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双膜法在苦咸水淡化工程中的应用

发布时间:2019-07-10 09:35
Application of double membrane in brackish              water desalination project
 
【Abstract】With the rapid economic development, the environment suffered serious pollution, water shortages growing, so sewage and seawater desalination project is also vigorously promoted. This article is mainly for seawater desalination to explore the East China Sea, desalination treatment methods are discussed in the main text of microfiltration (MF) and reverse osmosis membrane method of combining two, which can effectively reduce the water SDI15 MF value, providing qualified for subsequent reverse osmosis water; reverse osmosis to remove most of the salts in the water so that the conductivity of 20 ~ 40μS/cm down 10μS/cm more or less, you can meet the requirements of plant water use.
Keywords:Microfiltration; reverse osmosis; double membrane; brackish water; desalination
随着经济的快速发展,我国的水污染问题越来越严重,水资源处于严重短缺的地步,废水再利用和海水的淡化工程越来越受到人们的重视。水不仅仅是人们生活和生存的必要物质同时也是工业的命脉,随着工业的进步与发展工业用水量也在逐年的增加,然而在淡水资源相对短缺的我国,企业不得不从其他的渠道来解决工业用水的问题,本文以广东理文造纸厂对东海苦咸水的淡化工程为例来探讨双膜法在苦咸水淡化工程中的应用。
1 苦咸水处理系统概况
广东理文造纸厂造纸水源取自东江三角洲洪屋涡水道下游的太阳洲东海,临近东江南支流河口,由于受咸潮上溯与上游污水排放的影响,水质较差,不能直接满足生产的需要。为解决水质问题,该公司采用了微滤+反渗透双膜法对苦咸水进行淡化处理。该公司现共有四期水处理系统,其中第三期水处理系统,处理能力约为1040m3/h,于2008年9月份开始投入运行,其工艺流程及水量平衡如图1所示。

图1 工艺流程及水量平衡示意图 Fig. 1 Schematic diagram of process and water balance
 

图1 工艺流程及水量平衡示意图
Fig. 1 Schematic diagram of process and water balance
 
2 微滤运行情况分析
2.1 微滤装置简介
微滤(MF)不仅可以有效去除颗粒状物质(包括微生物,如隐孢子虫、贾第虫、细菌和病毒)。还可以通过降低消毒副产物前驱物的浓度来减少消毒副产物的生成量。相比传统工艺具有较大的技术优势[1~2]。此外,微滤膜产品性能稳定、价格低廉,使得该技术具有广阔的应用前景。理文造纸第三期水处理系统共设置7套能够独立运行的微滤装置,每套有68支膜组件,每套设计产水量为268m3/h,总产水量为1876 m3/h。微滤单元采用的是日本旭化成公司的UNA-620型号的外压式错流过滤微滤膜组件,膜面积为50m2/支,设计通量为80L/m2.d,是温度为20℃,进水浊度小于5时,属海水适用的膜通量70-85L/ m2.d范围。
微滤装置有:由天津膜天膜公司提供的两支中空纤维微滤膜组件MOF910,材质为聚偏氟乙烯,单支组件膜面积为7 m2 ,膜孔径0. 2μm。试验采用的过滤方式是外压错流式过滤,反洗采用气水双洗。运行周期为产水25 min ,空气擦洗与水反冲洗相结合冲洗20 s,水反冲洗40 s,最后正冲洗30 s。每天用0. 5 %的氢氧化钠溶液进行一次化学加强反洗。微滤膜采用日本三菱公司生产的聚乙烯中空纤维膜,膜孔径011μm,膜丝内径0127 mm,外径0142 mm,膜面积210 m2。
连续微滤(CMF) 膜组件采用天津工业大学研制的内压式亲水性聚醚砜中空纤维微滤膜组件(160 mm×1 790 mm) 1 根,膜总面积17.5 m2,孔径0.1 μm。反渗透(RO) 膜组件采用海德能LFC3- LD 型8 英寸组件,共2 根,膜总面积74.4 m2。CMF 是以中空纤维微滤膜为中心处理单元,并配以特殊设计的管路、阀门、自清洗单元、加药单元和PLC自控单元等形成闭路连续操作系统。主要包括:预过滤系统、微滤主机、供水系统、反冲洗系统、压缩空气系统、化学清洗系统以及PLC 自控系统等,如图2 所示。
图2 连续微滤装置示意图 Fig.2 The Schematic diagram of CMF 
 
