關(guān)于降低膜系統(tǒng)運行成本與提高膜系統(tǒng)產(chǎn)水率的對策研究

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（1.株洲冶煉集團股份有限公司，湖南株洲 412004；2.鉛鋅聯(lián)合冶金湖南省重點實驗室，湖南株洲 412004）

關(guān)于降低膜系統(tǒng)運行成本與提高膜系統(tǒng)產(chǎn)水率的對策研究

張?zhí)旆?，2

（1.株洲冶煉集團股份有限公司，湖南株洲 412004；2.鉛鋅聯(lián)合冶金湖南省重點實驗室，湖南株洲 412004）

對膜處理系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行了分析，優(yōu)化了生產(chǎn)組織模式及碳酸鈉投加量，改進了膜處理系統(tǒng)的工藝路線及關(guān)鍵設(shè)備——保安過濾器，選取了性價比較高的國產(chǎn)保安過濾器濾芯取代價格昂貴的進口濾芯，使膜系統(tǒng)的產(chǎn)水率提高了23%，運行成本降低了27%，為膜系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行打下了堅實的基礎(chǔ)。

超濾；反滲透；保安過濾器濾芯；碳酸鈉

隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，國家在環(huán)保領(lǐng)域的投入越來越多，有色企業(yè)面臨的環(huán)保壓力也越來越大。為了更好地實現(xiàn)資源循環(huán)利用，做到清潔生產(chǎn)，國內(nèi)某大型有色金屬冶煉企業(yè)從2006年開始實施重金屬廢水零排放與資源化項目，總投資約1億元。該企業(yè)水處理廠反滲透膜處理系統(tǒng)深度凈化重金屬廢水工藝作為其中的一個重要項目于2008年4月開始施工，2009年底進行了項目調(diào)試。該項目采用“超濾＋反滲透”雙膜法處理工藝，設(shè)計處理能力為200 t／h，整套系統(tǒng)包括化學(xué)預(yù)處理、前處理和反滲透脫鹽三部分，自動化程度較高?；瘜W(xué)預(yù)處理部分是采用碳酸鈉脫除廢水中的鈣離子；前處理部分包括多介質(zhì)過濾器及超濾，主要用于去除廢水中的懸浮固體、膠體、COD等雜質(zhì)，保證達到反滲透進水要求；反滲透脫鹽是整套系統(tǒng)的核心部分，反滲透膜是只允許水分子透過的半透膜，基本可以截留水中所有的鹽類。經(jīng)過反滲透膜的廢水將分成兩部分，一部分水得到凈化成為淡水，其水質(zhì)優(yōu)于工業(yè)用水，可作為工藝用水替代部分新水使用；另一部分為濃水，進水中的污染物基本存在于濃水中，濃水可以作為沖渣等車間雜用水源。

膜系統(tǒng)在運行的過程中，由于進水水質(zhì)不穩(wěn)定、設(shè)備運行故障率高等因素導(dǎo)致膜系統(tǒng)運行成本高且產(chǎn)水率較低。該研究主要優(yōu)化藥劑碳酸鈉的投加量，以節(jié)約藥劑成本，實現(xiàn)膜處理系統(tǒng)的經(jīng)濟有效運行。此外，還對關(guān)鍵設(shè)備——保安過濾器進行升級改造，防止排氣管倒吸污水及設(shè)備兩端的壓板變形。通過對比試驗選取性價比最高的國產(chǎn)濾芯取代原來價格昂貴的進口濾芯，延長濾芯更換周期，節(jié)約耗材成本。最后，還對當(dāng)前膜系統(tǒng)的工藝進行了改進，反滲透自清洗水由原進5＃均化池改進超濾產(chǎn)水池，提高了膜系統(tǒng)的產(chǎn)水量，避免了重復(fù)處理的浪費。

1 工藝優(yōu)化

1.1 工藝流程

1＃～3＃斜板池產(chǎn)出的高鈣凈化水進入5＃均化池，提升至5＃斜板沉淀池內(nèi)投加碳酸鈉、絮凝劑和助凝劑進行化學(xué)沉淀預(yù)處理，將凈化水中的Ca離子濃度降至50 mg／L以下，同時降低其中F離子濃度，然后輸送至緩沖水池，經(jīng)過多介質(zhì)過濾器和超濾（UF）進一步降低其中的懸浮固體、膠體、COD等雜質(zhì)，再進入反滲透（RO）系統(tǒng)進行脫鹽處理。產(chǎn)出的一次淡水排入回用水池直接回用，與現(xiàn)有生產(chǎn)水管網(wǎng)并網(wǎng)使用，為保證系統(tǒng)的產(chǎn)水回收率，原水反滲透產(chǎn)出的一次濃水再進行一次反滲透處理，即一次濃水進行二次反滲透除鹽處理，產(chǎn)出二次淡水排入回用水池直接取代生產(chǎn)水回用，產(chǎn)出的二次濃水輸送至生產(chǎn)系統(tǒng)作為沖渣等車間雜用水源。工藝流程如圖1所示。

