吳越強(qiáng)， 姬克寧

(大慶油田水務(wù)公司，黑龍江大慶163450)

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超濾反滲透組合工藝在地下水處理中的工程應(yīng)用

吳越強(qiáng)， 姬克寧

(大慶油田水務(wù)公司，黑龍江大慶163450)

本文分析了預(yù)處理-超濾-反滲透工藝處理大慶油田某地區(qū)地下水設(shè)備的運(yùn)行情況，并對(duì)超濾與反滲透產(chǎn)水勾兌進(jìn)行了研究，確定了最佳勾兌比例。目前該深度處理站已投入運(yùn)行，超濾及反滲透產(chǎn)水的指標(biāo)均完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)該工藝處理后，超濾出水濁度≤0.1 NTU,SDI≤2，反滲透出水平均電導(dǎo)率小于15 ms/cm，除鹽率均接近98.7%，反滲透回收率達(dá)到75%，超濾產(chǎn)水與反滲透產(chǎn)水2 ∶3勾兌后，水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)均符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)，并且主要水質(zhì)指標(biāo)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值。

超濾； 反滲透； 給水

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的崛起，工業(yè)排水污染嚴(yán)重、用水量逐年增加、水資源短缺成為發(fā)展中亟待解決的問(wèn)題，隨著新的生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，傳統(tǒng)工藝處理的自來(lái)水水質(zhì)已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求。膜技術(shù)被稱(chēng)為“二十一世紀(jì)的水處理技術(shù)”，在污水處理、飲用水處理中具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在作為小型水廠(chǎng)處理工藝方面更具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前，膜法在飲用水處理中的應(yīng)用主要是超濾膜和反滲透膜，由于反滲透系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求較嚴(yán)格，實(shí)踐證明，只有在采用膜過(guò)濾技術(shù)的前提下才有可能長(zhǎng)期穩(wěn)定的保持SDI≤2的狀況下，因此通常將超濾過(guò)濾技術(shù)作為反滲透的預(yù)處理。

1.1 項(xiàng)目概述

油田某地區(qū)供水管網(wǎng)末端，由于管道二次污染，居民用水濁度高，有異味。為提高居民用水水質(zhì)，建設(shè)深度水處理站。處理站的設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為5 000 m3/d，采用反滲透產(chǎn)水與超濾產(chǎn)水勾兌后再外輸至管網(wǎng)。其中超濾凈產(chǎn)水6 000 m3/d，其中2 000 m3/d直接進(jìn)入最終產(chǎn)品水箱，另外4 000 m3/d超濾產(chǎn)水作為反滲透的進(jìn)水，反滲透產(chǎn)水3 000 m3/d，反滲透裝置系統(tǒng)回收率75%。

1.2 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

本工程以年均出水水質(zhì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)中最差水質(zhì)為限值確定水廠(chǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)，見(jiàn)表1。設(shè)計(jì)要求水廠(chǎng)出水水質(zhì)穩(wěn)定并優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)。

表1 地下水水質(zhì)情況

2 工藝流程

根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)，安裝100 μm自清洗過(guò)濾器做為超濾預(yù)處理。雖然進(jìn)水鐵錳含量均不超標(biāo)，但為防止二價(jià)鐵錳氧化形成氧化物污染超濾膜，故本工程采用“錳砂過(guò)濾器-自清洗過(guò)濾器-超濾-反滲透”雙膜工藝：原水→錳砂濾罐→原水箱→超濾水泵→自清洗過(guò)濾器→超濾裝置→超濾產(chǎn)水箱→反滲透供水泵→精密過(guò)濾器→反滲透高壓泵→反滲透裝置(一級(jí)二段)→清水罐→供水管網(wǎng)。工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Flow chart of process

3 工程設(shè)計(jì)

錳砂過(guò)濾罐+自清洗過(guò)濾器作為超濾膜的預(yù)處理工藝，超濾膜則作為反滲透膜的預(yù)處理工藝，去除水中絕大部分懸浮物和膠體雜質(zhì)，出水濁度≤0.1 NTU,SDI≤2，保證反滲透進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定。反滲透膜脫鹽可以達(dá)到更高的飲用水標(biāo)準(zhǔn)，出水電導(dǎo)率15 ms/cm。最終產(chǎn)水按照超濾水與反滲水2 ∶3勾兌，這樣既保證水中礦化度要求，又極大地提高了產(chǎn)水水質(zhì)。同時(shí)該工藝具有占地小、產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定、全自動(dòng)PLC+上位機(jī)控制運(yùn)行、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