图2 连续微滤装置示意图
Fig.2 The Schematic diagram of CMF
 
预过滤系统为过滤精度0.5mm 的保安过滤器,以防异物进入CMF 系统;微滤主机及供水系统为22 台单机,设计为20 用2 备,日处理水量48000t,每2 台设备共享一个机架,恒流量独立运行。每台设备有膜组件25 个,膜组件采用中空纤维外压式膜,具体技术参数见表1。
表1 连续微滤组件技术参数
Table 1 The technical parameters of CMF

过滤形式   膜材料   孔径(μm)  过滤速度(m3/h)  最大运行压力(MPa
外压式   中空纤维     0.2            1.01~1.20              ≤0.15
 
 
2.2 微滤进水水质特征
取自河边的水源经过絮凝沉淀及砂滤预处理后,进入微滤(UF)及超滤(RO)系统,经预处理后微滤进水水质指标见表2所示。该纸厂取水经过预处理后微滤进水水质具有含盐量高、有机物含量较高的特点。
表2 微滤进水水质指标 Table 2 Microfiltration water quality indicators
2.3 微滤装置运行情况
2.3.1 微滤调试情况
理文造纸厂三期水处理系统微滤装置于2008年4月开始调试运行,其调试数据见表3所示。
 表3 UF调试数据 Table3 UF debug data
2.3.2 微滤运行情况
微滤(MF)系统调试后从2008年4月到2010年4月运行情况如图3、4、5所示。

MF产水流量(m3/h)曲线 Fig3 MF production flow (m3 / h) curve 
图3  MF产水流量(m3/h)曲线
Fig3 MF production flow (m3 / h) curve
 
 
 
UF产水SDI曲线 	Fig4 UF water-yielding SDI curve 
图4 UF产水SDI曲线
Fig4 UF water-yielding SDI curve
 
图5 MF运行跨膜压差曲线图
Fig5 MF run transmembrane pressure graph
三期MF在调试正常运行后,第一年情况良好,产水品质稳定,产水流量也基本稳定。一年到一年半这一段时间,产水SDI上升至3~4,09年5月对膜进行了检测和修复,SDI恢复到3以内;运行半年后SDI又出现上升,在10年3月对膜进行了检测和修复,SDI再次恢复。在投运以来产水量一直稳定。
 
