管式超濾膜在反滲透濃水處理中的應(yīng)用

陶正興 (中電環(huán)保股份有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

隨著環(huán)保政策的收緊，廢水排放要求越來越高，對于反滲透濃水處理要求較高，反滲透濃水由于具有高TDS、高懸浮物、高COD等特性，逐漸成為水處理的難點。反滲透濃水處理中預(yù)處理好壞直接影響后端系統(tǒng)的運行。

近年來管式超濾膜由于其獨特的優(yōu)勢，在反滲透濃水預(yù)處理中逐漸應(yīng)用起來，其優(yōu)勢主要在于：(1)可同時除去鈣、鎂、鋇、鍶等所有二價陽離子和二氧化硅，基本完全消除針對RO或蒸發(fā)器系統(tǒng)的無機致垢成分；(2)不需沉淀和預(yù)過濾，可直接進行過濾實現(xiàn)固體顆粒和液體的分離，水中污染物不需要沉淀就能有效去除；(3)可在高pH條件下持續(xù)運行(pH大于10)，因此更能保證有效去除鈣鎂硅沉淀，和鍶、鋇等有結(jié)垢傾向的離子成分；(4)采用大流量錯流過濾，水流切向高速流過膜表面，在過濾的同時還有沖刷清潔膜表面的作用，污染物不易累積，膜面不易污染；(5)產(chǎn)水濁度<1 NTU，可以有效保護反滲透。

文章通過對某廢水處理系統(tǒng)中管式超濾膜的工程設(shè)計和運行數(shù)據(jù)進行分析，為工程后續(xù)的運行提供理論依據(jù)，為以后的工程設(shè)計提供基本參數(shù)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本項目進水水源為反滲透濃水，反滲透處理原水為經(jīng)過BAF生物濾池和石灰軟化澄清池處理后的循環(huán)水站排污和脫鹽水站濃排水等綜合廢水。

1.2 工藝流程

本項目反滲透濃水要求零排放，從反滲透濃水水質(zhì)可知，如表1所示。水質(zhì)中鈣鎂硬度較高，COD較高，懸浮物較高，水質(zhì)較差，考慮系統(tǒng)占地緊張，結(jié)合后端進水水質(zhì)要求，為確保系統(tǒng)能更安全穩(wěn)定運行，前段考慮設(shè)置管式超濾膜，整個系統(tǒng)采用“管式超濾膜+濃水反滲透+高壓反滲透+蒸發(fā)結(jié)晶”流程，后端反滲透系統(tǒng)運行的好壞很大程度上取決于管式超濾膜的設(shè)計和運行好壞。

表1 設(shè)計進水水質(zhì)

1.3 管式超濾膜系統(tǒng)設(shè)計

管式超濾膜系統(tǒng)由沉淀池、管式超濾膜、清洗系統(tǒng)和其他配套設(shè)備組成。(1)沉淀池。沉淀池設(shè)置在管式超濾膜前段，可接收不斷被管式膜濃縮的污水，保持污泥濃度達到最佳狀態(tài)。通過在沉淀池里面加PAM、PAC、純堿和NaOH藥劑，對來水中硬度和懸浮物進行一定的去除。沉淀池主要尺寸為16.8 ×8.4 ×6.4 m，池體設(shè)置攪拌機、刮泥機和排泥泵。沉淀池到管式膜之間設(shè)置循環(huán)泵，將污泥進行循環(huán)，保持管式超濾膜表面流速，維持一定的沖刷力度，可以確保管式膜能穩(wěn)定運行。循環(huán)泵設(shè)置變頻控制。循環(huán)泵的流量為240 m3/h，揚程為0.7 MPa；(2)管式超濾膜。管式超濾膜是整個系統(tǒng)的重要部分。它主要用于去除水質(zhì)中懸浮物、部分鈣鎂硬度等，確保后端反滲透膜系統(tǒng)進水水質(zhì)，確保整個工藝能穩(wěn)定、可靠、安全的運行。本系統(tǒng)共設(shè)置2套，單套產(chǎn)水量為60 m3/h。管式膜，采用特里高管式膜，膜材質(zhì)為PVDF，單支膜面積為67.3 m2，每列管式超濾膜裝置由6支膜串聯(lián)組成。膜表面循環(huán)流速為3～5 m/s。系統(tǒng)采用湍流錯流的運行方式，設(shè)計通量為150 L/m2h；(3)清洗系統(tǒng)。本系統(tǒng)考慮采用次氯酸鈉對膜進行清洗，設(shè)置清洗箱和清洗泵各1臺。清洗箱容積為5 m3；清水泵的流量為160 m3/h，揚程為0.35 MPa。清洗周期≥1個月。當(dāng)運行壓差超過壓差值或者產(chǎn)水量下降時，系統(tǒng)要進行清洗。系統(tǒng)沖洗采用反滲透產(chǎn)水，通過對管式超濾膜產(chǎn)水端進行沖洗。

