反滲透技術(shù)在清江石化除鹽水工藝中的應(yīng)用

周 健，華 倫

(1.天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457;2.淮安清江石化有限公司，江蘇 淮安 223002)

0 引言

反滲透除鹽是目前比較成熟的一種水處理技術(shù)，廣泛應(yīng)用于鍋爐補(bǔ)給水處理、工業(yè)廢水處理、飲用水處理及海水淡化等方面。反滲透除鹽具有操作簡(jiǎn)單、排廢少、不需要再生等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)運(yùn)行的條件要求較高，要有配套的預(yù)處理設(shè)施，以保證反滲透裝置的進(jìn)水水質(zhì)符合工藝指標(biāo)的要求。清江石化的反滲透除鹽水裝置于2006年8月建成投產(chǎn)。裝置主要包括原水的預(yù)處理和反滲透脫鹽處理兩個(gè)部分，設(shè)計(jì)制水能力為60m3/h。本裝置選用的是陶氏卷式復(fù)合膜。運(yùn)行4年多來(lái)，總體效果較好。

1 陶氏反滲透膜概況

1.1 陶氏反滲透膜元件的結(jié)構(gòu)

陶氏反滲透膜的膜元件為螺旋卷式結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱卷式結(jié)構(gòu)。它由多葉膜袋組成，每一葉膜袋由兩片正面相背的膜片、置于兩片膜片間的產(chǎn)品水流道和放置在膜表面的湍流網(wǎng)格狀進(jìn)水流道組成，該膜袋三邊用膠粘劑密封，第四邊開(kāi)口于有孔的產(chǎn)水收集管上。與其它元件結(jié)構(gòu)，如管式、板式和中空纖維式相比，具有水流分布均勻、耐污染程度高、更換費(fèi)用低、外部管路簡(jiǎn)單、易于清洗維護(hù)保養(yǎng)和設(shè)計(jì)自由度大等許多優(yōu)點(diǎn)，成為目前主要膜元件結(jié)構(gòu)形式。

陶氏復(fù)合結(jié)構(gòu)的膜片，由三層組成，如圖1所示。

圖1 陶氏反滲透膜結(jié)構(gòu)示意圖

(1)聚酯材料增強(qiáng)無(wú)紡布，約120μm厚;

(2)聚砜材料多孔中間支撐層，約40μm厚;

(3)聚酰胺材料超薄分離層，約0.2μm厚。

每一層均需根據(jù)其功能要求分別優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造。復(fù)合膜的主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是由無(wú)紡布提供的，它具有堅(jiān)硬、無(wú)松散纖維的光滑表面。因超薄分離層直接復(fù)合在無(wú)紡布上會(huì)出現(xiàn)表面不規(guī)整及孔隙大等問(wèn)題，因此通常設(shè)計(jì)多孔中間支撐結(jié)構(gòu)并在無(wú)紡布上預(yù)先涂布一層高透水性微孔聚砜作為支撐層，其孔徑約為150埃。超薄分離層是反滲透和納濾過(guò)程中真正具有分離作用的功能層，陶氏(FILMTECTM)反滲透膜片與其它品牌的產(chǎn)品相比，具有交聯(lián)度高，功能分離層更厚，且厚度更均勻、無(wú)針孔等優(yōu)點(diǎn)，其高交聯(lián)度決定了膜片具有極高的物理強(qiáng)度和抗化學(xué)生物降解的性能。

陶氏膜元件由美國(guó)FilmTec公司生產(chǎn)。具有膜片無(wú)補(bǔ)丁，脫鹽層厚，可采用無(wú)機(jī)酸堿強(qiáng)烈清洗等優(yōu)點(diǎn)。組裝方式采用全自動(dòng)的元件組裝技術(shù)，成品無(wú)需通水檢驗(yàn)?？蓮V泛應(yīng)用于各行各業(yè)所需高純度水的制備。

2 清江石化反滲透脫鹽工藝設(shè)計(jì)

2.1 工藝原理

清江石化反滲透除鹽水處理部分共有11支FBR壓力外殼，每支裝BW30－400(玻璃鋼纏繞標(biāo)準(zhǔn)低壓苦咸水反滲透膜元件)膜元件6只，共裝66支。

反滲透除鹽水裝置是利用滲透與反滲透的原理，來(lái)實(shí)現(xiàn)水與溶解性鹽及分子量大于100的有機(jī)物的分離，如圖2所示，隨著水的流動(dòng)，鹽水液面升高而產(chǎn)生壓力，當(dāng)壓力P足夠用來(lái)阻止水繼續(xù)向鹽水流入時(shí)，滲透處于平衡狀態(tài)，此時(shí)的壓力P0為濃溶液的滲透壓力。當(dāng)在鹽水一側(cè)加壓，并大于滲透壓時(shí)，鹽水中的水分就會(huì)從鹽水一側(cè)透過(guò)半透膜滲透至淡水一側(cè)，產(chǎn)水即為除鹽水。反滲透可以去除水中98%以上的膠體、微生物、微粒、有機(jī)物及一些溶解性物質(zhì)。

