全膜法水處理技術(shù)是將微濾、超濾、反滲透(RO) 和電去離子(EDI) 等各種膜分離技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用于工業(yè)水處理，達(dá)到去除污染物和脫鹽的目的［1］。傳統(tǒng)的離子交換除鹽工藝樹(shù)脂再生需消耗大量的酸堿，酸堿廢液污染環(huán)境，而全膜法水處理無(wú)需酸堿、產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定、節(jié)約占地、自動(dòng)化程度高。文章以某化工廠除鹽工藝為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套全膜法水處理工藝，旨在為全膜法的工藝設(shè)計(jì)起到一定的借鑒與完善作用。
1 工程概況
某工程擬建設(shè)脫鹽水站為其高溫、高壓鍋爐及工藝裝置提供補(bǔ)充水。該項(xiàng)目廠址位于瑪納斯縣塔河工業(yè)園區(qū)內(nèi)，當(dāng)?shù)囟竞?，夏季酷熱。根?jù)全廠蒸汽平衡圖計(jì)算出全廠脫鹽水使用情況，結(jié)合正常運(yùn)行模式確定脫鹽水制備系統(tǒng)按260t/h 規(guī)模設(shè)計(jì)。
2 系統(tǒng)概況
2．1 設(shè)計(jì)思路
本工程原水水源采用瑪納斯縣塔西河水，從水質(zhì)報(bào)告上看該工程原水水質(zhì)良好，但原水為地表水，新疆夏季雨水較多，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮洪水期濁度異常與涸水期鹽份增加的水質(zhì)變化。為保證EDI嚴(yán)格的進(jìn)水要求，本系統(tǒng)選擇自清洗過(guò)濾器和超濾裝置組成預(yù)處理單元，兩級(jí)反滲透裝置作為EDI 的預(yù)脫鹽工序，用反滲透除去95% 以上的鹽分，降低EDI 裝置進(jìn)水硬度，有效防止EDI 膜濃水室和極水室結(jié)垢，有利于EDI 裝置長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。用EDI 進(jìn)行深度脫鹽，實(shí)現(xiàn)水的高純度化。同時(shí)考慮到冬季氣候寒冷，原水水溫低，在自清洗過(guò)濾器前增加原水換熱器，使水溫穩(wěn)定在40 ℃左右。水溫增加可提高超濾、反滲透的產(chǎn)水量，降低運(yùn)行能耗。
2．2 工藝流程
原水→800 m3原水罐→原水加壓泵(變頻) →原水換熱器(蒸汽型) →2×230t/h 自清洗過(guò)濾器→2×200t/h 超濾裝置→500 m3超濾產(chǎn)水罐→一級(jí)反滲透(RO) 增壓泵→一級(jí)RO 保安過(guò)濾器→一級(jí)RO高壓泵(變頻) →2×160t/h 一級(jí)反滲透裝置→500m3一級(jí)RO 產(chǎn)水罐→二級(jí)RO 增壓泵→二級(jí)RO 保安過(guò)濾器→二級(jí)RO 高壓泵(變頻) →2×145t/h 二級(jí)反滲透裝置→500 m3二級(jí)RO 產(chǎn)水罐→EDI 給水泵(變頻) →EDI 保安過(guò)濾器→2×130t/h EDI 裝置→2×1 000 m3 脫鹽水罐→除鹽水泵→除鹽水補(bǔ)水母管。
系統(tǒng)還包括: 加藥系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、化學(xué)清洗系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。
3 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)
3．1 超濾系統(tǒng)
超濾是以壓力為推動(dòng)力，利用超濾膜不同孔徑對(duì)液體進(jìn)行分離的物理篩分過(guò)程，能有效地去除水中的懸浮物、微粒、膠體、大分子有機(jī)物和細(xì)菌等，為下游反滲透膜提供最大限度的保護(hù)。超濾系統(tǒng)包括超濾裝置及其常規(guī)反洗和化學(xué)清洗裝置。
本工程設(shè)置2 套超濾裝置，采用立式結(jié)構(gòu)。膜元件的設(shè)計(jì)通量為57．1 L/m2·h。超濾膜采用聚偏氟乙烯(PVDF) 材質(zhì)，具有高強(qiáng)度和良好的抗化學(xué)腐蝕能力，可延長(zhǎng)膜的使用壽命。每套超濾系統(tǒng)采用70 支日本旭化成UNA-620A 膜組件，該膜組件由中空纖維膜絲外表面供水，通過(guò)過(guò)濾側(cè)減壓實(shí)現(xiàn)外壓式抽吸全量過(guò)濾，跨膜壓差(TMP) 將隨運(yùn)行時(shí)間逐漸增加［2］。外壓式膜組件的膜絲流道較小，不宜采用大流量的反洗方式，因此本系統(tǒng)增設(shè)空氣擦洗功能，在氣體作用下，混合流體在膜表面產(chǎn)生激烈的攪拌作用，具有較好的去污效果。在超濾反洗水中根據(jù)水質(zhì)情況酌情加入殺菌劑(次氯酸鈉) 、酸或堿以保持膜元件表面清潔。
