紀(jì)偉光，李 琪，高順明 ，張逸明

（1.華電青島發(fā)電有限公司，山東 青島 266031；2.諾芮特凈化系統(tǒng)（上海）有限公司，上海）

0 引言

我國沿海地區(qū)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展最活躍的區(qū)域，但是淡水資源相對(duì)匱乏，這成為制約經(jīng)濟(jì)較快地持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一。在建、新建、已建的沿海地區(qū)發(fā)電與供熱企業(yè)，在解決企業(yè)用水問題時(shí)，越來越多地將目光匯聚在海水淡化技術(shù)上。國家建設(shè)部也正在擬定《火力發(fā)電企業(yè)海水淡化設(shè)計(jì)規(guī)范》，由山東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局于2009年2月23日發(fā)布、并于2009年3月1日實(shí)施的 《火力發(fā)電廠反滲透海水淡化裝置設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，規(guī)范了火力發(fā)電廠反滲透海水淡化裝置設(shè)計(jì)的一般原則和方法，為沿海地區(qū)火力發(fā)電與供熱企業(yè)采用反滲透海水淡化技術(shù)的制水工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提供了運(yùn)行安全、技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理、易于操作和維護(hù)及環(huán)境保護(hù)等諸多方面的標(biāo)準(zhǔn)與要求。國際上，目前商業(yè)運(yùn)作與投產(chǎn)的海水淡化制水工藝方法主要有膜法和熱法。

膜法海水淡化制水工藝中應(yīng)用最廣泛、技術(shù)相對(duì)成熟的是海水反滲透（SWRO）法，而選擇合理的預(yù)處理工藝，是預(yù)防海水反滲透膜元件污染，保證海水反滲透安全、穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行的決定性因素之一。超濾技術(shù)是近幾年我國水務(wù)行業(yè)迅速發(fā)展起來的反滲透膜法的預(yù)處理技術(shù)，克服了傳統(tǒng)預(yù)處理制水工藝中出水水質(zhì)不穩(wěn)定、出水水質(zhì)不合格等諸多不足，能夠保證海水反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，具有安全、穩(wěn)定、自動(dòng)控制連續(xù)運(yùn)行的特點(diǎn)。

目前，我國國內(nèi)多個(gè)沿海發(fā)電與供熱企業(yè)，已經(jīng)采用超濾膜和海水反滲透膜結(jié)合的雙膜法海水淡化制水工藝制取供熱與機(jī)組用水，其中包括目前總裝機(jī)容量為4×300MW的華電青島發(fā)電有限公司。

1 超濾（UF）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

華電青島發(fā)電有限公司海水淡化制水工藝系統(tǒng)中，按照設(shè)計(jì)制取淡水量為2×145 m3/h，設(shè)計(jì)超濾系統(tǒng)總產(chǎn)水量為750 m3/h，分兩期建造，每期設(shè)計(jì)產(chǎn)水量均為375 m3/h。該公司在工程投標(biāo)前選擇了3種超濾膜元件進(jìn)行中試，根據(jù)中試結(jié)果最終選擇XIGA超濾膜，一種布置方式為臥式的超濾膜元件。

表1為中試期間的海水水質(zhì)的部分分析指標(biāo)，此海水經(jīng)殺菌、混凝、沉淀后，作為超濾系統(tǒng)的進(jìn)水。

超濾系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的選擇，主要參考表1中海水水質(zhì)的部分分析指標(biāo)和中試試驗(yàn)結(jié)果。按照設(shè)計(jì)要求，超濾主體構(gòu)架安裝在海水淡化車間二樓，一樓為海水反滲透系統(tǒng)、混床和各種工藝泵房。其中超濾系統(tǒng)的進(jìn)水采用母管制，每期超濾分為A、B兩組，每組在運(yùn)行、反洗、化學(xué)加強(qiáng)反洗（CEB）方式是相互獨(dú)立的。按照設(shè)計(jì)產(chǎn)水量要求，超濾一期和二期共使用208支超濾膜元件。

表1 海水水質(zhì)

