納濾膜在給水中污染分析及清洗研究

蘇宇航， 李新濤， 尹立娜， 郭莎莎

(北京碧水源膜科技有限公司，北京 101407)

1 某自來(lái)水廠項(xiàng)目跟蹤

1.1 背景介紹

1.1.1 項(xiàng)目背景

碧水源自2016年中標(biāo)福建省某自來(lái)水廠技改工程，歷經(jīng)近一年的廠地建設(shè)，DF膜組器安裝調(diào)試和配套設(shè)施落位，于2017年底建成供水規(guī)模4 萬(wàn)t/d的超低壓納濾水處理工程，并正式開(kāi)車(chē)運(yùn)行。

1.1.2 工程背景

本工程水源水為當(dāng)?shù)叵O(shè)計(jì)出水水質(zhì)達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB5749-2006 水質(zhì)要求。雖然水源水質(zhì)已出現(xiàn)鐵、錳、總氮、硝酸鹽氮、糞大腸菌群、鉈等眾多指標(biāo)超標(biāo)，但是水源經(jīng)過(guò)凈水廠原有常規(guī)處理工藝后，水廠出水僅硝酸鹽氮指標(biāo)超標(biāo)。相應(yīng)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 供水廠連續(xù)一年硝酸鹽數(shù)據(jù)

因此，本次技改工程主要任務(wù)是解決硝酸鹽指標(biāo)超標(biāo)問(wèn)題，同時(shí)在處理工藝選擇時(shí)，還應(yīng)充分考慮花山溪水源水質(zhì)短期內(nèi)還存在持續(xù)惡化的風(fēng)險(xiǎn)，宜選擇對(duì)出水水質(zhì)保障率較高的處理工藝。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)水規(guī)模4.254 萬(wàn)m3/d，產(chǎn)水規(guī)模為4 萬(wàn)m3/d，濃水量0.25 萬(wàn)m3/d。

1.1.3 水廠背景

自來(lái)水廠制水工藝為最常見(jiàn)的混凝-沉淀-砂濾老三段工藝。詳細(xì)工藝流程和參數(shù)如下：花山溪河水→折板、渦流絮凝(PAC投加有效濃度1.2 mg/L～2.4 mg/L，以Al2O3計(jì))→斜管沉淀池(T≈70 min)→無(wú)閥砂濾池(濾料d=0.7 mm～1 mm,石英砂)→保安過(guò)濾器→DF膜組器。由于在線儀表的缺失和操作工人的散漫導(dǎo)致沉淀池和砂濾池出水水質(zhì)存在較大的波動(dòng)現(xiàn)象。

1.2 項(xiàng)目運(yùn)行情況

1.2.1 DF膜組器運(yùn)行情況

DF膜組器自2017年12月底運(yùn)行以來(lái)，由于特殊原因，采用啟2備3的運(yùn)行模式且2級(jí)組器未運(yùn)轉(zhuǎn)，5組膜組器的污染速率與進(jìn)水SDI呈直接關(guān)系，且隨著污染物的累積，污染速率呈增快趨勢(shì)。數(shù)據(jù)整理第223頁(yè)圖1和表2。

1.2.2 工程膜元件離線和在線清洗

針對(duì)DF工程前期2018年2月(HCl酸洗)和2018年3月(NaOH堿洗)兩次化學(xué)清洗恢復(fù)效果較差，因此取項(xiàng)目1#組器極端位置第1段第1支和第2段最后1支運(yùn)回膜廠進(jìn)行清洗和污染分析，判斷污染情況和優(yōu)化清洗方式，并對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)在線洗膜作出指導(dǎo)。表3、表4為離線清洗數(shù)據(jù)。

圖1 DF膜污染速率圖

表2 膜組污染速率表

表3 污染膜清洗數(shù)據(jù)表1

表4 污染膜清洗數(shù)據(jù)表2

1) 通過(guò)常規(guī)酸堿清洗方式，溫度30 ℃左右，清洗后第1段第1支ULP膜性能達(dá)到脫鹽率98.7%，產(chǎn)水量10 199 GPD(25 ℃)，第2段最后1支性能達(dá)到脫鹽率94.1%，產(chǎn)水量6 530 GPD (25 ℃)。通過(guò)堿+EDTA-4Na深度清洗后，第1段第1支ULP膜性能達(dá)到脫鹽率99.2%，產(chǎn)水量10 569 GPD(25 ℃)，第2段最后1支性能達(dá)到脫鹽率96.5%，產(chǎn)水量6 638 GPD (25 ℃)。產(chǎn)水量恢復(fù)至該支膜出廠測(cè)試值的94.1%和82%。[ULP：11 228 GPD (25 ℃)；DF90：8 100 GPD (25 ℃)]。

2) 隨后再次采用PWT專(zhuān)用清洗藥劑深度清洗，幾乎無(wú)效果。

3) 優(yōu)化后工程現(xiàn)場(chǎng)在線清洗方法為：堿洗(1%EDTA+0.1%NaOH)循環(huán)4 h浸泡12 h循環(huán)4 h；酸洗(2%檸檬酸)循環(huán)4h浸泡12 h循環(huán)4 h。

隨后對(duì)洗脫液進(jìn)行分析如下：

1) 通過(guò)對(duì)洗脫液的SS、濁度、粒度分布、ICP和TOC測(cè)試，結(jié)果(見(jiàn)表5)表明，第1段第1支ULP膜主要為有機(jī)物和膠體顆粒物的復(fù)合污染，第2段最后1支DF90膜主要是有機(jī)污染和輕微的無(wú)機(jī)污染，其中含有碳酸鈣垢和硅類(lèi)垢。

