韓興國,楊繼,劉彬

（1.太原鋼鐵（集團）公司能源動力總廠，山西太原030003；2．江蘇精科霞峰環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇常州213022）

供排水

浸沒式超濾膜在市政中水中的應用

韓興國1,楊繼2,劉彬2

（1.太原鋼鐵（集團）公司能源動力總廠，山西太原030003；2．江蘇精科霞峰環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇常州213022）

浸沒式超濾膜已應用在太鋼中水回用系統(tǒng)，在近五年運行過程中，體現(xiàn)了出水水質(zhì)穩(wěn)定、膜使用壽命長、操作運行維護簡單等特點，良好的水質(zhì)確保了后續(xù)反滲透膜組的長周期穩(wěn)定運行。

浸沒式超濾膜;壓力式超濾膜;市政中水

1 概述

我國工業(yè)取新水量占全國取水量的20%，鋼鐵取新水量約占全國工業(yè)用新水量的2.2%，2013年重點統(tǒng)計鋼鐵企業(yè)噸鋼耗新水量為3.44 m3。作為世界上最缺水的13個國家之一，水，是制約我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展的重要因素。

太鋼地處中國華北，水資源特別緊張，通過加強管理、分質(zhì)供水、優(yōu)化工藝等措施，不斷提高水資源重復利用率，推進“工業(yè)廢水零排放”，2013年噸鋼耗新水量為1.45 m3，持續(xù)走在冶金行業(yè)的前列。

2002年投運的工業(yè)生產(chǎn)廢水深度處理項目，2009年投運的生活污水回用處理項目，這些之前的廢水和污水通過深度處理后，作為工業(yè)新水補充水源，大大節(jié)約了水資源的消耗，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效應。

2 系統(tǒng)工藝流程及介紹

2009年投運的生活污水深度處理工程使用的水源是生活污水，尖草坪地區(qū)居民生活污水、北沙河和北澗河污水匯集后，每天水量在5萬t左右，經(jīng)粗格柵（柵隙25mm）、細格柵（柵隙5mm）去除大顆粒漂浮物后，然后經(jīng)沉砂池和隔油沉淀池進入MSBR池，處理后的水進超濾膜和反滲透膜，產(chǎn)水供循環(huán)水補水和鍋爐補水。

工藝流程如圖1。

圖1 工藝流程圖

2.1 沉砂、隔油池[1]

沉砂池采用渦流沉砂方式，兩座直徑3.05 m，池深1.60 m，表面負荷q＝200 m3/m2.h，在沉砂池中間設(shè)有旋流沉砂器，使池中心的水流形成上升流。

隔油沉淀池為平流式，共2組，每組包括兩池，每池尺寸38.0×8.0m，有效水深3.8 m，水力停留時間1.5 h。

2.2 MSBR池

MSBR（Modified Sequencing Batch Reactor）為改良式序列間歇反應工藝，它是在傳統(tǒng)的A2/O工藝的基礎(chǔ)上結(jié)合SBR工藝特點和接觸絮凝過濾理論發(fā)展而成的一種污水處理新工藝，每座MSBR反應池有一格厭氧池，一格缺氧池，一格好氧池及兩格序批池，兩格序批池交替出水。

MSBR池共兩座，總水力停留時間15 h，每組池體總有效容積15670 m3，共7個單元，曝氣設(shè)備采用微孔曝氣器，為好氧反應提供溶解氧源；回流系統(tǒng)采用螺旋漿式推進式泵，序批池出水通過空氣控制出水堰來實現(xiàn)。

進出水水質(zhì)見表1。

表1 進出水水質(zhì)

2.3 浸沒式超濾膜

超濾系統(tǒng)作為預處理的核心設(shè)備，主要去除水中的膠體、懸浮物及大分子有機物。

該工程選用的是浸沒式超濾膜，6套膜單元，單套處理能力312 t/h。

浸沒式膜組件包括固定在垂直或水平框架上的中空纖維膜[2]，設(shè)在框架頂部和底部的透過液集水管。周期性反沖洗和平緩溫和的空氣擦洗可以減少膜面的濃差極化，這種運行方式對應于低的膜污染速率。每6支膜組件（膜芯+殼體）組成一排膜列，由10～20排膜列按矩陣形式拼成1個膜堆，1～3個膜堆組成一個膜單元。膜單元再加上外圍配套設(shè)備就組成一套膜過濾成套設(shè)備，若干套膜過濾成套設(shè)備加上共用的反洗、清洗、空氣擦洗、完整性檢測、自動化控制系統(tǒng)等就組成一個完整的膜過濾系統(tǒng)，見圖2所示。

圖2 浸沒式超濾膜組件圖

與傳統(tǒng)的壓力式膜過濾不同，浸沒式膜是在較低的負壓狀態(tài)下運行，利用虹吸或泵抽吸方式將水由外向內(nèi)進行負壓抽濾，見圖3，實現(xiàn)低跨膜壓差、適度膜通量的直流式全量過濾。

浸沒式超濾膜參數(shù)如下:

