段小冰,王保霞,劉明遠,劉 磊,凈曉星,侯志廣

（北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064404）

前言

隨著水資源的短缺和生態(tài)環(huán)境的惡化，國家提出了更為嚴格的污水排放標準，在這種形勢下，膜技術作為20 世紀90 年代的主流高新技術，在水處理行業(yè)得到了快速發(fā)展和應用。膜技術主要包括微濾、超濾、納濾、反滲透等幾類，其中，以超濾為核心的反滲透預處理工藝，因其設備占地少、操作簡單、運行靈活、產水水質穩(wěn)定、水質好等優(yōu)勢，迅速發(fā)展為反滲透預處理系統(tǒng)的主導工藝，被大規(guī)模應用到工業(yè)生產上。

1 超濾概述

超濾是一種以壓力為推動力的膜分離技術，能夠將溶液進行凈化、分離或濃縮，優(yōu)于傳統(tǒng)的過濾技術。超濾膜在外界壓力的推動下，將水中非溶解雜質全部截留，達到凈化水體的目的。目前，生產超濾膜的主要材質為聚偏氟乙烯（PVDF），其抗氧化能力、機械強度以及拉伸力均明顯優(yōu)于其他材質。超濾膜因其本身特性，對進水水質要求低，能夠截留病毒、大分子膠體，產水水質好且穩(wěn)定；超濾抗污染負荷能力強，膜通量大，使用壽命長，長期運行成本低；設備占地面積小，節(jié)省空間；易實現(xiàn)自動化，操作方便簡單，能夠降低工人體力勞動強度；運行過程中不需要添加任何化學藥劑，無二次污染。超濾膜以其優(yōu)越性能，迅速發(fā)展為反滲透系統(tǒng)的核心預處理工藝，保障反滲透系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2 工藝流程

某鋼鐵公司中水回用脫鹽水站采用多介質過濾器+超濾+反滲透裝置對中水進行脫鹽處理，以超濾作為反滲透系統(tǒng)的預處理裝置，其工藝流程圖如圖1。

圖1 脫鹽水站工藝流程圖

污水處理廠處理后的中水通過管網進入脫鹽水站，在進水管道上投加氧化性殺菌劑次氯酸鈉，然后進入多介質過濾器，多介質過濾器產水進入超濾供水池，經過超濾供水泵進入超濾裝置，超濾產水進入超濾產水池，最后通過反滲透供水泵、保安過濾器、高壓泵進入反滲透系統(tǒng)進行脫鹽處理。

3 超濾裝置

該系統(tǒng)共設有6 套超濾，每套產水量為260 m3/h，設計總產水量為1 560 m3/h。超濾膜元件采用了旭化成UNA-620A，外壓式中空纖維膜，材質為聚偏氟乙烯（PVDF），精度為0.1 μm。單套超濾系統(tǒng)由96 根膜元件組成，設計進水量為280 m3/h，產水量260 m3/h，濃水量為20 m3/h，系統(tǒng)回收率大于90%。

為了便于崗位職工運行操作和保證后道工序反滲透系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，超濾系統(tǒng)采用了恒流的運行模式，即超濾進水量、產水量和濃水量保持恒定不變。為實現(xiàn)恒流運行模式，超濾供水泵設計為變頻泵，當超濾系統(tǒng)進水量、產水量和濃水量任何一個水量發(fā)生變化時，崗位人員通過調整超濾供水泵的變頻器頻率和濃水手動閥的開度，使進水量、產水量和濃水量始終保持恒定不變。

4 運行管理

在脫鹽水站的運行管理中，超濾膜系統(tǒng)至關重要，其過濾精度高于傳統(tǒng)預處理系統(tǒng)，產水水質好且穩(wěn)定，大大提高了反滲透系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

4.1 超濾系統(tǒng)日常運行管控

4.1.1 余氯控制

在中水回用系統(tǒng)中，受水溫、水質影響，微生物滋生較為嚴重，為保證超濾系統(tǒng)能夠長周期穩(wěn)定運行，在中水進入超濾系統(tǒng)前投加一定量的次氯酸鈉。根據水質情況，投加量有所不同，一般控制在0.5～1 mg/L，超濾產水余氯值控制在0.03 mg/L。定期對超濾產水進行余氯監(jiān)測，如果余氯值很低或者無，說明中水中微生物滋生嚴重，要增加次氯酸鈉的投加量，加大對中水的殺菌處理。反之，如果余氯值較高，要及時降低次氯酸鈉的投加量。這樣既能保證超濾系統(tǒng)不被微生物污染而影響正常運行，又不會因余氯含量過高氧化反滲透膜元件，保證反滲透系統(tǒng)的安全運行。