圖2 反滲透技術(shù)原理圖

2.2 工藝控制參數(shù)

2.2.1 反滲透膜系統(tǒng)的回收率和脫鹽率

反滲透系統(tǒng)的淡水產(chǎn)出過(guò)程，也是對(duì)系統(tǒng)給水的濃縮過(guò)程。濃縮倍數(shù)與系統(tǒng)收率之間呈函數(shù)關(guān)系:濃縮倍數(shù)≈1/(1－系統(tǒng)收率)。例如，系統(tǒng)收率達(dá)到0.75時(shí)，給水被濃縮了約4倍。由于高倍濃縮將使?jié)馑械碾y溶鹽飽和析出，給水中的難溶鹽含量決定了系統(tǒng)的最高收率。盡管在給水中投加阻垢劑可以緩解濃水的結(jié)垢趨勢(shì)，進(jìn)而提高系統(tǒng)的收率水平，但阻垢劑作用的飽和仍使系統(tǒng)收率限制在一定水平，該收率水平稱為難溶鹽極限收率。

除難溶鹽的影響之外，系統(tǒng)收率還受到濃差極化度的限制。濃差極化度系指溶質(zhì)的膜表面濃度與水體平均濃度之比，與元件給水流量及濃淡水流量比相關(guān)，且該極化度存在1.2的上限數(shù)值。

回收率 =(產(chǎn)品水流量 /給水流量 )×100%

脫鹽率 =［(給水鹽濃度－產(chǎn)品水鹽濃度)/給水鹽濃度］×100%

反滲透系統(tǒng)中，回收率的提高有利于減少濃水的排放量，節(jié)約用水。回收率主要由以下兩個(gè)因素決定:

(1)進(jìn)水難溶鹽的濃度:進(jìn)水在反滲透過(guò)程中不斷地得到濃縮，若回收率為50%時(shí)，則進(jìn)水約被濃縮2倍。因此，進(jìn)水溶液中的難溶性鹽，如碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇等物質(zhì)就有可能在膜表面上沉積出來(lái)。所以，難溶鹽的最大濃度決定了反滲透系統(tǒng)的回收率。

(2)膜元件的最低濃水流速:為了獲得最佳的膜元件性能，同時(shí)，也是為了防止?jié)獠顦O化，必須維持膜元件的最低濃水流速。

2.2.2 進(jìn)出水水質(zhì)

卷式復(fù)合膜對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的要求，見(jiàn)表1。

表1 卷式復(fù)合膜對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的要求

對(duì)出水水質(zhì)的要求見(jiàn)表2。

表2 反滲透脫鹽水裝置各段指標(biāo)要求

2.3 工藝流程

反滲透裝置工藝流程如圖3所示。

圖3 反滲通裝置工藝流程圖

3 運(yùn)行中存在的問(wèn)題

3.1 清洗周期短

在正常運(yùn)行一段時(shí)間后，反滲透膜元件會(huì)受到在給水中可能存在的懸浮物質(zhì)或難溶物質(zhì)的污染，在正常操作的條件下，當(dāng)反滲透裝置的產(chǎn)水量下降10%，膜脫鹽率下降10%，或者進(jìn)出口壓差增大15%時(shí)，說(shuō)明膜已經(jīng)受到污染。為了恢復(fù)良好的膜透水率和脫鹽性能，需要對(duì)膜進(jìn)行清洗，按照設(shè)計(jì)清洗周期為3個(gè)月一次，實(shí)際生產(chǎn)中因膜的使用時(shí)間長(zhǎng)、壓降升高快、膜污染較快，必須1個(gè)月在線清洗一次。經(jīng)清洗后，反滲透膜系統(tǒng)雖能不同程度恢復(fù)，但膜污染現(xiàn)象易反彈，造成膜清洗頻率高，清洗工作量大。

3.2 制水比居高不下

裝置投產(chǎn)三年后，發(fā)現(xiàn)反滲透制水比居高不下，如表3所示。膜進(jìn)水SDI值一直維持在5～6，超出反滲透膜進(jìn)水SDI≤5的要求，反滲透膜污染較快，導(dǎo)致周期制水量下降和膜前壓力升高，而膜前壓力高又增加電耗;頻繁清洗，增加水耗。

表3 2009年10月SDI數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表3繪制SDI折線，如圖4所示。

圖4 SDI折線圖

表4反映了清江石化除鹽水反滲透裝置的制水比超指標(biāo)月份較多。

表4 2009年4月～2010年3月制水比統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表4繪制制水比折線，如圖5所示:

圖5 制水比折線圖

3.3 其他問(wèn)題

裝置在操作過(guò)程中，保安過(guò)濾器濾芯也需要頻繁更換，增加濾芯消耗;產(chǎn)水量滿足不了生產(chǎn)需要，對(duì)公司正常生產(chǎn)造成威脅;初級(jí)濾池藻類繁殖旺盛，藻類死亡后變成粘泥，污染了水質(zhì)。