超濾膜組件型式:中空纖維

過濾方向:從外側(cè)到內(nèi)側(cè)

膜絲直徑（內(nèi)/外）:0.5mm/0.8mm

膜公稱孔徑:0.04 μm

膜材質(zhì):PVDF

單支膜組件有效過濾面積:38.1 m2

單支膜組件外形尺寸:長1800mm，外徑119mm

運行溫度范圍:0～40

運行pH范圍:2～10

最大容許跨膜壓力（TMP）:150 kPa

圖3 浸沒式超濾膜運行原理

2.3.1 過濾過程

待過濾水通過進水管和進水控制閥進入超濾膜池，虹吸自流或通過抽吸泵負壓抽吸把待濾水從中空纖維膜外側(cè)抽吸過膜壁，收集于集水管，每個膜池產(chǎn)水匯集到產(chǎn)水母管中，經(jīng)過產(chǎn)水箱進入清水池。

2.3.2 物理反洗過程

超濾系統(tǒng)進行過濾工作時，進水中的膠體、懸浮物及大分子有機物等雜質(zhì)被截留在膜表面，隨著時間的推移，膜表面的雜質(zhì)層厚度的增長加大了過濾阻力，跨膜壓差隨之升高。當跨膜壓差上升到一定程度時，就需要對膜絲進行反沖洗。

反洗過程中利用空氣鼓動容器內(nèi)的原水對膜絲進行氣水聯(lián)合擦洗，擦洗結(jié)束后，由壓縮空氣驅(qū)動膜絲內(nèi)的超濾產(chǎn)水由內(nèi)向外反洗膜絲壁，并最終將膜殼內(nèi)的全部反洗水排出系統(tǒng)。反洗總持續(xù)約5 min。

2.3.3 完整性檢測

為了使膜過濾系統(tǒng)成為隔離病原體和其他顆粒物質(zhì)的一道有效屏障，過濾體系必須具備完整性，完整性測試主要用于檢測膜過濾皮層的完整性，確保產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定。

完整性檢測每天一次，進行壓力衰減試驗（PDT），用空氣將膜組件內(nèi)殘存的產(chǎn)水排放掉，在產(chǎn)品水側(cè)通入100 kPa的壓縮空氣，而后關(guān)閉進氣閥，保持壓力，通過自動控制系統(tǒng)檢查產(chǎn)水側(cè)氣壓衰減的速率來計算出完整性檢測。

2.3.4 化學清洗

化學清洗分維護性化學清洗和恢復性化學清洗，均采用在線清洗方式，整個過程都是PLC自動完成，無需人工操作。

維護性化學清洗一般在超濾膜運行4～7 d后進行，通常進行清洗前，先對膜組件進行反洗，以去除膜表面松散污染物；采用低濃度的次氯酸鈉對超濾膜進行定期的浸泡，以維護運行的穩(wěn)定性。

恢復性化學清洗周期為1～2個月，分別采用酸洗和堿洗對超濾膜進行定期的清洗。

化學清洗使用藥劑見表2。

表2 化學清洗方案

2.4 保安過濾器

保安過濾器采用的是大流量濾芯，進水端投加還原劑和阻垢劑。

2.5 反滲透膜

一級反滲透系統(tǒng)共有8套，每套機組設(shè)計產(chǎn)水能力為200 t/h，一級二段，26：14排列，回收率75%，采用進口膜元件。

3 運行情況

3.1 超濾產(chǎn)水情況

3.1.1 濁度和總鐵

超濾產(chǎn)水的濁度和總鐵一直很低，濁度小于1 NTU、總鐵在0.05 mg/L左右，運行很穩(wěn)定。

3.1.2 SDI值

超濾產(chǎn)水的SDI（淤泥污染指數(shù)）值在投運初期一直穩(wěn)定在2.2～2.8，運行兩年后上升到3.0～3.8，之后運行也能一直控制在小于4，確保了反滲透膜進水要求。

3.2 跨膜壓差情況

五年的運行過程中，超濾膜的跨膜壓差控制的很穩(wěn)定，不管是可逆或不可逆膜污堵，都可以通過氣洗、維護性化學清洗和恢復性化學清洗恢復。

在膜組運行初期（4），跨膜壓差均值在20～30kPa，一段時間上升到30～45 kPa，經(jīng)過氣水沖洗后，跨膜壓差均值又能恢復到20～30 kPa，說明這部分膜污染主要表征為可逆膜污染，通過物理的清洗方式基本能夠去除。

但是經(jīng)過一個化學洗周期（1年左右）運行后，跨膜壓差均值在30～45 kPa，再用氣水沖洗后跨膜壓差變化不明顯，表明隨著膜組運行時間的積累，膜的不可逆污染逐步增加，物理清洗對膜污染的去除效果逐漸減弱。通過化學清洗，跨膜壓差均值在30～45 kPa，說明化學清洗對膜的不可逆污染有一定的去除效果。長時間運行，膜的不可逆污染已基本趨于穩(wěn)定。