2.4 膜污染分析及解决方案
Crows等[3]发现,改变操作条件也可在一定程度上控制膜的不可逆污染,建议中空纤维滤膜的跨膜压力最好小于1.0bar,以减轻不可逆污染。因此,在微滤膜实际运行中,不能为追求高产水通量而一味地提高操作压力,而是既要保持较高较稳定的产水通量,又要避免过高操作压力造成膜性能的大幅度下降,形成不可逆污染。本试验选择0.06MPa作为微滤试验运行时的操作压力。
首先,将管道中的滤液排空,用泵入清水清洗3~4 min 后排掉, 重复上述步骤直至清洗水体无浑浊后放空;然后用一定浓度的次氯酸钠和十二烷基苯磺酸钠(0.3%)混合溶液循环清洗约3 min,最后用酸中和。在每个清洗周期后, 进行清水通量试验, 如图6。结果表明每次清洗后通量平均恢复96.8%, 降低部分主要原因可能是由于反洗过程中对于浓差极化造成的膜表面污染被恢复, 但膜组件内部形成的污染仍然存在, 导致通量降低[4]。反冲洗采用自动控制,3组膜组件在一个周期内依次进行反冲洗,运行周期为2h, 两组MF的反冲洗间隔为39 min, 反冲洗时间为1 min, 采用气水反冲洗。
清洗及通量恢复情况同时间关系 
图6 清洗及通量恢复情况同时间关系
Fig6 cleaning and flux recovery situation with the time
膜分离技术的一个重要问题是膜污染,并由此造成膜阻力的不断增加,膜通量随过滤时间的不断衰减[5]。膜污染一般分为两类: 不可逆污染和可逆污染。不可逆污染主要由膜孔吸附或膜孔堵塞造成,需化学药剂清洗方可消除;而可逆污染主要由膜表面附着层造成,其阻力占膜过滤总阻力的90 % 以上,且采取物理方法清洗可大部分消除[6]。由于膜通量随过滤时间的不断衰减,本文采用平均膜通量Ja作为膜过滤性能的评价指标,即Ja = QT/ Sm T,其中QT为膜组件在每一运行周期内的总产水量;Sm 为膜面积[7]。为了减少膜污染的程度,保持膜过滤性能的稳定,本研究采用周期反曝气运行方式以吹脱沉积在膜表面的泥饼层, 反曝气气量014 m3/ h,气压0115 MPa,每次反曝气时间3min,考察在不同运行周期条件下膜过滤性能的变化。
微滤在调试正常运行后,由于设计通量(120lmh)过大,一直都存在产水不足;靠每天不断CEB维持产水量,另一方面由于预处理从安装到08年元月无砂滤器,MF进水水质一直不稳定,导致MF产水量下降迅速,在运行到半年时水通量已下降了7%;运行至今已下降40%。但产水SDI一直很稳定。在08年投用砂滤器后UF进水水质得到改善,浊度几乎控制在2NTU以内。CIP周期由开始运行的3个月提高到一个月,但产水通量已无法恢复到初始值。
图7 (a) 显示了运行周期分别为30,60 和90 min 试验条件下平均膜通量随着过滤时间的变化情况。可以看出,在初始膜通量均为50 L/ (m2·h) 情况下,系统平均膜通量随过滤时间均有一定程度的下降,但在膜周期反曝气条件下,又均可达到一定程度恢复,其恢复率分别为95 %,90 %和85 %.图7 (b) 显示3 个不同运行周期条件下的周期产水量,由图7(b) 可见,在运行周期T = 30 min 时, 膜过滤性能较为稳定,周期产水量也比较大。试验结果表明,膜周期反曝气可较大程度地吹脱沉积在膜表面的泥饼层,减小膜污染,恢复膜通量,有效地维持了膜过滤性能的稳定。
硕士论文中对操作特性对膜过滤性能的影响视图operating characteristics influence on membrane filtration performance 
图7 操作特性对膜过滤性能的影响 
Fig7 operating characteristics influence on membrane filtration performance
 
膜污染种类主要有颗粒/胶体,采用水力剪切-水反洗/空气擦洗来解决;无机物污染主要采用水力剪切/化学酸洗解决;有机物污染主要采用化学清洗的方法来解决;微生物及其分泌物污染主要采用化学清洗的方法来解决。为了保证处理后水的质量,保证造纸工作正常进行,造纸厂对膜丝进行检测,具体如表4所示。
一年到一年半这一段时间,产水SDI上升至3~4,09年5月对膜进行了检测和修复,SDI恢复到3以内;运行半年后SDI又出现上升,在10年3月对膜进行了检测和修复,SDI再次恢复。在投运以来产水量一直稳定。
三期UF膜丝检测结果
3 反渗透运行情况
3.1 反渗透装置简介
反渗透: 卷式反渗透组件LFC1-4040和TFC-HR-4分别为美国海德能公司和美国Koch滤膜公司的产品,材质都为芳香族聚酰胺复合材料,膜面积分别为7.9 m2 和7.2 m2。反渗透膜的工作周期为1h ,之后进行40 s 的冲洗。反渗透浓水分为两部分,一部分回流,以满足反渗透进水流量,其余部分排放。反渗透系统进行部分浓水回流以提高产水率,回流比为0.4;控制一段RO压力在0.35 MPa,二段RO压力在0.30MPa。
悬浮物易堆积于反渗透膜表面形成滤饼;溶解性有机物易粘附于膜面形成凝胶层;胶体物质或微生物等也会依附于膜面造成膜污染[8~9]。因此,原水在进行反渗透前必须进行预处理,除降低CODCr和浊度等指标外,一般要求反渗透系统进水水质SDI<5,以保证反渗透系统运行稳定。微絮凝过滤工艺省去了传统混凝工艺所需的反应池和沉淀池,能有效去除原水中的CODCr、胶体物质、SS和浊度等污染物质,是一种高效、经济的组合工艺。微滤采用烧结滤芯,可截留0.1~10μm大小的颗粒、细菌和胶体。预处理工艺处理效果见表5。
表5 预处理工艺处理效果
Table 5 pretreatment treatment effect
 硕士毕业论文中对于处理工艺处理效果的表5视图pretreatment treatment effect 
3.2 反渗透运行情况
造纸厂反渗透的运行情况如图8、9所示。
O5#脱盐率 
图8 RO5#脱盐率
Fig8 RO5 # desalination rate
 
