顯示器生產(chǎn)線廢水處理反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

姚遠(yuǎn)

（上海緣脈環(huán)境科技有限公司，上海201611）

1 反滲透系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

當(dāng)兩種含有不同鹽分的水用一張半滲透性薄膜隔開，含鹽量少的一側(cè)水會(huì)透過這張半透膜滲入含鹽量高的一側(cè)，而水中鹽分卻不會(huì)滲透過去，這一現(xiàn)象就是自然滲透現(xiàn)象。但如果將外部作用力施加在含鹽量高的一側(cè)時(shí)，自然滲透現(xiàn)象會(huì)變慢甚至停止。當(dāng)持續(xù)增大這個(gè)作用力時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)高含鹽側(cè)的水會(huì)透過半滲透性膜進(jìn)入低含鹽側(cè)，而鹽分會(huì)保留在高鹽側(cè)，這個(gè)現(xiàn)象就是反滲透現(xiàn)象。反滲透技術(shù)就是從這一現(xiàn)象中得到啟發(fā)而開發(fā)的一門水處理技術(shù)[1]。

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的反滲透系統(tǒng)包括預(yù)處理系統(tǒng)、膜處理系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)三部分[2]，膜處理系統(tǒng)是核心和關(guān)鍵。膜處理系統(tǒng)通常由給水泵、保安過濾器、高壓泵、膜殼、反滲透膜元件、水箱、加藥系統(tǒng)等部分組成。給水泵的作用是將原液輸送至反滲透系統(tǒng)；保安過濾器的作用是去除水中大顆粒物避免對(duì)膜的劃傷；高壓泵提供一個(gè)較大的驅(qū)動(dòng)力，幫助水分子克服滲透壓進(jìn)入到淡水側(cè)；加藥系統(tǒng)是通過投加不同藥劑對(duì)反滲透膜元件進(jìn)行保護(hù)，比如投加阻垢劑、還原劑、殺菌劑等；膜殼和膜元件的組合形式?jīng)]有明確的要求和規(guī)定，常見的有以下幾種組合形式：a.多級(jí)串聯(lián)式；b.多段組合式；c.帶有中間升壓泵的多段組合式[3]。實(shí)際工程中，往往一種水質(zhì)可以設(shè)計(jì)出多種不同的組合形式，這時(shí)候就需要根據(jù)膜系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)技術(shù)指標(biāo)來判斷不同組合的優(yōu)劣[4]。

2 項(xiàng)目概況

昆山某顯示器件廠生產(chǎn)的廢水主要包括酸堿廢水、含磷廢水、有機(jī)廢水、含氟廢水。分兩路處置：一路是酸堿廢水和含氟廢水經(jīng)廠內(nèi)廢水預(yù)處理裝置分質(zhì)預(yù)處理后，輸送至園區(qū)污水處理廠集中處理；另一路是含磷廢水和有機(jī)廢水混合后進(jìn)入廠內(nèi)生化系統(tǒng)處理，生化出水再經(jīng)回用水處理系統(tǒng)深度處理，最終的產(chǎn)水送至生產(chǎn)線作為補(bǔ)充水源，殘留廢液進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)結(jié)晶。

回用水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模為122m3/h，進(jìn)水是生化MBR 的產(chǎn)水，產(chǎn)水水質(zhì)如表1 所示。