3.1 錳砂過(guò)濾罐

錳砂濾料中石英砂粒徑宜為0.5～1.2 mm；錳砂粒徑宜為0.6～2.0 mm ；厚度宜為 800～1 200 mm；濾速宜為5～7 m/h。

過(guò)濾罐運(yùn)行一段時(shí)間后，濾料頂部會(huì)形成一層厚厚的污染物濾餅，影響濾速和產(chǎn)水量，需要定期根據(jù)出水壓力的變化進(jìn)行反沖洗，以保證其正常運(yùn)行?？梢酝ㄟ^(guò)壓差進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行和反洗。

3.2 自清洗過(guò)濾器

采用濾芯100 μm的自清洗過(guò)濾器，共2套，1用1備，單套處理流量為410 m3/h，公稱(chēng)壓力1.6 MPa。做為超濾裝置的前置預(yù)處理工藝設(shè)備，過(guò)濾器主要去除水中較大的顆粒物質(zhì)，防止堵塞超濾膜組件。過(guò)濾器主要由過(guò)濾裝置、清洗系統(tǒng)、壓力表、壓差開(kāi)關(guān)、控制柜等組成。進(jìn)入過(guò)濾器的水流由下而上通過(guò)濾芯向外流動(dòng)，濾后水由過(guò)濾器上部排出，固體雜質(zhì)被截留在濾芯內(nèi)側(cè)。自清洗過(guò)濾器采用PLC控制，采用手動(dòng)/自動(dòng)兩種模式，自動(dòng)模式又可采用壓差/時(shí)間控制，壓差/時(shí)間根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)設(shè)定。當(dāng)收到?jīng)_洗信號(hào)時(shí)，濾芯自動(dòng)進(jìn)行沖洗，而無(wú)需斷流。

3.3 超濾系統(tǒng)

超濾膜裝置共3套，單套裝置出水90 m3/h。膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)總進(jìn)水量為6 360 m3/d，凈產(chǎn)水量6 000 m3/d，產(chǎn)水率94.4%。由于原水為地下水，最低水溫7℃，考慮溫度對(duì)超濾膜產(chǎn)水量影響，膜通量最終確定51.5 L/(m2·h)。

超濾膜采用美國(guó)科氏TAGAR-10072特種改性聚砜膜(PS)材質(zhì)的中空纖維膜元件，單根膜絲外徑0.9 mm,內(nèi)徑1.2 mm，單支膜面積89.1 m2(871 ft2)。膜材料親水耐酸堿，抗微生物污染能力強(qiáng)，超濾膜運(yùn)行方式采用內(nèi)壓全流過(guò)濾，中空纖維膜過(guò)濾孔徑為0.02 μm。這種微小的孔徑幾乎可以去除水中所有懸浮物或膠狀顆粒物，包括賈第鞭毛蟲(chóng)和隱孢子蟲(chóng)，同時(shí)還可去除相當(dāng)一部分自由懸浮或附著在顆粒物上的病毒[1]。超濾膜工作一定時(shí)間后采用物理反沖洗結(jié)合化學(xué)清洗去除膜絲內(nèi)部截留污染物。設(shè)計(jì)每支膜組件物理反沖洗周期30～60 min,每次反沖洗持續(xù)時(shí)間約55 s?；瘜W(xué)清洗分為維護(hù)性清洗及恢復(fù)性清洗。維護(hù)性清洗設(shè)計(jì)每日1次，每次5 min；恢復(fù)性清洗時(shí)間周期為1～2個(gè)月，可根據(jù)跨膜壓差進(jìn)行調(diào)整。

3.4 反滲透系統(tǒng)

(1)精密保安過(guò)濾器

保安過(guò)濾器作為反滲透膜系統(tǒng)的保護(hù)裝置，為了保證反滲透膜元件不被懸浮物質(zhì)損壞，在反滲透之前需要設(shè)置精密保安過(guò)濾器，濾芯采用過(guò)濾精度為5 μm的過(guò)濾器，材質(zhì)為PP棉，單套處理流量為90 m3/h。運(yùn)行壓差大于0.1 MPa更換濾芯(一般為3～6個(gè)月)。

(2)反滲透膜組件

反滲透膜采用美國(guó)DOW公司LE-440i低壓低能耗元件，材質(zhì)為聚酰胺復(fù)合材料，膜面積為45 m2(440 ft2)/根。采用6芯裝維賽博300psi反滲透膜殼。本系統(tǒng)反滲透共2套，單套產(chǎn)水水量為65 m3/h，每套裝置安裝15支膜殼，單支膜殼內(nèi)填裝6支模組件。系統(tǒng)按照一級(jí)兩段2 ∶1排列，設(shè)計(jì)平均通量17.76 L/(m2·h)，設(shè)計(jì)回收率75%。

