

b.考慮到二級反滲透進(jìn)水水質(zhì)較潔凈，二級反滲透選用較為經(jīng)濟(jì)的渦卷式超低壓反滲透膜元件。

c.膜的水通量是膜元件的重要指標(biāo)，膜的污染速度隨水通量遞增，膜通量的選擇按照不大于膜元件制造廠商《導(dǎo)則》中廢水進(jìn)水水質(zhì)規(guī)定的水通量低值的90%選取。

d.高壓泵設(shè)置變頻器和電動慢開門，以降低啟泵時對高壓泵對反滲透膜元件的沖擊。

3.3.3 EDI系統(tǒng)

由于EDI系統(tǒng)對進(jìn)水的水質(zhì)要求較高，為確保EDI系統(tǒng)運(yùn)行正常，工程在EDI系統(tǒng)前面采用2級RO系統(tǒng)并從以下幾個方面進(jìn)行了優(yōu)化。

a.通過對比分析幾種不同EDI系統(tǒng)運(yùn)行情況，以確定EDI系統(tǒng)膜塊的選型。通過對現(xiàn)有投入運(yùn)行較好的EDI膜塊（包括GE公司產(chǎn)品、Electropure公司產(chǎn)品和西門子Ionpure產(chǎn)品等）進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇單塊膜塊出力較大的Electropure公司的EXL－700產(chǎn)品（該產(chǎn)品設(shè)計出力為7t/h，其余為3～5t/h），以降低造價和簡化系統(tǒng)。

b.水中CO2的存在，會嚴(yán)重影響EDI裝置產(chǎn)水品質(zhì)。為消除CO2對EDI裝置的影響，工程在二級RO裝置進(jìn)水中加堿，這樣不但不會引起反滲透結(jié)垢，而且可以將CO2轉(zhuǎn)化為CO32－和HCO3－，提高了RO膜對碳酸的脫除率，使EDI系統(tǒng)進(jìn)水中CO2含量＜2mg/L，從而確保了EDI系統(tǒng)的產(chǎn)水品質(zhì)。

c.取消了濃水加鹽設(shè)備，利用EDI膜塊本身的技術(shù)特點確保濃水的導(dǎo)電性，從而使系統(tǒng)簡單，操作方便，易于控制。

3.3.4 系統(tǒng)整體設(shè)計優(yōu)化

a.合并系統(tǒng)中的化學(xué)清洗裝置。由于超濾、反滲透、EDI運(yùn)行一定時間后，均需要化學(xué)清洗，因此在開始設(shè)計時各系統(tǒng)分別設(shè)計了1套清洗裝置?？紤]到超濾的化學(xué)清洗藥品中含有氧化性物質(zhì)，而氧化性物質(zhì)是反滲透膜元件的致命威脅，因此單獨設(shè)超濾化學(xué)清洗裝置，而將EDI化學(xué)清洗裝置取消，和反滲透清洗裝置共用，并將反滲透清洗裝置中的保安過濾器濾芯由5μm改為1μm，以滿足EDI進(jìn)水水質(zhì)要求。

b.自清洗過濾器和超濾按照單元制一對一設(shè)計，控制簡單。

c.自清洗過濾器反洗水、超濾反洗水回收至地下回收水池，用回收水泵送至疏矸水預(yù)處理系統(tǒng)原水池處理后回用。一級反滲透濃水、EDI極水回收至反滲透濃水箱直接用作脫硫系統(tǒng)用水；二級反滲透濃水、EDI濃水回至超濾水箱回用；系統(tǒng)化學(xué)清洗廢水回收至地下廢水池，用廢水泵打至工業(yè)廢水處理站處理后回用。

d.將反滲透系統(tǒng)單元制進(jìn)水改為母管制進(jìn)水，從而簡化了反滲透進(jìn)水加藥設(shè)備和進(jìn)水水質(zhì)分析儀表的設(shè)置。

e.除鹽水泵設(shè)置變頻裝置，提高了泵運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

f.除鹽水箱設(shè)置浮頂，以隔絕空氣，防止空氣中的CO2對除鹽水造成污染。

3.4 應(yīng)用效果

a.目前該該系統(tǒng)已通過調(diào)試，EDI出水電導(dǎo)率小于0.06μS/cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)的陽床陰床混床離子交換處理工藝。

b.系統(tǒng)運(yùn)行操作簡單，僅在集控室設(shè)1名遠(yuǎn)控值班員及1名就地巡檢員。

c.通過優(yōu)化方案的實施，降低工程造價約10萬元。

d.通過系統(tǒng)不同水質(zhì)分類回收的優(yōu)化設(shè)計，使制水過程中全部廢水得以重復(fù)利用，按照年運(yùn)行5 500h計算，每年節(jié)約用水約55萬t，為降低電廠的水耗指標(biāo)及實現(xiàn)電廠“零排放”提供了技術(shù)保證。

4 結(jié)束語

全膜法水處理工藝日趨成熟，具有無需酸堿、操作簡單、連續(xù)制水、產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定、節(jié)約占地等特點，是建設(shè)綠色環(huán)保電廠的首選工藝方案。某電廠2臺300MW發(fā)電機(jī)組采用該處理工藝，并對其技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后系統(tǒng)超濾、反滲透及EDI設(shè)備的出水水質(zhì)、水量均達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。其他機(jī)組在應(yīng)用該處理工藝時，可根據(jù)全膜法水處理工藝的水源水質(zhì)及特點，結(jié)合實際運(yùn)行案例對工藝設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，以做到合理降低工程造價，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

［1］ 周本省.工業(yè)水處理技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［2］ 張葆宗.反滲透水處理應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2004.