3.3 超濾化學清洗助劑

2013年7月份開始，一部分工業(yè)廢水進入該系統(tǒng)，導致超濾膜的跨膜壓差上升到105 kPa，通過堿洗和酸洗后，只能將跨膜壓差洗到50～65 kPa；后來每次堿洗時，在超濾進水水槽中加入25 kg的XF-1507清洗助劑（表面活性劑和滲透劑），經(jīng)過一個多月的清洗，跨膜壓差逐漸清洗到30～45 kPa。

3.4 浸沒式超濾膜在該系統(tǒng)中的特點

3.4.1 自動化程度高，人工勞動強度低；

3.4.2 出水水質(zhì)穩(wěn)定，滿足后續(xù)處理需要；

3.4.3 由于是敞開式設(shè)計（見圖4），非常直觀，可以明顯的觀察到氣洗、維護性化學清洗和恢復性化學清洗的狀況；維修保養(yǎng)方便，對于膜絲完整性檢測和更換也非常便利。另外，進行化學清洗時，也可以很方便將需要額外增加的藥劑投加到水槽中。

圖4 浸沒式超濾膜平面圖

3.4.4 使用壽命長。五年來除了少部分膜絲進行了修補外，主體設(shè)備基本沒更換過。

3.5 保安過濾器污堵

雙膜法（超濾+反滲透膜）的工藝設(shè)計目前非常普遍，有的設(shè)計中省掉了保安過濾器這個環(huán)節(jié)，畢竟超濾產(chǎn)水已經(jīng)非常干凈，膠體、懸浮物和大分子有機物大部分都能被攔截掉；但是對于進水水源為工業(yè)廢水或是水質(zhì)波動大的水源時，安裝保安過濾器還是非常必要!

該系統(tǒng)在2010年5月運行過程中曾經(jīng)發(fā)生過保安過濾器污堵的情況，原先能連續(xù)運行五個月的保安濾器不到一個月的時間就污堵報警。拆開濾器發(fā)現(xiàn)濾芯和濾罐上有很多污染物，手摸上去有粘滑感，粘附性強，用自來水沖不下來，呈土黃色，有股芳香型的氣味。后來經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，是前段時間一股焦化廢水連續(xù)進入系統(tǒng)，導致了該運行故障，超濾和反滲透膜經(jīng)過連續(xù)的化學清洗才逐漸恢復正常。

4 結(jié)束語

4.1 太鋼中水回用系統(tǒng)的投運，每年處理了1600多萬t的市政廢水，同時為企業(yè)減少了新鮮水需求量1200多萬t，實現(xiàn)了非常大的社會效應。

4.2 浸沒式超濾膜在太鋼中水回用系統(tǒng)五年來的應用情況看，充分體現(xiàn)了出水水質(zhì)穩(wěn)定、膜使用壽命長、占地面積小、自動化程度高、操作運行維護簡單等特點，良好的水質(zhì)確保了后續(xù)反滲透膜組的長周期、穩(wěn)定運行。

4.3 在5年的運行過程中，也出現(xiàn)了很多次工業(yè)廢水進行系統(tǒng)的情況，浸沒式超濾膜也出現(xiàn)了跨膜壓差升高、出水SDI升高、出水水質(zhì)變差、污染物攔截不住的現(xiàn)象；

4.4 浸沒式超濾膜在給水廠和市政污水回用中使用較多，但是對于水質(zhì)條件更加復雜、惡劣和多變的工業(yè)廢水，浸沒式超濾膜的處理效果如何，則需要更多的應用實例來檢驗。

[1]楊艾花，楊繼，方慧娟.MSBR法在太鋼生活污水回用中的應用及改進[J].冶金動力.2012.3.

[2]羅敏.浸沒式超濾膜在大型給水廠中的應用[J].給水排水.2009.12.

[3]紀洪杰,于海寬,沈裘昌,田希彬,郭愛玲.大型浸沒式超濾膜水廠的設(shè)計及運行[J].中國給水排水.2013.9.

Application of Submerged Ultra-filtration Membrane in Reclaimed Water

Han Xinguo1,Yang Ji2,Liu Bin2
(1．Energy and Power Plant of Taiyuan Iron&Steel(Group)Co.,Ltd,Taiyuan,Shanxi 030003,China；2．Jiangsu Jinco Xiafeng Environmental Protection Technology Co.,Ltd.,Changzhou,Jiangsu 213022,China)

Submerged ultra-filtration membrane was applied in the reclaimed water reuse system of Taiyuan Steel.After five years of operation,the submerged ultra-filtration membrane has showed the characteristics of stable outlet water quality,long service life of membrane,operation simple maintenance etc.Good water quality has ensured long-term stable operation of the subsequent reverse osmosis membrane groups.

submerged ultra-filtration membrane;pressured ultra-filtration membrane;reclaimed water

TQ085

B

1006-6764（2015）03-0044-04

2014-12-11

韓興國（1981-），男,2005年畢業(yè)于北京科技大學應用化學系，工程師，現(xiàn)從事生產(chǎn)技術(shù)管理工作。