超濾產(chǎn)水管上設(shè)污染指數(shù)(SDI) 檢測(cè)口，當(dāng)SDI＞ 5 時(shí)，屬高污染水，不得進(jìn)入反滲透系統(tǒng)。原水加壓泵、超濾反洗水泵均為變頻泵。原水加壓泵出口設(shè)電動(dòng)慢開(kāi)門(mén)，以減緩泵啟動(dòng)時(shí)對(duì)膜絲的瞬間大流量沖擊，防止斷絲。
3．2 反滲透系統(tǒng)
3．2．1 反滲透裝置
本工程設(shè)置2 套一級(jí)反滲透裝置，選用FILMTEC BW30-400/34i 普通膜元件，396 支，回收率為75%。進(jìn)水中游離氯或其他氧化劑會(huì)對(duì)膜元件造成嚴(yán)重破壞，故在一級(jí)反滲透進(jìn)水管加裝氧化還原表(ORP)，控制水中游離氯＜ 0．1 mg/L。這樣反滲透膜既不被氧化，同時(shí)因?yàn)橛嗦鹊拇嬖谟譄o(wú)微生物滋生。在工藝上采用還原劑NaHSO3消除水中余氯，通過(guò)加藥裝置控制加藥量。
設(shè)置2 套二級(jí)反滲透裝置，選用FILMTECLE440i 超低壓膜元件，204 支，回收率為90%。二級(jí)RO 進(jìn)水管設(shè)自動(dòng)加堿設(shè)施，將pH 調(diào)至7．5 ～ 8的弱堿性，消除CO2對(duì)EDI 裝置的影響。二級(jí)RO濃水水質(zhì)比超濾產(chǎn)水水質(zhì)還好，回收至超濾產(chǎn)水罐。
上述反滲透裝置均采用一級(jí)二段式，每套裝置都能單獨(dú)運(yùn)行，也可同時(shí)運(yùn)行。每套反滲透裝置產(chǎn)品水和濃水管道各自獨(dú)立，互不影響，避免產(chǎn)生背壓，破壞膜元件; 膜的水通量是膜元件的重要指標(biāo)，膜的污染速度隨水通量遞增。在所提供的水質(zhì)情況下，一級(jí)反滲透膜元件設(shè)計(jì)水通量為22 L/m2·h，二級(jí)反滲透膜元件設(shè)計(jì)水通量為36 L/m2·h。反滲透濃水排水裝設(shè)流量控制閥，以控制水的回收率。濃水排放管采用倒U 形設(shè)計(jì)，且排放口高于最高一層膜組件，避免膜元件承受反壓。
3．2．2 保安過(guò)濾器
每套反滲透前設(shè)置一臺(tái)過(guò)濾精度為5 μm 的保安過(guò)濾器，以確保超濾水罐或管道上大于5 μm 的污染物全部去除。保安過(guò)濾器中的濾元為可更換卡式濾棒，當(dāng)過(guò)濾器進(jìn)出口壓差大于設(shè)定值時(shí)，進(jìn)行更換。濾芯采用大通量濾芯，流量不超過(guò)40t/h。
3．2．3 高壓泵
高壓泵的作用是為反滲透本體裝置提供足夠的進(jìn)水壓力，保證反滲透膜的正常運(yùn)行。高壓泵出口均裝設(shè)電動(dòng)慢開(kāi)門(mén)，防止反滲透膜組件受高壓水的沖擊。
3．3 EDI 裝置
電去離子過(guò)程(Electrodeionization，縮寫(xiě)為EDI)，將電滲析和離子交換有機(jī)地結(jié)合成一體，混床樹(shù)脂填充于離子交換膜之間并在直流電場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)連續(xù)除鹽的新型水處理技術(shù)［3］。
本工程設(shè)置2 套EDI 裝置，每套EDI 裝置前設(shè)保安過(guò)濾器，采用大通量濾芯，過(guò)濾精度1 μm。膜元件選用GE E-cell 3X 原裝進(jìn)口產(chǎn)品，每個(gè)模塊出力為5t/h。E-Cell-3X 在濃水室添加離子交換樹(shù)脂，無(wú)需向濃水室加鹽，無(wú)需濃水循環(huán)，降低了模塊的運(yùn)行電壓。模塊與整流器一對(duì)一配置。水進(jìn)口裝設(shè)壓力調(diào)節(jié)閥，確保濃水進(jìn)口壓力比淡水出口壓力至少低0．035 MPa。進(jìn)水離子濃度低會(huì)使EDI 淡水室中的樹(shù)脂和膜的表面上形成的電動(dòng)勢(shì)梯度增大，導(dǎo)致水的電離程度增強(qiáng)，從而使填充在淡水室的陰、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂再生效果好，因此在EDI 進(jìn)水母管設(shè)電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x，使EDI 進(jìn)水電導(dǎo)率控制在≤40 μS/cm。濃水排水裝設(shè)流量控制閥，以控制水的回收率。EDI 給水泵為變頻泵，出口設(shè)電動(dòng)慢開(kāi)門(mén)。EDI 濃水回收至超濾產(chǎn)水罐，不合格水送至二級(jí)反滲透的產(chǎn)水罐。
3．4 主要設(shè)備控制方式
3．4．1 超濾控制