1.1 超濾運(yùn)行工藝

XIGA膜超濾系統(tǒng)采用全流過濾模式，其運(yùn)行工藝邏輯步序主要包括：過濾、反洗、化學(xué)加強(qiáng)反洗三個(gè)過程，超濾系統(tǒng)的運(yùn)行方式采用全自動(dòng)，其運(yùn)行中采用的工藝泵也都是變頻設(shè)計(jì)，降低運(yùn)行人員操作和維護(hù)工作量的同時(shí)，也對(duì)超濾的穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行起到保護(hù)作用。

超濾系統(tǒng)的運(yùn)行工藝邏輯步序見圖1。

圖1 三個(gè)主要流程組成的運(yùn)行邏輯步序

從表1海水水質(zhì)表中可以看出，海水中鈣和鎂離子含量較高，同時(shí)海水里面的微生物尤其藻類生長和繁殖能力很強(qiáng)，這樣超濾膜表面容易形成兩類污染：鹽類結(jié)垢和生物有機(jī)污染。XIGA超濾運(yùn)行工藝中，快捷有效的化學(xué)加強(qiáng)反洗過程能夠及時(shí)有效地去除這兩類膜污染，并能基本恢復(fù)超濾產(chǎn)水量至設(shè)計(jì)值。

化學(xué)加強(qiáng)反洗使用變頻反洗泵，由加藥泵注入的濃度為31%的HCl或濃度為10%的NaOCl，進(jìn)入裝有超濾膜元件的壓力容器中，此時(shí)加藥的反洗流量為普通反洗流量的一半，以保證有效加藥濃度及定量控制加藥量；注入裝有超濾膜元件的壓力容器的化學(xué)藥劑達(dá)到要求濃度，即HCl達(dá)到pH=2或NaOCl達(dá)到200mg/L后進(jìn)行浸泡，浸泡時(shí)間為600 s。在浸泡期間，化學(xué)藥劑將普通水力反洗不能去除的污染物自膜元件表面和膜絲過濾孔中溶解與剝離。浸泡完成后，通過再次反洗將藥液與溶解、剝離的污染物沖出超濾裝置，超濾膜元件性能再次恢復(fù)到正常水平。整個(gè)化學(xué)加強(qiáng)反洗過程的操作控制方式，是通過運(yùn)行控制室的上位機(jī)進(jìn)行全自動(dòng)控制。

1.2 超濾（UF）和預(yù)處理工藝流程

經(jīng)海水升壓泵提升的海水，先進(jìn)行殺菌、混凝、沉淀至集水池，然后進(jìn)入超濾系統(tǒng)。

圖2為超濾和預(yù)處理系統(tǒng)工藝流程。

圖2 超濾和預(yù)處理工藝流程

1.3 超濾（UF）主體構(gòu)架

一期超濾于2006年11月完成安裝調(diào)試和試運(yùn)行后，開始正式運(yùn)行。二期超濾在設(shè)計(jì)初期，結(jié)合一期超濾因膜組主體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在不足而引起的布水不均現(xiàn)象，對(duì)二期超濾的膜組主體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，避免一期超濾的主體框架結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)不足的問題。二期超濾于2008年1月完成安裝調(diào)試和試運(yùn)行后，開始正式運(yùn)行。一期和二期的超濾主體構(gòu)架設(shè)計(jì)的差異見表2。一期和二期的超濾設(shè)備外形對(duì)比見圖3，壓力容器進(jìn)水接口對(duì)比見圖4。