(3)阻垢劑加藥系統(tǒng)

為了防止反滲透膜元件的濃水側(cè)出現(xiàn)固體結(jié)晶析出，損壞膜元件的性能，在水進(jìn)入反滲透系統(tǒng)前需要加入阻垢劑，分散水中的難溶性無(wú)機(jī)鹽，阻止或干擾難溶性無(wú)機(jī)鹽在其表面的沉淀。阻垢劑采用JESDE YF-760反滲透膜專(zhuān)用井水阻垢劑。通過(guò)藥劑專(zhuān)用軟件計(jì)算，當(dāng)LSI值為2.9左右時(shí)，阻垢劑投加量為3.3 mg/L。實(shí)際運(yùn)行按照計(jì)算添加量投加。

4 工藝運(yùn)行結(jié)果分析

4.1 超濾系統(tǒng)

超濾系統(tǒng)現(xiàn)已穩(wěn)定運(yùn)行3個(gè)月，超濾系統(tǒng)凈產(chǎn)水量6 000 m3/d,系統(tǒng)運(yùn)行壓力0.12～0.13 MPa,跨膜壓差調(diào)試完畢后基本穩(wěn)定在0.05 MPa，根據(jù)調(diào)試期間設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)物理反洗周期為45 min,CEB反洗周期為7 d。出水水質(zhì)見(jiàn)表2。

(1)超濾膜對(duì)CODMn去除率僅為15%左右，由于超濾膜膜絲平均過(guò)濾孔徑0.02 μm，截留分子量在100 000 Dal，可截留絕大部分懸浮物及膠質(zhì)，但對(duì)溶于水的小分子(小于100 000 Dal)有機(jī)物無(wú)法截留。因此超濾膜對(duì)CODMn去除率很低。對(duì)于原水CODMn較高的水質(zhì)，可通過(guò)活性炭過(guò)濾器、保安過(guò)濾器以及投加PAM藥劑加強(qiáng)預(yù)處理對(duì)原水懸浮物及膠質(zhì)的去除，降低超濾膜的負(fù)荷，延長(zhǎng)超濾膜反洗時(shí)間提高超濾膜產(chǎn)水率。

(2)超濾進(jìn)水濁度在0.34，出水濁度保持在0.08，超濾膜對(duì)濁度的去除率為90%。對(duì)于原水為地表水，進(jìn)水濁度在3～5 NTU，超濾對(duì)濁度的去除率會(huì)更高，可達(dá)到98%～99%。

(3)超濾系統(tǒng)進(jìn)水SDI在2.8，產(chǎn)水SDI在1.9，做為反滲透的預(yù)處理，超濾出水可保證反滲透系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

表2 超濾出水水質(zhì)

溫度與流量關(guān)系見(jiàn)表3，可看出：溫度對(duì)超濾膜影響較大，超濾膜運(yùn)行在反洗周期45 min,CEB周期在72 h，TMP穩(wěn)定在0.05 MPa；在8.7 ℃時(shí)，超濾膜進(jìn)水壓力為0.11 MPa,流量為88 m3/h，溫度在11.3時(shí)，超濾膜進(jìn)水壓力為0.11 MPa，流量為93 m3/h。平均溫度升高1℃，流量約增加2%。這是因?yàn)槌瑸V膜材質(zhì)對(duì)水溫敏感，溫度升高，在水的粘性降低，超濾膜孔徑的隨溫度的增大，導(dǎo)致在恒壓情況下，超濾膜通量增加，產(chǎn)水量也隨之升高。因此在超濾膜應(yīng)用中應(yīng)注意溫度對(duì)超濾膜產(chǎn)水量的影響，本項(xiàng)目原水為地下水，水溫溫差較小(7～12 ℃)，在原水采用地表水的北方地區(qū)，水溫溫差會(huì)達(dá)到近20 ℃，對(duì)超濾膜的產(chǎn)水量會(huì)產(chǎn)生很大影響，應(yīng)采用最低溫度下超濾膜的運(yùn)行通量，這樣方可保證運(yùn)行至最低溫度時(shí)產(chǎn)水量能達(dá)到設(shè)計(jì)值。

表3 溫度與流量關(guān)系

4.2 反滲透系統(tǒng)

表4為反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水量及出水水質(zhì)，表5為除鹽率與溫度關(guān)系，可看出：