4 改進(jìn)措施

4.1 調(diào)整反滲透膜清洗方案

當(dāng)反滲透裝置的產(chǎn)水量下降10%(在同溫度和壓力下)、產(chǎn)水脫鹽率下降10%、壓降增加15%，這三種現(xiàn)象如有一種出現(xiàn)，立即進(jìn)行化學(xué)清洗，這樣既避免膜污染積累，又可減輕膜清洗的難度。另一方面，根據(jù)污染情況及時(shí)調(diào)整清洗方案，以避免造成膜清洗困難或膜的損傷情況的出現(xiàn)。在借鑒已有企業(yè)成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，摸索出適合我廠膜裝置污染的清洗方案:先用1%EDTA－4Na，0.1%NaOH，0.025%十二烷基磺酸鈉清洗液堿洗;再用0.2%鹽酸酸洗;配合NaHSO3和非氧化性殺菌劑進(jìn)行殺菌處理，在清洗的過(guò)程中適當(dāng)采用脈沖水流。

4.2 向多介質(zhì)過(guò)濾器中添加石英砂，更換活性碳過(guò)濾器中的活性碳

多介質(zhì)過(guò)濾器和活性碳過(guò)濾器皆有使用壽命，通過(guò)4年的運(yùn)行觀察，活性碳過(guò)濾器失去了去除COD的能力，如表5所示。

表5 2010年5月活性碳過(guò)濾器進(jìn)出口水COD抽樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

實(shí)行向多介質(zhì)過(guò)濾器中添加石英砂和定期更換活性碳過(guò)濾器中的活性碳，解決了進(jìn)水的過(guò)濾質(zhì)量問(wèn)題，出口COD明顯下降，如表6所示。

表6 2010年10月活性碳過(guò)濾器進(jìn)出口水COD抽樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4.3 更換保安過(guò)濾器濾芯

保安過(guò)濾器具有除去細(xì)小雜質(zhì)顆粒的功能。保安過(guò)濾器投產(chǎn)時(shí)使用的是線繞式濾芯，在膜壓升高、查找原因時(shí)發(fā)現(xiàn):濾芯上的線絲會(huì)隨水一起流入反滲透膜，阻塞膜通道，增加反滲透膜進(jìn)出口壓差，增加高壓泵的電耗。經(jīng)過(guò)調(diào)研和分析比較，換成了熔噴式濾芯。熔噴式濾芯具有價(jià)格低廉、截留效果好等優(yōu)點(diǎn)，但是接口安裝困難，很容易裝歪，使部分水不經(jīng)過(guò)濾芯而直接進(jìn)入膜，從而增加膜壓，造成電耗高，影響水質(zhì)。后來(lái)?yè)Q成一種進(jìn)口濾芯，運(yùn)行證明它具有截留效果好、容易安裝等特點(diǎn)，可以重復(fù)使用至少兩次，但是價(jià)格比較高。同時(shí)通過(guò)利用廢棄遮流板做蓋板遮蔽陽(yáng)光，破壞藻類繁殖，解決了藻類繁殖問(wèn)題。

4.4 增加一臺(tái)換熱器，在水進(jìn)膜之前換熱到較佳溫度范圍

反滲透膜產(chǎn)水能力與膜的溫度有較大關(guān)系，在生產(chǎn)過(guò)程中為了盡可能減少其他因素的影響，滿足除鹽水正常供給，需要保證膜進(jìn)水溫度在15℃以上，但為了盡可能地降低加熱而增加的成本，水溫不宜加熱太高，保證膜進(jìn)水溫度在大于15℃左右即可滿足生產(chǎn)需要。

反滲透裝置進(jìn)水的最佳溫度是25℃左右。原裝置到了冬季，進(jìn)水溫度有時(shí)只有(5～7)℃，反滲透的產(chǎn)水量只有32 m3/h左右，因濃水側(cè)要保證一定的透水量，故濃水排放量在18 m3/h左右，產(chǎn)水率只有64%左右，因此水耗較高，電耗也高。通過(guò)對(duì)反滲透膜裝置進(jìn)水口增加換熱設(shè)施，保證反滲透裝置進(jìn)水溫度穩(wěn)定在25℃左右，使產(chǎn)水量達(dá)到56m3/h左右，當(dāng)濃水量同樣在19m3/h時(shí)，產(chǎn)水率在74.67%，大大減少了水耗和電單耗，保證了產(chǎn)水量。

5 結(jié)論

在反滲透脫鹽水裝置的使用過(guò)程中，針對(duì)存在的問(wèn)題，采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，減輕了反滲透膜的污染程度，降低了膜的清洗頻次和制水比耗，保證了反滲透系統(tǒng)滿足正常生產(chǎn)的需要，降低了生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。

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