表2 一期和二期的超濾主體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比表

2 超濾的系統(tǒng)運(yùn)行狀況分析

2.1 混凝沉淀之聚合氯化鋁（PAC）加藥量的影響

圖3 一期和二期超濾的外形對(duì)比

圖4 一期與二期的超濾膜壓力容器進(jìn)水口結(jié)構(gòu)對(duì)比

海水的混凝沉淀處理采用平流式反應(yīng)沉淀池，其池體內(nèi)部沒有設(shè)計(jì)任何機(jī)械動(dòng)力設(shè)備，這樣直接避免了因海水而引起的腐蝕問題。聚合氯化鋁的加藥量依據(jù)海水潮汐、過往船只以及風(fēng)、雨、雪天氣引起的海水濁度的變化而變化，也根據(jù)平流式反應(yīng)沉淀池的進(jìn)水流量的變化而變化，加藥量過多和過少均會(huì)引起平流式反應(yīng)沉淀池出水濁度增加，從而引起超濾（UF）跨膜壓差快速升高，因此最終確定聚合氯化鋁加藥量在3.5～4.3 mg/L，出水濁度≤2.0 NTU，保證超濾的進(jìn)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 超濾主體構(gòu)架不同對(duì)超濾運(yùn)行的影響

超濾設(shè)備管道布置方式和壓力容器進(jìn)水口的布局與設(shè)置對(duì)超濾系統(tǒng)的運(yùn)行有著直接的影響。一期超濾膜組的管道走向以及主體構(gòu)架設(shè)計(jì)導(dǎo)致虹吸現(xiàn)象嚴(yán)重，易在膜設(shè)備管路中吸入空氣，致膜元件斷絲率較高，產(chǎn)水水質(zhì)下降，直接影響后續(xù)海水反滲透系統(tǒng)的正常運(yùn)行。二期超濾因改變管道走向與主體構(gòu)架設(shè)計(jì)，自調(diào)試、運(yùn)行至今，沒有發(fā)生因膜元件斷絲而造成產(chǎn)水水質(zhì)超過海水反滲透進(jìn)水標(biāo)準(zhǔn)要求的現(xiàn)象。一期與二期的超濾運(yùn)行參數(shù)見表3。

表3 一期和二期的超濾運(yùn)行參數(shù)

由于一期超濾的膜壓力容器兩端進(jìn)水、反洗排放側(cè)各只有一個(gè)進(jìn)、出水口，造成進(jìn)水水流與反洗水流，特別是反洗水流進(jìn)入壓力容器后分布不均，膜元件端面接近壓力容器頂部的部分存在死角，污染物不易被沖出膜絲，造成實(shí)際膜過濾面積下降，運(yùn)行周期內(nèi)超濾跨膜壓差升高較快。而二期的超濾膜壓力容器兩端進(jìn)水/反洗排放側(cè)各有三個(gè)進(jìn)、出水口，水流分布均勻。在解決了上述問題之后，超濾運(yùn)行周期內(nèi)其跨膜壓差明顯降低。在超濾跨膜壓差升高后，化學(xué)加強(qiáng)反洗CEB-NaOCl與CEB-HCl能夠有效地降低跨膜壓差，保證超濾穩(wěn)定運(yùn)行。化學(xué)加強(qiáng)反洗前后一期超濾-A和二期超濾-A的跨膜壓差和進(jìn)水流量見表4。

表4 化學(xué)加強(qiáng)反洗前后一期超濾和二期超濾的跨膜壓差和進(jìn)水流量

2.3 超濾產(chǎn)水水質(zhì)

一期超濾調(diào)試、試運(yùn)、運(yùn)行初期，在海水反滲透進(jìn)水管取樣檢測的SDI（15）大多是≥3.00，偶爾甚至≥5.00，這樣導(dǎo)致海水反滲透的保安過濾器很快被污堵，至其壓差≥1.00 bar，從而縮短了海水反滲透的運(yùn)行周期。但是從一期超濾的產(chǎn)水管取樣口直接檢測的超濾產(chǎn)水SDI（15）通常都是≤3.00，通過分析判斷，認(rèn)為是超濾的產(chǎn)水進(jìn)入內(nèi)壁噴涂環(huán)氧漆的碳鋼材質(zhì)超濾產(chǎn)水箱后，受到不同程度的污染，即這些污染物混入了超濾產(chǎn)水中一同進(jìn)入海水反滲透的保安過濾器。經(jīng)過對(duì)超濾產(chǎn)水箱內(nèi)部檢查，發(fā)現(xiàn)超濾產(chǎn)水箱內(nèi)壁噴涂的環(huán)氧漆面已被海水嚴(yán)重腐蝕而剝離，尤其是超濾產(chǎn)水箱整個(gè)底部銹跡斑斑，這樣被海水腐蝕而剝離的油漆和鐵銹一并混入超濾產(chǎn)水后使海水反滲透的進(jìn)水水質(zhì)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，之后改變了超濾產(chǎn)水箱內(nèi)部的防腐工藝，采用工藝為5油3布玻璃鋼防腐層后上述問題得到解決。