3 系統(tǒng)參數(shù)與膜殼排布優(yōu)化

3.1 膜元件選擇

反滲透膜元件的選型是根據(jù)進(jìn)水、產(chǎn)水水質(zhì)來確定[5]。首先分析在75%的回收率下，系統(tǒng)結(jié)垢性風(fēng)險(xiǎn)。原水中Ca+、Mg+、SO42-、SiO2等結(jié)垢性離子含量較低，計(jì)算濃水側(cè)硫酸鈣溶度積PCaso4= [4×Ca2-]×[4×SO42-]=4×0.8/ (1000×40）×4×7.06/(1000×96)]=4×(2×10-5)×4×(7.354×10-5)=2.35×10-8＜0.8Kps（經(jīng)查表,10℃時(shí)硫酸鈣溶度積Ksp=6.1×10-5），由此可以判定系統(tǒng)無機(jī)鹽結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)較低[6]。其次考慮應(yīng)用行業(yè),本項(xiàng)目是電子廠污水回用項(xiàng)目，反滲透原水經(jīng)過了生化系統(tǒng)，所以膜系統(tǒng)有機(jī)物造成污堵的風(fēng)險(xiǎn)最大，要優(yōu)先選擇耐污染膜，特別是耐有機(jī)物污染的膜。結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)選擇了美國(guó)陶氏化學(xué)公司的BW30XFR-400/34i 膜元件，這款膜具有高耐用性、高脫除率、高產(chǎn)水量，可有效凈化存在生物污染和有機(jī)污染傾向的用水。

膜元件數(shù)量由膜通量及進(jìn)水水質(zhì)來確定[5],通量的選擇可以基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)、工程經(jīng)驗(yàn)或在膜手冊(cè)推薦值中選取[7]。陶氏膜元件設(shè)計(jì)導(dǎo)則指出在廢水處理領(lǐng)域本款膜元件通量選取范圍為17-24L/m2.h[7]，由此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)通量按17L/m2.h 選取，計(jì)算元件數(shù)量Q=122×1000×75%/（17×37）=145.5 支≈144 支。設(shè)計(jì)時(shí)按兩套系統(tǒng)設(shè)計(jì)，單套系統(tǒng)需膜元件72 支。

3.2 膜元件排布組合及優(yōu)化

膜元件的排列組合是否合理，對(duì)膜元件的使用壽命有著非常重要的影響。若膜組件少了，會(huì)造成單個(gè)膜元件的水通量過大，從而縮短膜元件的使用壽命。如果排列組合不合理，也會(huì)造成局部膜元件產(chǎn)水通量過大，而其它膜元件產(chǎn)水通量又可能太小，不能充分發(fā)揮作用。水通量超過規(guī)定的膜元件污染速度將加快，造成膜元件頻繁清洗，甚至因?yàn)轭l繁清洗而致膜元件損壞，造成經(jīng)濟(jì)損失[3]。本項(xiàng)目反滲透裝置按兩套設(shè)計(jì)，單套處理規(guī)模61m3/h，設(shè)計(jì)進(jìn)水溫度15℃，系統(tǒng)回收率75%。采用陶氏ROSA 軟件對(duì)采用3 芯、4 芯、5 芯、6 芯、7 芯等多種流程長(zhǎng)度；排布按兩段、三段不同組合方式進(jìn)行模擬計(jì)算，提出了20 種組合排布的結(jié)果，具體數(shù)據(jù)見表2。

表1 回用水裝置進(jìn)水水質(zhì)表

3.3 數(shù)據(jù)分析

3.3.1 隨著膜元件串聯(lián)的長(zhǎng)度從6 芯到21 芯，給水壓力也在逐步升高，從最初的平均 9.82bar 逐漸增加到11.29bar。隨著膜元件串聯(lián)長(zhǎng)度增加，原水在膜殼內(nèi)逐漸被濃縮，串聯(lián)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，后端的膜所接觸到的原水含鹽量越高，需要克服的滲透壓也越大，導(dǎo)致給水壓力變大。給水壓力變大，會(huì)導(dǎo)致高壓泵功率變大、能耗增高、膜殼、管道、閥門的耐壓等級(jí)提高，投資成本上升。因此在選擇系統(tǒng)排布組合時(shí)優(yōu)選給水壓力低的組合。

3.3.2 隨著膜元件串聯(lián)流程逐漸變長(zhǎng)，進(jìn)水壓力和濃水壓力差也越大，從平均1.24bar 上升到4.4bar。進(jìn)水和濃水壓差越大，表明膜元件在沿水流方向產(chǎn)生的阻力越大，這個(gè)阻力會(huì)由膜殼內(nèi)相鄰元件的玻璃鋼外包皮承受并依次傳遞。最后一支膜元件受到的力最大，它承受了上游所有元件壓降引起的推力總和。若這個(gè)力超過了其所能承受的最大壓力，膜元件會(huì)在其最薄弱處破裂[7]。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，段間壓差控制在0.7-1.5bar為佳，最大不能超過3.4bar。因此在選擇系統(tǒng)排布組合時(shí)應(yīng)優(yōu)選段間壓差小的組合。