4.1.2 流量控制

超濾系統(tǒng)采用恒流運行模式，每套超濾裝置進水設置1 臺流量調節(jié)閥，根據超濾產水流量計發(fā)出的流量信號控制調節(jié)供水泵的揚程，以達到產水流量恒定，防止產水和水質波動，延長超濾運行壽命。該系統(tǒng)超濾產水量控制為260 m3/h，濃水量控制為20 m3/h。

4.1.3 運行時間、周期控制

超濾系統(tǒng)作為反滲透系統(tǒng)的預處理單元，主要作用是攔截去除水體中的懸浮物和膠體顆粒等物質，因其本身特性，運行方式一般為間歇性，即正沖、運行、反洗為一個小周期，三個步驟循環(huán)運行。系統(tǒng)啟動后，首先進行正沖，一般時間控制在60 s，正沖結束后進入運行，運行時間控制在30 min，最后進入反洗，反洗時間控制在90 s，超濾系統(tǒng)采用反洗方法來達到去除膜表面的沉積污垢。超濾系統(tǒng)雖然反洗可以去除膜表面的一些沉積污垢，但達不到完全去除，隨著運行周期的延長，膜表面沉積污垢會不斷積累，因此，在運行到一定程度時，需要進行增強維護性循環(huán)清洗（EFM）。在該系統(tǒng)中，運行60個小周期進行一次EFM。

4.1.4 跨膜壓差控制

跨膜壓差（Trans－ Membrane Pressure Drop簡稱TMP），是膜設備運行的一個重要參數，指驅動水透過膜所需要的壓力，即進水壓力與過濾壓力的差值?？缒翰钍苣ぴ旧砟そz孔徑大小影響，孔徑小的膜的跨膜壓差較大，而孔徑大的膜的跨膜壓差較??；同時，跨膜壓差因水溫、水質及膜通量大小而不同，水溫較低、水質差以及膜通量較高時，跨膜壓差較大，反之，跨膜壓差較小。該系統(tǒng)超濾膜膜絲材質為聚偏氟乙烯（PVDF），孔徑為0.1 μm，初始跨膜壓差一般在0.045 MPa 左右，隨著運行時間的延長，跨膜壓差不斷增長，增長至0.08 MPa 左右時，對超濾系統(tǒng)進行化學清洗，降低其跨膜壓差，恢復膜元件性能，保證超濾系統(tǒng)穩(wěn)定的產水量。

4.1.5 產水SDI值控制

在膜法水處理技術中，污泥密度指數SDI值，也稱為污染指數[1]，是衡量反滲透進水水質的一個重要指標，在超濾+反滲透系統(tǒng)工藝中，實際上也反映超濾產水的水質情況。超濾產水SDI值一般控制在1～3，最大不能超過5。如果超過5，屬于污染水質，不能進入反滲透系統(tǒng)。此時要對預處理系統(tǒng)進行檢查，首先對超濾系統(tǒng)的進水水質進行SDI檢測，如果SDI值檢測值很高，說明原水水質污染，要及時對污水處理系統(tǒng)的混凝澄清及過濾進行調整，改善水質。如果超濾進水水質正常，說明超濾膜元件有斷絲情況，要對超濾系統(tǒng)所有膜元件進行氣密性檢測，對有斷絲的膜元件及時進行封堵。

4.2 超濾系統(tǒng)清洗

在膜法水處理運行過程中，膜的污染是不可避免的，膜元件表面會被截留的各種污染物所覆蓋，甚至膜孔也會被更為細小的雜質堵塞，造成膜元件性能下降。因此，一般超濾系統(tǒng)都會采取清洗技術來恢復膜元件的性能。膜清洗方法可分為物理清洗和化學清洗兩大類。在日常運行管理過程中，先采用物理清洗方法，如果無效或效果不佳，再采用化學清洗方法。

4.2.1 物理清洗方法

物理清洗方法是利用機械的力量去除膜表面的污染物，是一種比較原始而且有效的方法，在清洗過程中不投加任何化學藥劑，清洗過程中不發(fā)生任何化學反應，不會產生二次污染。