一期超濾與二期超濾的產(chǎn)水水質(zhì)在沒有膜元件斷絲的情況下非常穩(wěn)定，超濾產(chǎn)水管取樣口取樣檢測產(chǎn)水濁度一般≤0.10NTU，SDI （15）≤3.00，超濾產(chǎn)水箱內(nèi)部防腐問題徹底解決后，在海水反滲透進(jìn)水管取樣檢測的SDI（15）≤3.00。但是，一期超濾曾因設(shè)計(jì)的管道走向和主體構(gòu)架不合理，導(dǎo)致超濾的完整性檢測不合格即膜元件斷絲率較高，以致超濾產(chǎn)水水質(zhì)達(dá)不到海水反滲透進(jìn)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，影響了海水反滲透的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

在一期超濾的膜元件中出現(xiàn)極少量斷絲后，先用壓縮空氣檢測出單支膜元件上的斷裂膜絲，再使用專用膜針堵塞該斷裂膜絲的兩端，將其隔離。由于一支膜元件內(nèi)裝有11 000多根膜絲，極少量的斷裂膜絲堵塞后，提高了該膜元件的產(chǎn)水水質(zhì)質(zhì)量，不會(huì)對(duì)單支膜元件的產(chǎn)水量產(chǎn)生影響。

2.4 超濾系統(tǒng)停機(jī)期間維護(hù)

停機(jī)期間維護(hù)的目的是防止一般微生物的滋生與繁殖。超濾系統(tǒng)停運(yùn)后，用超濾的產(chǎn)水分別做化學(xué)加強(qiáng)反洗CEB-HCl與CEB-NaClO各一次；如果超濾系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間在7日以內(nèi)，每日用除鹽水沖洗各10min；如果超濾系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間在8～30日之間，則使用超濾化學(xué)清洗系統(tǒng)向超濾系統(tǒng)的壓力容器內(nèi)注入濃度為1.0%的亞硫酸氫鈉的保護(hù)液進(jìn)行保護(hù)。

2.5 海水反滲透運(yùn)行情況

超濾穩(wěn)定的出水水質(zhì)延長了海水反滲透的化學(xué)清洗周期。海水反滲透進(jìn)水壓力范圍一般在47.0～63.0 bar之間，濃水壓力范圍一般在46.0～62.0 bar，所生產(chǎn)的淡水量范圍一般85～145 m3/h，其循環(huán)化學(xué)清洗周期一般為3～5個(gè)月?？傊?，海水反滲透的各種運(yùn)行工況基本符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)語

華電青島發(fā)電有限公司的雙膜法海水淡化工藝系統(tǒng)處理海水，自2006年11月開始調(diào)試至今的安全、穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行，與對(duì)預(yù)處理系統(tǒng)、超濾系統(tǒng)的科學(xué)選型與合理設(shè)計(jì)是密不可分的。超濾系統(tǒng)不僅滿足了海水反滲透高質(zhì)高量的設(shè)計(jì)進(jìn)水要求標(biāo)準(zhǔn)，而且其運(yùn)行成本低廉，檢修維護(hù)簡便。超濾設(shè)備構(gòu)架的合理設(shè)計(jì)可以有效防止虹吸、布水不均、氣水混合現(xiàn)象，有效地降低膜元件的斷絲率，從而使超濾系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行保持連續(xù)性，并進(jìn)一步保證后續(xù)海水反滲透運(yùn)行地安全、穩(wěn)定、連續(xù)性。