圖1 膜處理系統(tǒng)工藝流程圖

1.2 優(yōu)化主要藥劑碳酸鈉的投加量

2011年，該系統(tǒng)用于5＃均化池降鈣的碳酸鈉使用成本達到了總運行成本的78.33%，保安過濾器濾芯消耗成本次之，達到了10.47%，為了有效地降低膜處理系統(tǒng)的運行成本，對碳酸鈉的投加量進行了優(yōu)化，通過對比實驗選取了性價比最高的國產(chǎn)保安過濾器濾芯取代價格昂貴的進口保安過濾器濾芯。

從生產(chǎn)現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，為了降低預(yù)處理出水鈣離子含量，當(dāng)前的碳酸鈉投加為過量投加，且過量系數(shù)較大，導(dǎo)致膜系統(tǒng)運行成本增加，加重了反滲透膜的運行負(fù)擔(dān)，由于碳酸鈉的水溶液電離出的碳酸根離子與水中氫離子結(jié)合成碳酸氫根離子，導(dǎo)致溶液中氫離子減少，剩下電離的氫氧根離子，所以溶液pH顯堿性，過量投加后引起pH值升高，導(dǎo)致后續(xù)鹽酸用量增加；此外，碳酸鈉過量投加還會引起出水電導(dǎo)率升高，加重膜系統(tǒng)脫鹽負(fù)擔(dān)，對膜系統(tǒng)經(jīng)濟、穩(wěn)定運行都造成了不良影響。因此，優(yōu)化碳酸鈉投加量勢在必行。

碳酸鈉除鈣的化學(xué)方程式如下：使用的無水純堿為99%工業(yè)純，配制濃度為20%，密度約為1.2 g／mL，需要將預(yù)處理進水的鈣離子含量降至50mg／L以下，進水量按120m3／h計算，其中Na2CO3的相對分子量為106，Ca的相對分子量為40，設(shè)預(yù)處理進水中的鈣離子含量為A（mg／L），則碳酸鈉的理論消耗T1（kg／L）為：

理論投加量T2（L／h）為：

即T2＝1.312×（A－50）

按以上公式可以計算得出不同過量系數(shù)條件下的碳酸鈉投加量，如表1所示。

表1 碳酸鈉理論消耗值及不同過量系數(shù)條件下的碳酸鈉投加量

由于該企業(yè)廢水成分復(fù)雜，除Ca（OH）2、CaCl2還有Al2（SO4）3、BaCl2成分會與碳酸鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成沉淀，因此在工業(yè)生產(chǎn)中碳酸鈉的實際使用量要大于理論值。為了找到最佳的過量系數(shù)，對照表1中不同的碳酸鈉過量系數(shù)進行了生產(chǎn)對比實驗，結(jié)果如表2所示。碳酸鈉按理論消耗量的275%投加后，預(yù)處理出水的平均Ca離子含量均在50 mg／L以下，符合膜系統(tǒng)進水要求，也沒有造成過多的藥劑浪費，為最佳碳酸鈉投加過量系數(shù)。此外，還對工藝進行了調(diào)整：將原本進濃縮池的斜板底流返回5＃均化池循環(huán)利用，使過量的碳酸鈉在均化池與Ca離子初步反應(yīng)，節(jié)約碳酸鈉使用量，減輕膜系統(tǒng)運行負(fù)擔(dān)。

表2 碳酸鈉按不同過量系數(shù)投加后預(yù)處理出水平均Ca離子含量 mg／L

1.3 選取性價比最高的保安過濾器濾芯

當(dāng)時該公司采用的是進口保安過濾器濾芯，單支成本較高，保安過濾器濾芯更換費用占膜系統(tǒng)總運行成本的10.47%。此外，保安過濾器濾芯還存在使用周期較短，更換頻繁等問題，濾芯的平均使用周期只有4～5 d。為降低保安過濾器濾芯的使用成本，對相同規(guī)格的、價格低廉的（A、B、C）三家國產(chǎn)保安過濾器濾芯進行了生產(chǎn)對比試驗，選取性價比最高的國產(chǎn)濾芯以取代原來價格昂貴的進口濾芯。

