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        超濾膜在中水回用中的應(yīng)用

        2020-12-27 04:55:36段小冰許國(guó)峰
        冶金動(dòng)力 2020年1期
        關(guān)鍵詞:化學(xué)污染工藝

        段小冰,許國(guó)峰

        (北京首鋼股份有限公司,河北遷安 064404)

        前言

        我國(guó)是一個(gè)水資源短缺的國(guó)家,近年來(lái),隨著以反滲透技術(shù)為核心的膜分離水處理技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到了快速發(fā)展,特別是在冶金、電力等高耗能行業(yè),膜技術(shù)在污水處理及中水回用作為一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)[1],得到了全面的推廣應(yīng)用。反滲透膜在中水回用中有許多優(yōu)點(diǎn),但也有其缺點(diǎn)和不足,如果反滲透預(yù)處理系統(tǒng)出水達(dá)不到其進(jìn)水要求,會(huì)造成反滲透膜在短時(shí)間內(nèi)受到污染或損傷,導(dǎo)致反滲透膜的性能快速下降,破壞反滲透系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。因此,為了保證反滲透系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,降低經(jīng)濟(jì)上的損失,需要對(duì)反滲透系統(tǒng)的進(jìn)水進(jìn)行有效的預(yù)處理。混凝沉淀、砂濾、活性炭過(guò)濾、離子交換樹(shù)脂軟化以及精密保安過(guò)濾等工藝,是上世紀(jì)90 年代國(guó)內(nèi)外普遍采用的反滲透系統(tǒng)預(yù)處理工藝[2]。隨著超濾膜技術(shù)的發(fā)展,以超濾為核心的新型預(yù)處理工藝被作為反滲透系統(tǒng)的預(yù)處理工藝廣泛應(yīng)用到水處理領(lǐng)域中。

        1 超濾膜工藝技術(shù)

        超濾膜技術(shù)是一種優(yōu)于傳統(tǒng)過(guò)濾技術(shù)的過(guò)濾方式,超濾膜在外界壓力的推動(dòng)下,溶液中的溶劑和部分小分子量的溶質(zhì)從膜的一側(cè)透過(guò)到另一側(cè),而大分子物質(zhì)、膠體、細(xì)菌、病毒等雜質(zhì)被截留下來(lái),實(shí)現(xiàn)溶液中固液分離的一個(gè)過(guò)程,是一種純物理的水處理方法。當(dāng)前在全球應(yīng)用于大型水處理的超濾膜分離孔徑范圍為0.2 微米至10 萬(wàn)道爾頓,超濾膜能有效截留水中的高分子物質(zhì)、懸浮物、膠體、顆粒、有機(jī)物、細(xì)菌、病毒等雜質(zhì),不產(chǎn)生任何副產(chǎn)物,可有效降低水中濁度、COD 和SDI 等水質(zhì)指標(biāo)。超濾膜對(duì)膠體、細(xì)菌、微生物和各種有機(jī)物具有較好的去除效果,但幾乎不能截留各種無(wú)機(jī)離子。

        目前,市場(chǎng)上生產(chǎn)超濾膜的主要材質(zhì)有聚砜(PS)、聚醚砜(PES)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVDF)等,但從材料性能來(lái)看,PVDF 是目前全球公認(rèn)的最好的材質(zhì),其抗化學(xué)氧化能力、機(jī)械強(qiáng)度以及拉伸力均明顯優(yōu)于其他材質(zhì)。

        膜的過(guò)濾方式?jīng)Q定了膜組件的結(jié)構(gòu)形式,超濾膜可分為浸沒(méi)式和壓力式,壓力式又分為外壓式和內(nèi)壓式。浸沒(méi)式超濾膜具有占地面積小,對(duì)原水水質(zhì)要求低的特點(diǎn),但最大的缺點(diǎn)是通量小,投資成本高。外壓式超濾膜具有膜外表面積大,單位膜面積的污染負(fù)荷低,可以通過(guò)空氣擦洗對(duì)膜表面污染物進(jìn)行物理沖洗等特點(diǎn)。內(nèi)壓式超濾膜優(yōu)點(diǎn)是膜面線(xiàn)速度快,污染物由于錯(cuò)流效果不易向膜表面附著;缺點(diǎn)是膜面積小,單位膜面積的污染負(fù)荷高,流道堵塞可能性大,反洗流量大,能耗高。

        2 超濾膜的優(yōu)缺點(diǎn)

        2.1 超濾膜的優(yōu)點(diǎn)

        ⑴超濾膜因其本身特性,膜分離孔徑一定,利用物理方法實(shí)現(xiàn)水的過(guò)濾,與傳統(tǒng)的混凝過(guò)濾工藝相比,產(chǎn)水水質(zhì)好,產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定。同時(shí),超濾膜在運(yùn)行過(guò)程中不需要加入任何化學(xué)藥劑,只有在清洗過(guò)程中使用少量的化學(xué)藥劑,減少了水體的二次污染,從經(jīng)濟(jì)角度和環(huán)保角度都優(yōu)于傳統(tǒng)工藝。