RO3#压差和产水率图图9 RO3#压差和产水率
Fig9 RO3 # differential pressure and water production rate
3.3 反渗透运行过程中出现的问题及解决方案
回收率是反渗透系统中的一项重要指标,系统的回收率定义为透过液的体积除以原液体积[10],回收率是反渗透技术中的重要指标,计算公式为:Y= Qp/Q ×100%
式中,Y为回收率;Qp为透过液流量;Q为进水量。由于垃圾渗滤液成分复杂,污染物浓度高,反渗透系统长期运行,在膜上浓水侧会积累水垢、有机物、胶体、金属氧化物和细菌等物质,造成膜污染[11~12],因此污染膜必须及时清洗。
反渗透膜清洗过程:反渗透清洗前,先用蒸馏水在水温30 ℃,压力0.9 MPa,频率47 Hz 条件下的测量膜通量。清洗时,首先进行水洗,用蒸馏水无压高速水流冲洗30 min,使膜表面污染物随高流速水冲走;调整运行参数为压力0.9 MPa,频率47 Hz,循环水洗30 min,使膜内部污染物得以清洗。再进行酸/碱洗,调整泵流量,将NaOH(0.1%)或HCl(0.1%)的清洗液以低流速,低压力进入反渗透系统将原水置换(低流速,低压力以防清洗液稀释)。维持水温<40 ℃,压力0.9MPa,频率47 Hz,使清洗液在系统中循环冲洗1 h。酸/碱洗之后用蒸馏水冲洗至滤出液出水为中性,在30 ℃压力0.9 MPa,频率47 Hz,测定通量恢复情况。
4 双膜法对苦咸水淡化的效果
(1)经过陶瓷微滤预处理后,出水的COD、NH3-N去除率、脱盐率分别维持在50.3%、30.2%、30.1% 以上。出水能达到反渗透膜进水要求并能有效提高反渗透系统的水回收率。
(2)经过一级反渗透处理后,出水的COD、NH3-N去除率、脱盐率分别维持在94.8%、91.3%、81.6%以上。表明渗滤液中有机污染物已被大量去除。
(3)经过二级反渗透处理后,出水的COD、NH3-N盐率分别维持在80.1%、81.3%、85.1% 以上。
(4)“多孔陶瓷微滤+二级反渗透”工艺处理垃圾渗滤液出水的COD<30 mg/L,NH3-N<25 mg/L,电导率<180 μm/cm,出水效果非常好,达到《生活垃圾填埋污染控制标准》GB16889-2008。
(5)一级反渗透系统脱盐率、COD 去除率、膜通量随运行时间延长而降低,系统需定时清洗,清洗周期为400 min,回收率控制在65%~70%。
(6)先碱洗后酸洗的方法更有利于反渗透膜通量的恢复,膜通量可恢复到新膜渗透通量的95%。
系统在运行周期T = 30 min,3 min 周期性反曝气的过滤/ 反曝气交替运行方式下, 膜曝气可以大幅度地清除膜表面的泥饼层, 有效地恢复膜通量, 维持膜过滤性能的稳定。系统主要负责去除大部分水中的悬浮物、胶体、细菌、微生物和部分COD和BOD,使出水达到反渗透的要求;反渗透主要负责脱除水中的可溶性盐分、胶体、有机物及微生物,使出水达到用户要求。通过此系统,则企业即使在盐度的水域中也能通过淡化设备制备水源,而在盐度降低至可以接受的程度时,则停止淡化水系统。广东理文三期水厂于2007年12月开始投入运行,调试正常运行后,第一年情况良好,产水品质稳定,产水流量也基本稳定。
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