2 結(jié)果

2.1 管式超濾膜運行壓差隨時間變化

如圖2所示。管式超濾膜運行壓差是一個動態(tài)變化過程，運行壓差維持在400～500 kPa，這和來水水質(zhì)、清洗頻率和管式膜自身結(jié)構(gòu)等均有關(guān)系。管式超濾膜采用錯流式過濾，而且高流速水流(錯流流速3～5 m/s)，流體呈現(xiàn)湍流的形態(tài)，對膜表面進行一定的沖刷，污染物很難在膜表面停留。即使運行一段時間后污染物附著在膜表面，可以通過反沖洗而脫落。這也是膜運行壓差運行穩(wěn)定的原因之一。雖然管式超濾有耐受高濃度懸浮物進水的特點，但根據(jù)工程經(jīng)驗，為了減少膜的清洗頻率，需要控制進水的濁度。如果壓差過大就需要考慮化學(xué)清洗?；瘜W(xué)清洗一般以列為單位清洗，也就是一列一列的清洗，單列清洗能夠保證系統(tǒng)清洗的比較徹底，而且必須要清洗徹底。如果每次清洗都不徹底，那么污垢就會越積越多，越來越頑強，長期下去會使膜的通量越來越低，到最后就很難清洗干凈，即使要清洗干凈，也需要花費大量的藥劑和時間。根據(jù)污染物質(zhì)選取清洗藥劑，對于碳酸鈣、鐵鹽、無機膠體，以及硫酸鋇/硫酸鈣等難溶性無機鹽等，一般采用專用的清洗劑或 pH=2～3 的鹽酸、檸檬酸、草酸等溶液；對于脂肪、腐殖酸、有機物、膠體等，一般采用專用清洗劑或 pH=11～12的NaOH溶液；對于蛋白質(zhì)、多糖、油脂、淀粉等，一般采用0.5%～1.5%的蛋白酶、淀粉酶等；對于細菌、病毒等，一般采用1%左右的雙氧水或 200～500 mg/L 的次氯酸鈉溶液。

圖2 管式超濾膜運行壓差隨時間變化

2.2 管式超濾膜產(chǎn)水水質(zhì)隨時間變化

如圖3所示。管式超濾膜產(chǎn)水COD維持在40 mg/L左右，COD去除率約41%，總硬度維持110 mg/L左右，產(chǎn)水水質(zhì)基本穩(wěn)定可靠，運行狀況良好，滿足反滲透進水水質(zhì)要求，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖3 管式超濾膜產(chǎn)水水質(zhì)隨時間變化

從運行情況來看，當(dāng)進水水質(zhì)有些波動時，管式超濾膜的產(chǎn)水水質(zhì)基本穩(wěn)定，膜可以耐較強的水質(zhì)波動沖擊能力。管式膜的耐污染性能與自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，該膜被澆鑄在多孔材料管的內(nèi)部。管式膜的流道寬，能耐受更高的污染物。含被過濾物質(zhì)(固體)的水流透過膜后，透過多孔支撐材料，進入產(chǎn)水側(cè)(水被凈化)，被膜截留的固體顆粒在水流的推動下，不會停留在膜的表面，而是在膜表面起到一定的沖刷作用，避免污染物在膜表面停留。與普通的中空纖維超濾不同，管式膜可以承受很高的污泥濃度 2%～5%，也可以耐受較高的pH值。在高pH下，一般在12左右，對鎂的去除效果最佳。

3 討論

通過本系統(tǒng)運行情況可知，管式超濾膜在后續(xù)設(shè)計和運行時重點需要考慮以下因素。(1)膜通量的選取很關(guān)鍵。通量選取和進水水質(zhì)有關(guān)。水質(zhì)中鹽含量越高，滲透壓越高，作用在膜表面的有效驅(qū)動力就越小，膜通量會降低；當(dāng)鹽含量大時，濃差極化效應(yīng)越顯著，鹽截留率就越低［1-2］。進水中COD含量，尤其有機物含量不能太高，有機物能形成凝膠層附著在膜表面，是影響膜通量，導(dǎo)致膜運行效果差的重要影響因素。因此，當(dāng)COD高時，為保證系統(tǒng)更好運行，建議適當(dāng)降低膜通量；(2)膜表面流速。系統(tǒng)運行中膜面流速一般控制在3.0～5.0 m/s。膜面流速直接影響流體的湍流狀態(tài)，提高膜表面湍流程度，可抑制膜表面濃差極化層形成，進而減緩膜污染。膜面流速直接影響膜面水力狀況，可減緩膜表面濾餅層形成，進而影響膜污染過程。［1-3］因此，循環(huán)泵的流量選擇尤為重要，通過變頻調(diào)節(jié)循環(huán)泵流量來調(diào)節(jié)膜表面流速；(3)膜清洗系統(tǒng)。根據(jù)運行情況設(shè)置好清洗時間和頻率，以及合適的清洗液尤為關(guān)鍵。當(dāng)發(fā)生以下情況需要考慮清洗：一般 1～3 個月建議清洗一次；根據(jù)來水情況，系統(tǒng)停機超過 3 天以上，必須進行化學(xué)清洗；在系統(tǒng)初次運行前采用水沖洗；當(dāng)膜系統(tǒng)處理能力達不到設(shè)計或運行要求時；膜通量比正常通量下降 20%或膜的壓力降比正常高 10%，必需進行化學(xué)清洗；為了定性的評估效果，不同清洗藥液清洗后的出水通量必須記錄，并在使用中進行清洗效果對比。

4 結(jié)語

(1)管式超濾膜運行壓差、產(chǎn)水水質(zhì)與進水水質(zhì)、清洗頻率和管式膜自身結(jié)構(gòu)等均有關(guān)系。膜通量、表面流速和清洗系統(tǒng)的設(shè)計至關(guān)重要；(2)管式超濾膜具有寬流道，高耐污染性，通量大等優(yōu)勢，逐漸替代常見沉淀及過濾處理設(shè)施，減少處理環(huán)節(jié)，節(jié)省占地，在水質(zhì)較差的反滲透濃水處理中應(yīng)用良好；(3)系統(tǒng)采用管式超濾膜，可以軟化鈣鎂離子，耐受很高的污泥濃度和抗水質(zhì)沖擊等特點，產(chǎn)水水質(zhì)好，可以有效的保護反滲透，確保了系統(tǒng)的運行良好。