1.3.1 進出口壓差、濾芯物理攔截能力及抗壓性能對比

使用三組濾芯的保安過濾器運行周期內(nèi)進出口壓差、濾芯物理攔截能力及抗壓性能對比如圖2和表3所示。

圖2 使用三組濾芯的保安過濾器運行周期內(nèi)進出口壓差變化圖

表3 使用三組濾芯的保安過濾器濾芯運行周期對比表

從表3和圖2可以看出，使用A組濾芯的保安過濾器運行7 d后，進出口壓差從0.01 MPa增大到0.12 MPa，濾芯拆出后表面有明顯的污物，阻隔微粒性能好，濾芯無折斷及變形，抗壓性好。使用B組濾芯的保安過濾器運行5 d后，進出口壓差從0.01 MPa增大到0.11 MPa，濾芯拆出后表面有明顯的污物，阻隔微粒性能好，但多數(shù)濾芯變形，抗壓性較差。使用C組濾芯的保安過濾器運行3 d后，進出口壓差從0.03 MPa增大到0.12 MPa，濾芯拆出后表層及里層均有污物，阻隔微粒性能較差，濾芯無折斷及變形，抗壓性好。這表明使用A組濾芯的保安過濾器運行周期最長，達到了7 d，且濾芯本身的物理攔截能力及抗壓性能最佳。

1.3.2 出水Zn離子含量變化

使用三組濾芯的保安過濾器運行周期內(nèi)出水Zn離子含量變化如圖3所示。從圖3可以看出，使用A組濾芯的保安過濾器運行7 d后，出水Zn離子含量從0.08 mg／L增大到0.33 mg／L；使用B組濾芯的保安過濾器運行5 d后，出水Zn離子含量從0.08 mg／L增大到0.27 mg／L；使用C組濾芯的保安過濾器運行3 d后，出水Zn離子含量從0.12 mg／L增大到0.28 mg／L。這表明使用A組濾芯的保安過濾器出水Zn離子含量變化在正常范圍內(nèi)，物理攔截能力最好。

圖3 使用三組濾芯的保安過濾器運行周期內(nèi)出水中Zn離子含量變化圖

1.3.3 出水Cd離子含量變化

使用三組濾芯的保安過濾器運行周期內(nèi)出水Cd離子含量變化如圖4所示。從圖4可以看出，使用A組濾芯的保安過濾器運行7 d后，出水Cd離子含量從0.012 mg／L增大到0.033 mg／L；使用B組濾芯的保安過濾器運行5 d后，出水Cd離子含量從0.01 mg／L增大到0.033 mg／L；使用C組濾芯的保安過濾器運行3 d后，出水Cd離子含量從0.022mg／L增大到0.033mg／L。這表明使用A組濾芯的保安過濾器出水Cd離子含量變化在正常范圍內(nèi)，物理攔截能力最好。

圖4 使用三組濾芯的保安過濾器運行周期內(nèi)出水中Cd離子含量變化圖

通過以上生產(chǎn)對比實驗，選擇了A組保安過濾器濾芯取代原有的進口保安過濾器濾芯。

1.4 保安過濾器的改進

保安過濾器是為防止預(yù)處理過程中未能完全去除或新產(chǎn)生的懸浮顆粒進入反滲透系統(tǒng)而設(shè)置的最后一道屏障，其重要性不言而喻。但是目前工藝中所使用的保安過濾器在運行的過程中存在污水倒吸及內(nèi)部支架斷裂等隱患，對反滲透系統(tǒng)的正常運行造成了極大威脅。由于保安過濾器排氣管過長，排水溝中的無煙煤可能伴隨污水從排氣管道倒吸進入保安過濾器內(nèi)，從而導(dǎo)致超濾水池的水未經(jīng)過保安過濾器濾芯過濾直接進入反滲透系統(tǒng)。此外，保安過濾器濾芯支架為塑料支架，支架在帶壓運行過程中將可能出現(xiàn)老化斷裂的情況，為反滲透系統(tǒng)的正常運行埋下了隱患。