        ⑵超濾膜的材質(zhì)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性,耐酸堿性,抗氧化能力強(qiáng),在水處理過(guò)程中有利于殺菌消毒,可以大大提高水中膠體、細(xì)菌的去除率。

        ⑶當(dāng)前絕大多數(shù)超濾膜采用單皮層不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),國(guó)際一流品牌生產(chǎn)商有采用海綿狀均一孔徑的超濾膜,相比較而言,這種結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了膜絲的機(jī)械強(qiáng)度,降低了膜絲的斷絲率。據(jù)其官方網(wǎng)站統(tǒng)計(jì)其生產(chǎn)的超濾膜年斷絲率小于千萬(wàn)分之五。

        ⑷超濾膜抗污染負(fù)荷能力高,設(shè)計(jì)膜通量大,使用壽命長(zhǎng),能夠有效進(jìn)行各種化學(xué)清洗,長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本低。

        ⑸超濾膜運(yùn)行方式簡(jiǎn)單,可靠性高,容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,做到一鍵啟停,減少工人日常的操作量。

        超濾膜以其諸多優(yōu)勢(shì),迅速取代了傳統(tǒng)混凝-沉淀-砂濾工藝,成為反滲透系統(tǒng)預(yù)處理的核心工藝。超濾工藝的引入,為反滲透系統(tǒng)的安全、長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí),可以有效提高反滲透系統(tǒng)的膜通量,提高反滲透膜的回收率,提升膜元件的使用效率。

        2.2 超濾膜的缺點(diǎn)

        ⑴超濾膜設(shè)備成本較高,一次性投資較大。因此,在選擇水處理方案時(shí),首先要了解需處理的水源水質(zhì)情況,對(duì)于水質(zhì)復(fù)雜的綜合性廢水應(yīng)當(dāng)采用超濾+反滲透膜的雙膜法工藝。對(duì)于水質(zhì)單一,水質(zhì)較好的水源,一般采用超濾膜技術(shù)進(jìn)行處理,降低處理成本。

        ⑵超濾膜在水處理應(yīng)用中,膜的污染是不可避免的。隨著超濾膜運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng),膜絲攔截的污染物在不斷增加,膜表面及孔徑會(huì)逐漸被堵塞,膜通量不斷下降,膜的進(jìn)水壓力和跨膜壓差在不斷增大。此時(shí),根據(jù)運(yùn)行情況需要對(duì)膜進(jìn)行清洗,清洗包括物理清洗和化學(xué)清洗,化學(xué)清洗需要根據(jù)污染物的類(lèi)型、污染程度選擇合適的清洗藥劑和清洗方法,通過(guò)合理的清洗方案快速恢復(fù)膜的性能,保證正常運(yùn)行。

        ⑶超濾膜是通過(guò)壓力驅(qū)動(dòng)進(jìn)行過(guò)濾,所以需要選擇合適的動(dòng)力設(shè)備,這樣無(wú)疑就增加了水處理過(guò)程中的設(shè)備投資和能源消耗。因此,要根據(jù)超濾膜系統(tǒng)的規(guī)模,選擇最經(jīng)濟(jì)合理的動(dòng)能設(shè)備。

        3 超濾膜在中水回用中的應(yīng)用

        某鋼鐵公司脫鹽水站負(fù)責(zé)全公司煉鐵、煉鋼、熱軋、冷軋各產(chǎn)線(xiàn)除鹽水的供應(yīng),其水源為公司綜合性廢水經(jīng)污水處理廠(chǎng)處理后的中水,水量、水質(zhì)波動(dòng)大,隨生產(chǎn)周期和季節(jié)而變化。該脫鹽水站設(shè)計(jì)工藝為超濾+反滲透的雙膜法水處理工藝(工藝流程如圖1)。

        圖1 脫鹽水站工藝流程圖

        該工程超濾系統(tǒng)主要由自清洗過(guò)濾器、超濾供水泵和超濾膜組件組成。超濾膜組件采用了某國(guó)際品牌UNA-620A超濾膜,該膜組件為外壓式,材質(zhì)為聚偏氟乙烯(PVDF),精度為0.1 um。該中水回用系統(tǒng)共設(shè)置了6 套超濾,單套超濾系統(tǒng)有96 根膜組件,設(shè)計(jì)進(jìn)水量為280 m3/h,產(chǎn)水量260 m3/h,濃水量為20 m3/h,系統(tǒng)回收率大于90%。

        3.1 超濾系統(tǒng)EFM應(yīng)用穩(wěn)定性分析

        超濾膜系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的污染是不可避免的,因此,要保證超濾系統(tǒng)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行,控制膜系統(tǒng)膜污染至關(guān)重要。解決膜系統(tǒng)膜污染,一方面要做好超濾系統(tǒng)的預(yù)處理系統(tǒng),同時(shí),選擇更好的膜通量,可以減少膜組件的污染。另一方面,控制膜組件污染,選擇“維持高膜通量”(EFM)運(yùn)行工藝,在運(yùn)行過(guò)程中,可以有效提高膜通量,長(zhǎng)時(shí)間保持膜組件的清潔,達(dá)到膜系統(tǒng)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