超濾單元操作的運(yùn)行、反洗由PLC 自動(dòng)控制完成。通過(guò)二次儀表將各個(gè)機(jī)組的進(jìn)水水量、產(chǎn)水水量及進(jìn)出水壓力傳輸至中央控制系統(tǒng)以便在控制室內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控，了解超濾的運(yùn)行狀況。進(jìn)水壓力的控制通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)，維持系統(tǒng)運(yùn)行壓力的穩(wěn)定。2套超濾設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置2 臺(tái)就地操作盤(pán)，對(duì)超濾可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/手動(dòng)操作切換。
3．4．2 反滲透單元控制
4 套反滲透裝置設(shè)置了4 臺(tái)就地操作控制盤(pán)，在就地儀表上可讀出每臺(tái)反滲透裝置的有關(guān)運(yùn)行參數(shù)(如進(jìn)/產(chǎn)水流量、進(jìn)/產(chǎn)水電導(dǎo)率、運(yùn)行壓力、進(jìn)水pH 值等) 。在就地控制盤(pán)上可實(shí)現(xiàn)裝置的操作。同時(shí)將上述參數(shù)經(jīng)二次儀表上傳至中央計(jì)算機(jī)，在控制室內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控，了解反滲透系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。
系統(tǒng)泵的出口裝有壓力傳感器，當(dāng)供水不足，水壓過(guò)低，會(huì)自動(dòng)發(fā)出停機(jī)信號(hào)，使水泵停止運(yùn)行; 當(dāng)由于某種原因造成高壓泵出口壓力過(guò)高時(shí)，高壓開(kāi)關(guān)可自動(dòng)切斷高壓泵的供電，保護(hù)系統(tǒng)不超壓運(yùn)行。
高壓泵裝有變頻器，由PLC 控制高壓泵緩慢開(kāi)啟，使膜元件逐步受壓，防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生，以保護(hù)系統(tǒng)的安全。
當(dāng)反滲透裝置停機(jī)時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)水閥門(mén)，啟動(dòng)反滲透沖洗泵，打開(kāi)沖洗進(jìn)水、濃水排放和產(chǎn)水自控閥，利用中間水箱的反滲透產(chǎn)水沖洗膜表面的沉積物，以防止其影響膜的性能，沖洗時(shí)間約為20 min。
3．4．3 EDI 單元控制
2 套EDI 裝置設(shè)置了2 臺(tái)就地操作控制盤(pán)，在就地儀表上可讀出每臺(tái)EDI 裝置的有關(guān)運(yùn)行參數(shù)(如產(chǎn)/濃水流量、產(chǎn)水電阻率、進(jìn)水壓力) 。在就地控制盤(pán)上可實(shí)現(xiàn)裝置的操作。同時(shí)將上述參數(shù)經(jīng)二次儀表上傳至中央計(jì)算機(jī)，以便在控制室內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控，了解EDI 系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。EDI 必須在有水流過(guò)，且流量高于最低值時(shí)才能通電; 開(kāi)機(jī)時(shí)，先通水后通電; 關(guān)機(jī)時(shí)，先斷電后斷水。
4 全膜法與離子交換法的比較
除鹽水處理基本工藝為: “預(yù)處理+ 一級(jí)除鹽+ 二級(jí)除鹽”。常用的二級(jí)除鹽工藝有: 混床、EDI?，F(xiàn)將兩者綜合比較如表1 所示。
方案一/方案二比較: 綜合投資，方案一比方案二多190 萬(wàn)元; 運(yùn)行費(fèi)用，方案一比方案二每年少63 萬(wàn)元。方案一投資差額回收期，約3 年。
5 結(jié)論
EDI 凈水設(shè)備具有連續(xù)出水、無(wú)需酸堿再生和無(wú)人值守等特點(diǎn)，使脫鹽水系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，減少設(shè)備占地面積，節(jié)約費(fèi)用。雖然EDI 的初投資比混床高，但運(yùn)行費(fèi)用低，管理方便，運(yùn)行幾年就可收回成本，而且新疆地區(qū)酸堿價(jià)格較貴，人工較貴，從長(zhǎng)期發(fā)展來(lái)看，EDI 的經(jīng)濟(jì)效益比混床高。
全膜法水處理出水水質(zhì)可靠，無(wú)酸堿廢液排放，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，EDI 的濃水、極水、不合格產(chǎn)水均被回收利用，EDI 單元無(wú)廢水排放，實(shí)現(xiàn)了完全的綠色環(huán)保，節(jié)能補(bǔ)水制水工藝，環(huán)境效益顯著。這也是水處理工藝發(fā)展的必然方向。
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