為避免以上情況，對設(shè)備進行了升級改進：首先，將排氣管的長度調(diào)整為排水溝蓋板以上10 cm，使得排氣管依然可以正常排氣，但不可能倒吸排水溝污水；其次，將所有安裝濾芯的支架改為不銹鋼材質(zhì)，增加抗壓性，降低斷裂幾率；最后，將設(shè)備兩端的塑料壓板改成不銹鋼壓板，防止壓板變形。升級后的保安過濾器在密封性及抗壓性方面更加優(yōu)越，更有能力確保反滲透系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

1.5 反滲透自清洗水返回超濾產(chǎn)水池的改進

反滲透自清洗水返回超濾產(chǎn)水池改造示意圖如圖5所示。將反滲透自清洗水由原進5＃均化池改進超濾產(chǎn)水池。由于反滲透自清洗水為其自身所產(chǎn)的淡水，脫鹽過程未投加任何化學(xué)藥劑，自清洗后的水質(zhì)指標(biāo)也較好，符合超濾進水要求，可以通過改造返回超濾產(chǎn)水池。

圖5 反滲透自清洗水返回超濾產(chǎn)水池改造示意圖

改造前：反滲透的自清洗水是直接排放到均化池的，由于反滲透系統(tǒng)反洗頻繁，單次反洗用水量大，而該部分反洗水水質(zhì)較好，完全可以應(yīng)用于預(yù)處理工藝，造成極大的水資源浪費。改造后：將反滲透自清洗水改進超濾產(chǎn)水池，這樣不僅可減少化學(xué)預(yù)處理及前處理的循環(huán)水處理量，避免了重復(fù)處理的浪費，同時提高了膜系統(tǒng)產(chǎn)水率。

2 結(jié) 論

該項目的試驗研究和工程實施，取得了鉛鋅冶煉重金屬廢水超濾－反滲透膜深度凈化處理回用的關(guān)鍵工藝技術(shù)。研究得出了以下結(jié)論：

1.對碳酸鈉的投加量進行了優(yōu)化，實驗結(jié)果顯示：碳酸鈉按理論消耗量的275%投加后預(yù)處理出水的平均Ca離子含量均在50 mg／L以下，符合膜系統(tǒng)進水要求，也沒有造成過多的藥劑浪費，為最佳碳酸鈉投加過量系數(shù)。

2.對A、B、C三組國產(chǎn)保安過濾器濾芯進行生產(chǎn)對比試驗發(fā)現(xiàn)：使用A組濾芯的保安過濾器運行周期最長達到了7 d，濾芯本身的物理攔截能力及抗壓性能最佳，因此，選擇A組保安過濾器濾芯取代原有的進口保安過濾器濾芯。

3.對原有的保安過濾器進行了升級改造，升級后的保安過濾器在密封性及抗壓性方面更加優(yōu)越，更有能力確保反滲透系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

4.將反滲透自清洗水由原進5＃均化池改進超濾產(chǎn)水池，可減少化學(xué)預(yù)處理及前處理的循環(huán)水處理量，避免了重復(fù)處理的浪費，同時提高了膜系統(tǒng)的產(chǎn)水量。

以上工藝與設(shè)備的改進及相關(guān)藥劑與耗材的優(yōu)化，使膜系統(tǒng)的產(chǎn)水率提高了23%，膜系統(tǒng)的運行成本降低了27%，確保了膜系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。膜處理系統(tǒng)運行后，該公司外排水量減排量貢獻約41萬t／a，同時重金屬污染物鉛、鎘、砷、汞等實現(xiàn)了大幅減排，節(jié)能減排效果顯著。降低了廢水外排環(huán)境風(fēng)險，為公司污染減排和可持續(xù)發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。

The Study on the M easures of Reducing M embrane System Operation Costs and Im proving M embrane System W ater Production Rate

ZHANG Tian-fang1，2
（1.Zhuzhou Smelter Group Co.，Ltd，Zhuzhou 412004，China；2.Hunan Key Laboratory of Lead and Zinc Combined Metallurgy，Zhuzhou 412004，China）

In order to lay a solid foundation for the safe and stable operation ofmembrane system，this paper analyzes the operation state of themembrane treatment system，optimizes the amountof production organizationmode and sodium carbonate dosage，improvesmembrane system process route and the key equipment of security filter，and chooses the higher performance price ratio of domestic security filter to replace the expensive imported filter.Through the abovemeasures，the water production rate ofmembrane system is increased by 23%，and the operation cost ofmembrane system is reduced by 27%.

ultrafiltration；reverse osmosis；security filter；sodium carbonate

X52

：A

：1003－5540（2014）03－0061－05

2014－04－20

張?zhí)旆迹?983－），女，助理工程師，主要從事重金屬污染防治研究工作。