        目前,超濾系統(tǒng)采用的常規(guī)運(yùn)行工藝為化學(xué)清洗(CIP),當(dāng)跨膜壓差達(dá)到設(shè)計(jì)值或產(chǎn)水量不足時(shí),通過(guò)CIP 清洗工藝恢復(fù)膜組件的膜通量?;瘜W(xué)清洗(CIP)化學(xué)藥劑成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、清洗時(shí)間長(zhǎng),對(duì)于連續(xù)性供水生產(chǎn)單位存在周期性影響。隨著人們對(duì)膜系統(tǒng)運(yùn)行工藝認(rèn)知的逐漸提高,部分污染的膜組件比完全污染的膜組件更容易清洗,“維持高膜通量”(EFM)工藝被人們應(yīng)用到超濾系統(tǒng)運(yùn)行中。這種新的工藝可以設(shè)計(jì)為日常操作的自動(dòng)程序,不需要人工干預(yù),EFM 可以減少化學(xué)藥劑種類(lèi),降低化學(xué)藥劑濃度。一個(gè)完整的CIP 需要24 h,甚至更長(zhǎng),而EFM 只需要40 min,甚至更短,減少了單套膜組件系統(tǒng)的停工時(shí)間。采用EFM 工藝人們主要關(guān)注的是重復(fù)清洗是否會(huì)影響膜的壽命,PVDF膜組件具有高強(qiáng)度的化學(xué)抵抗力,根據(jù)膜廠(chǎng)家化學(xué)疲勞測(cè)試,甚至在高濃度化學(xué)藥劑(5000mg/L Cl)及高溫情況下,PVDF 膜組件依然保持了其機(jī)械強(qiáng)度。從測(cè)試和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,該膜的化學(xué)抵抗力完全具備EFM 運(yùn)行工藝的應(yīng)用。采用EFM 后可以減緩超濾系統(tǒng)跨膜壓差的增長(zhǎng)趨勢(shì),保持超濾系統(tǒng)的穩(wěn)定性,如圖2所示。

        圖2 超濾系統(tǒng)EFM

        3.2 超濾系統(tǒng)跨膜壓差(TMP)分析

        該工程超濾系統(tǒng)采用了恒流變頻的運(yùn)行模式,即超濾進(jìn)水量、產(chǎn)水量和濃水量恒定不變,始終保持設(shè)計(jì)值,當(dāng)其中任一水量發(fā)生變化時(shí),操作人員通過(guò)調(diào)整超濾供水泵的變頻器頻率和濃水手動(dòng)閥的開(kāi)度,使進(jìn)水量、產(chǎn)水量和濃水量恢復(fù)到設(shè)計(jì)值運(yùn)行,超濾系統(tǒng)的跨膜壓差如圖3所示。

        圖3 超濾系統(tǒng)跨膜壓差

        隨著超濾系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加,膜組件的污染物也在不斷累積,超濾系統(tǒng)的跨膜壓差也在不斷增長(zhǎng),當(dāng)跨膜壓差增長(zhǎng)至化學(xué)清洗(CIP)的設(shè)計(jì)值或系統(tǒng)水量無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),通過(guò)化學(xué)清洗(CIP)來(lái)恢復(fù)超濾膜的膜通量,降低超濾系統(tǒng)的跨膜壓差,保證系統(tǒng)產(chǎn)水量。從該工程超濾系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析,可以看出,超濾系統(tǒng)的運(yùn)行良好,運(yùn)行周期保持較長(zhǎng),表明了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)跨膜壓差基本控制在0.5~1.2 bar 左右,通過(guò)化學(xué)清洗(CIP)該系跨膜壓差恢復(fù)較好,但隨著膜組件使用年限的增長(zhǎng),化學(xué)清洗周期也在逐漸縮短,說(shuō)明該膜組件隨著使用壽命其性能也在逐步衰減。

        4 結(jié)論

        綜上所述,水是人們?nèi)粘I詈凸I(yè)發(fā)展不可或缺的資源,關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈,隨著超濾膜生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高和成熟,超濾膜以其操作簡(jiǎn)單、耐沖擊負(fù)荷、出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),作為反滲透系統(tǒng)的預(yù)處理單元,被廣泛應(yīng)用于中水回用。因此,對(duì)于超膜技術(shù)要不斷的進(jìn)行研究,使其能夠在水處理行業(yè)長(zhǎng)期而穩(wěn)定的應(yīng)用,為發(fā)揮水資源做出最大的效用。同時(shí),超膜在水處理工藝中的廣泛應(yīng)用,既可以取得可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益,又能夠減少?gòu)U水排放,在環(huán)境保護(hù)方面效益也十分顯著,具有廣泛的推廣價(jià)值。

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