該超濾系統(tǒng)采用的物理清洗方法是等壓大流量沖洗法和氣-水混合擦洗法。等壓大流量沖洗法通過沖洗水泵，增大膜元件中水的流速沖洗膜表面的污染物，這對去除膜表面大量松軟的大顆粒雜質非常有效。在沖洗過程中，關閉產水閥，打開濃縮水出口閥，單支膜元件沖洗水流量6 m3/h，沖洗時間3～5 min。氣-水混合擦洗法，將凈化后的空氣通過進氣管與水同時送入超濾膜元件，氣-水混合流體使膜絲產生抖動，去除膜絲表面一些比較頑固的污染物，壓縮空氣控制壓力為0.2 MPa，流量為 5 m3/h。超濾系統(tǒng)的物理清洗根據膜元件污染規(guī)律，可采用周期性的定時清洗，清洗可以手動清洗，也可以通過程序設定實現(xiàn)微機自動清洗。

4.2.2 化學清洗方法

超濾系統(tǒng)膜元件長期運行，污染物不斷積累，最終也會被污染而導致膜元件性能衰減，產水量下降，壓差不斷增加，當壓差上升到一定程度時，通過沖洗、氣-水混合擦洗等物理清洗方法不能恢復膜元件的性能時，必須通過化學清洗方法來恢復膜元件的性能?；瘜W清洗方法是通過化學藥品與污染物進行化學反應去除膜表面的污染物。在化學清洗時要注意化學藥品的選擇，一是不能選用與膜元件及組件發(fā)生化學反應的藥品，二是不能因使用化學藥品而產生二次污染[2]。

該超濾裝置化學清洗系統(tǒng)主要由清洗泵、酸堿清洗藥箱和相應的閥門、管路組成。清洗藥劑在膜元件內循環(huán)流動來清除污染物。當跨膜壓差增長至0.08 MPa時，對超濾系統(tǒng)進行化學清洗。進行化學清洗前，首先要確定污染物，根據污染物性質決定酸洗或堿洗。對于有機物、微生物、膠體的污染，采用堿洗。

用1%的氫氧化鈉和3 000 mg/L的次氯酸鈉配制清洗藥液，pH 值調整至12，配制好的清洗藥液低流量循環(huán)2 h（pH 值降低時，及時補充堿液，保證pH值12），浸泡2 h，再循環(huán)2 h，浸泡8 h，大流量循環(huán)2～3 h。循環(huán)后沖洗，使pH 值接近中性，然后投入運行。對于無機物結垢或金屬性污染，采用酸洗。配制2%的檸檬酸清洗藥液，pH 值調整至2，對于污堵嚴重的或使用檸檬水清洗效果不佳的，可以采用0.5%的鹽酸配制清洗藥液，pH 值調整至2，低流量循環(huán)3 h（pH 值升高時，及時補充酸液，保證pH 值2），浸泡8 h，大流量循環(huán)2～3 h。循環(huán)后沖洗，使pH 值接近中性，然后投入運行。在清洗過程中，要不定時檢測清洗藥液pH 值，及時補充相應藥液，循環(huán)浸泡根據清洗情況可以重復操作，直至清洗藥液pH 值無變化。同時，要控制好清洗藥液的溫度，一般溫度控制在35～40 ℃，溫度適宜，有利于藥液的化學反應，污染物去除效果好；如果溫度過高，超過40 ℃，會破壞膜絲性能，導致膜絲老化，降低膜絲使用壽命。如果溫度低，化學反應差，清洗效果也差。

4.3 停機保護

在日常生產運行過程中，根據生產負荷，超濾裝置有可能會出現(xiàn)停用情況。如果超濾裝置停用，要做好停用管理。短期停用，停用1天以上，需要每天沖洗1次；長期停用，停用一個月以上，需要配制1%的亞硫酸氫鈉保護液，充滿超濾系統(tǒng)膜元件，關閉進出口閥門，防止膜元件氧化及污染結垢。

5 結論

對于中水回用脫鹽水站超濾系統(tǒng)，做好日常指標管控，加強日常運行管理，才能保證超濾系統(tǒng)產水的合格穩(wěn)定，同時也能延長超濾膜元件的使用壽命，進而確保反滲透系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。該系統(tǒng)自投產以來，運行穩(wěn)定，指標良好，膜元件使用壽命已達十年以上。超濾膜在中水回用中的成功應用，成為了在污水循環(huán)利用，節(jié)約水資源工作中的又一重要手段。它的應用不僅能夠取得可觀的經濟效益，而且在環(huán)境效益方面作用也十分顯著，超濾裝置在中水回用中的應用具有重要的示范意義。