2) 對(duì)于ULP膜元件，堿的洗脫液中TOC、濁度、SS均有很高濃度，說(shuō)明該支膜元件以膠體顆粒物和有機(jī)物的復(fù)合污染為主。如第224頁(yè)表6可知，堿洗脫液的粒徑較大，平均粒徑為74.5 μm；含量較高的無(wú)機(jī)元素Al、Si、Ca多以膠體吸附和有機(jī)物鰲合形式存在于污染物中，少量Ca形成了無(wú)機(jī)鹽垢。

表5 污染膜洗脫液數(shù)據(jù)表

表6 污染膜洗脫液粒徑

對(duì)于DF90膜元件，堿的洗脫液中TOC濃度較高基本與ULP膜持平，酸的洗脫液中也有一定含量的Ca元素，說(shuō)明該支膜元件主要以有機(jī)污染為主，同時(shí)伴有輕微的無(wú)機(jī)垢污染。至于DF90膜產(chǎn)水量恢復(fù)情況欠佳可能是由于納濾膜初始性能測(cè)試中新膜的孔徑較大，而在隨后長(zhǎng)時(shí)間工程運(yùn)行中逐漸壓密，導(dǎo)致產(chǎn)水量有一定幅度的下降。

以離線清洗工藝和數(shù)據(jù)為依據(jù)，制定工程現(xiàn)場(chǎng)在線清洗方案并實(shí)施，清洗結(jié)果如表7。

由表7可知，對(duì)比2#和4#，適當(dāng)延長(zhǎng)循環(huán)和浸泡時(shí)間可增大標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量的恢復(fù)量，但對(duì)脫鹽率恢復(fù)貢獻(xiàn)不大；

表7 清洗工藝表和恢復(fù)率

對(duì)比2#和3#，碧水源的ULP膜和東麗ULP膜運(yùn)行和清洗恢復(fù)情況相當(dāng)；(3#一段為東麗ULP膜)且酸堿順序?qū)偦謴?fù)率影響不大。

1.3 小結(jié)

工程中遇到的問(wèn)題主要有兩方面：

1) 無(wú)閥濾池產(chǎn)水(即DF車(chē)間進(jìn)水)波動(dòng)性太大，出水濁度在0.1 NTU～1.5 NTU之間，SDI在2～6.67，其中有大約70%的時(shí)間在5以上，導(dǎo)致后續(xù)保安過(guò)濾器堵塞速度過(guò)快，增加了設(shè)備和人工成本。

2) 放寬DF進(jìn)水條件后，DF膜校正比通量衰減速度較快，以膜比通量下降15%為界限，平均清洗周期約為50 d，且清洗恢復(fù)性能較差(標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量恢復(fù)約90%，透鹽率上漲約3%左右)。以清洗周期50 d，標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)水量下降30%計(jì)，膜使用壽命約為180 d。

2 工程問(wèn)題原因分析

2.1 無(wú)閥濾池水質(zhì)波動(dòng)原因分析

連續(xù)半個(gè)月每日監(jiān)測(cè)無(wú)閥濾池出水SDI和濁度，并記錄當(dāng)日測(cè)試天氣，具體結(jié)果如圖2。

隨后將晴天和雨天的無(wú)閥濾池出水測(cè)試顆粒計(jì)數(shù)，對(duì)比其粒徑分布結(jié)果如圖3。

圖2 SDI值監(jiān)測(cè)圖

由圖2可知，砂濾池出水水質(zhì)波動(dòng)和天氣有著非常直接的關(guān)系。晴天時(shí)，砂濾出水濁度在0.1 NTU～0.2 NTU，SDI介于3～5之間。而雨天時(shí)尤其是長(zhǎng)時(shí)間大雨后，砂濾池出水濁度迅速上升，最高可超過(guò)1 NTU，SDI也多呈測(cè)不出狀態(tài)。分析其粒徑和數(shù)量，其原因是顆?？倲?shù)成倍增長(zhǎng)，以及大尺寸顆粒的出現(xiàn)。面臨高濁度的原水，絮凝劑投量的精確控制是重中之重。

圖3 晴雨天顆粒計(jì)數(shù)圖

2.2 保安過(guò)濾器PP棉污染物分析

由于PP棉堵塞速度過(guò)快，因此需要將污染成分進(jìn)行深入分析，具體研究方法為：通過(guò)保安過(guò)濾器的進(jìn)出水水質(zhì)和PP棉的清洗液水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)污染進(jìn)行定量分析；通過(guò)SEM和EDS對(duì)污染物進(jìn)行形貌和元素定性分析。具體數(shù)據(jù)如表8、表9。

表8 保安過(guò)濾器進(jìn)出水水質(zhì)表

表9 PP棉洗脫液數(shù)據(jù)

由圖4可知，基于對(duì)污染物清洗數(shù)據(jù)分析，采用草酸+NaOH這種清洗方式，無(wú)機(jī)污染物主要成分有Al、Si、Fe等膠體和顆粒物。通過(guò)SEM分析，PP棉上污染程度較重，污染物附著層較厚，污染物形態(tài)主要為片狀或鱗狀。基于對(duì)污染物的EDS能譜分析：污染物中的無(wú)機(jī)成分含量較高的元素為Al、Si、Fe，其含量占所有無(wú)機(jī)污染物的92.1%?；趯?duì)進(jìn)廠水和保安過(guò)濾器進(jìn)出水水質(zhì)分析，推測(cè)Al、Si、Fe等膠體和顆粒物來(lái)源為絮凝劑PAC的殘留物、原水中的泥沙、管道腐蝕物等。

圖4 PP棉污染物EDS能譜分析