3.3.3 隨著膜元件串聯(lián)流程逐漸變長(zhǎng)，段通量比越來越大，從平均1.08 逐漸增長(zhǎng)至1.44,如圖1。

表2 二十種組合排布下的反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

圖1 膜元件串聯(lián)長(zhǎng)度與段通量比關(guān)系圖

段通量比變大，這表明隨著膜元件串聯(lián)長(zhǎng)度增加，每段膜殼產(chǎn)水量差異變大。段通量比越大，產(chǎn)水量之比越大。這樣的設(shè)計(jì)會(huì)使系統(tǒng)第一段內(nèi)的膜元件過度使用，而第二、第三段內(nèi)的膜元件無法發(fā)揮自身正常的產(chǎn)水能力，極容易造成第一段膜元件污堵頻繁，系統(tǒng)難以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定運(yùn)行。因此在選擇系統(tǒng)排布組合時(shí)應(yīng)優(yōu)選段通量比接近1 的排列組合。通量比接近1 代表系統(tǒng)內(nèi)每支膜的產(chǎn)水通量基本一致，每支膜都能發(fā)揮自身作用，在抗污堵性上也大大優(yōu)于段通比差異大的組合。

3.3.4 隨著膜元件串聯(lián)流程逐漸變長(zhǎng)，系統(tǒng)脫鹽率逐漸升高，從平均95.938%逐漸上升至97.359%，如圖2。

圖2 膜元件串聯(lián)長(zhǎng)度與脫鹽率關(guān)系圖

從前文的分析可知，隨著膜串聯(lián)長(zhǎng)度增加進(jìn)水壓力會(huì)上升。壓力上升會(huì)導(dǎo)致克服滲透壓后的凈滲透推動(dòng)力升高，從而產(chǎn)水量也會(huì)加大。同時(shí)鹽的滲透只與膜正反兩側(cè)鹽分的濃度差成正比，而與給水壓力無關(guān)[7]。增加的產(chǎn)水稀釋了透過膜的鹽分，降低了透鹽率，提高脫鹽率。因此在選擇系統(tǒng)排布組合時(shí)優(yōu)選脫鹽率高的組合。項(xiàng)目中由于進(jìn)水TDS 只有340mg/L，脫鹽率從95.938%升至97.359%，產(chǎn)水中的鹽分只增加了4.8mg/L，對(duì)水質(zhì)的影響微乎其微。因此在選擇膜元件排列方式時(shí)，脫鹽率技術(shù)指標(biāo)不作為重點(diǎn)考慮的因素。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案最終選擇了4 芯裝膜殼，2 段排列，11：7 的排布方式。設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：膜串聯(lián)長(zhǎng)度只有8 支，膜殼流程長(zhǎng)度較短，有機(jī)物積累到末端膜元件的濃度相對(duì)較低，對(duì)后端膜元件的污染小，也更容易進(jìn)行化學(xué)清洗；其次段通量比為1.10，系統(tǒng)配水均勻每支膜的產(chǎn)水量接近，對(duì)提高膜系統(tǒng)的使用壽命有很大的優(yōu)勢(shì)；第三，段間壓差小，保障了膜元件使用壽命和使用安全性；第四，膜元件串聯(lián)長(zhǎng)度短，進(jìn)水壓力低，購(gòu)買系統(tǒng)配套的高壓泵等外部設(shè)備成本也有一定的節(jié)約。

工程設(shè)計(jì)中，面對(duì)同一種水質(zhì)，膜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案可以有很多種選擇，必須從多角度衡量和比選，根據(jù)膜系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)劣確定最佳的膜元件排列方式。