進(jìn)水溫度對(duì)反滲透的影響較為顯著，由于本項(xiàng)目原水為地下水，進(jìn)水含鹽量穩(wěn)定，溫差變化小，但溫度的變化也相應(yīng)帶來(lái)膜通量、產(chǎn)水量、除鹽率的些微變化。隨著溫度的升高，反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水量增加，運(yùn)行壓力降低，除鹽率降低。這是因?yàn)闇囟壬仙龝r(shí)水分子的粘度下降，擴(kuò)散能力增加，同時(shí)鹽透過(guò)膜的擴(kuò)散速率也加快，導(dǎo)致脫鹽率降低。此外，進(jìn)水含鹽量、回收率也會(huì)對(duì)通量產(chǎn)生影響。因此當(dāng)反滲透進(jìn)水水溫溫差較大，應(yīng)考慮溫度對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)水量及除鹽率的影響。

表4 產(chǎn)水量及出水水質(zhì)

表5 溫度與除鹽率關(guān)系

各勾兌比例下的出水水質(zhì)見(jiàn)表6。對(duì)比各勾兌水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)，所有勾兌水樣細(xì)菌4項(xiàng)及其它指標(biāo)均合格，并且勾兌水濁度、氟化物、砷、總?cè)芙庑怨腆w和總硬度等主要水質(zhì)指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)。

綜合分析各勾兌水質(zhì)指標(biāo)得出，隨著超濾產(chǎn)水勾兌比例的降低，濁度、砷、氟化物、硬度等指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)；其中2 ∶3勾兌比例水質(zhì)中濁度0.06 NTU，砷含量0.004 mg/L，氟化物含量0.38 mg/L，總?cè)芙庑怨腆w363 mg/L，總硬度100.1 mg/L。綜合指標(biāo)優(yōu)于其它水質(zhì)，因此選定超濾與反滲透比例為2 ∶3，既能達(dá)到各項(xiàng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，又能保留水中礦化度，使居民飲用安全優(yōu)質(zhì)水得到保障。

表6 勾兌比例及出水水質(zhì)

5 結(jié)論

①采用預(yù)處理-超濾-反滲透工藝處理大慶油田采油五廠(chǎng)地區(qū)地下水，超濾出水濁度≤0.1NTU,反滲透出水平均電導(dǎo)率小于15ms/cm，反滲透回收率達(dá)到75%，除鹽率均接近98.7%。

②超濾膜和反滲透膜對(duì)水溫變化敏感，通量與水溫基本呈正比線(xiàn)性關(guān)系，工程設(shè)計(jì)時(shí)要考慮低溫對(duì)設(shè)計(jì)通量的影響，保證低溫產(chǎn)水量能達(dá)到設(shè)計(jì)值。

③通過(guò)超濾產(chǎn)水與反滲透產(chǎn)水勾兌比例的研究，超濾與反滲透產(chǎn)水勾兌供水方案可行，勾兌后各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)。主要水質(zhì)指標(biāo)遠(yuǎn)高于國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，這為采用勾兌水供水，通過(guò)較低的設(shè)備投資及低成本運(yùn)行，使居民飲水水質(zhì)進(jìn)一步提高提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

[1] 王磊，福士憲一. 運(yùn)行條件對(duì)超濾膜污染的影響[J]. 中國(guó)給水排水，2001，17(10)：1-3.

[2] 張靜.北小河污水廠(chǎng)反滲透膜系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行和保存[J]. 中國(guó)給水排水，2010，26(2)：96.

Application of ultrafiltration reverse osmosis combination process in groundwater treatment

Wu Yueqiang, Ji Kening

(DaqingOilFieldWaterCo.,Daqing163450,China)

The operation of groundwater equipment of Daqing Oil Field by pretreatment, ultrafiltration (UF) and reverse osmosis (RO) technology was analyzed, the production blending of UF and RO water was studied and the optimal blending ratio was determined. At present the advanced treatment station has been put into operation, the indexes of finished water of UF and RO could meet the design requirements completely and the system was stable. The outflow of UF was less than 0.1 NTU, SDI≤2，the average conductivity was less than 15 ms/cm, the desalination rate was close to 98.7%, the recovery rate of RO could reach 75% after the process. After blending 2 ∶3 of UF finished water and RO finished water, the water quality could meet the requirement ofStandardsforDrinkingWaterQuality(GB 5749-2006), and the main water quality indicators are much better than the standard values.

UF; RO; water supply

TU991.263

B

1673-9353(2016)05-0034-05

10.3969/j.issn.1673-9353.2016.05.008

吳越強(qiáng)(1971- )， 男， 本科， 高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)楹臀鬯幚砗蜕罱o水深度處理。E-mail：wuyueqiang@cnpc.com.cn

2016-09-14