水处理系统反渗透预处理超滤系统的工艺选择

电厂化学水处理系统反渗透预处理超滤系统的工艺选择——黄河水为水源的化学水处理系统的反渗透预处理超滤系统的工艺选择
杨　光Ξ
(神华包头煤化工有限公司热电站项目组)
摘　要:本文对火力发电厂化学水处理系统的反渗透预处理超滤系统的工艺选择进行了介绍,主要从用于原水的黄河水水质的特点、超滤膜的特点、超滤膜的选择、超滤膜通量的选取原则等方面进行了阐述。

关键词:水处理;反渗透预处理;超滤;选择
近几年来,随着内蒙古自治区中西部大型火力发电厂的建设,水源问题成为先决条件,由于黄河流经内蒙古自治区中西部,所以这些新建电厂基本都以黄河水作为生产用水,部分电厂以一部分中水作为补充水,如何利用好黄河水,如何处理好黄河水,就是摆在我们面前的一个课题。

针对黄河水含盐量较高的特点(年平均含盐量在750m g L左右),通常将反渗透作为化学水处理系统的一级除盐,反渗透系统运行的好坏,直接关系到整个水处理系统的安全运行,而反渗透的预处理是其安全运行的关键,目前,用于反渗透系统的预处理根据水源不同有多种工艺,如“多介质过滤”、“纤维过滤”、“多介质过滤+活性炭”、“自清洗过滤+超滤”等,由于超滤具有其它工艺无法比拟的优势,我们在此讨论超滤系统的工艺选择。

1　黄河水水质的特点
根据近两年黄河水包头段的黄河水水质报告,可确定黄河水水质存在以下几个方面的特点: 3黄河水普遍存在悬浮物,含量随季节变化大,胶体含量大,水质复杂的特点。

3原水中的COD cr:11.2-29.5,BOD5:2-9,这说明原水中含有一定量的有机污染物,并且有一定微生物污染的倾向。

3原水中的细菌总量:68-330cfu m l,这说明原水中存在微生物污染。

3总硬度262-356m g L,经计算反渗透浓水侧的L S I指数1.34,有结垢倾向。

3含有一定量的钡、锶;且含有一定量的铁和溶解性二氧化硅。

2　选择超滤作为反渗透预处理用来避免RO系统受到微生物及胶体污染的困扰
如前水质报告所述,原水中存在微生物、胶体的污染,各种加药措施无法彻底去除污染,而传统过滤方式的过滤精度差,适应水质变化能力差,而超滤不仅能去除悬浮物,还能去除大部分胶体和微生物,有效地保护反渗透膜,大大延长反渗透膜的清洗周期。

由于超滤过滤孔径在0.01～0.1Λm之间,好的超滤产品能拦截所有细菌(0.5～3Λm),大部分的病毒(0.01～0.1Λm)和大部分的胶体物质(0.01～3Λm)。

因此,为保护反渗透膜元件避免受到微生物污染及胶体污染,建议采用优良的超滤产品作为反渗透的预处理。

3　预处理系统工艺流程的选择
反渗透预处理的主要目的是去除原水中的悬浮物、胶体、细菌、浊度、有机物等,保证反渗透的正常运行。

针对原水水质情况和系统回收率等主要设计参数要求,选择适宜的预处理工艺,就可以减少污堵、结垢和膜降解,从而大幅度提高系统效能,实现系统产水量、脱盐率、回收率和运行费用的最优化。

因为反渗透系统的水源是黄河水,其特点是:水
质复杂,水质随季节的不同变化较大,含盐量、硬度、有机物及悬浮物都比较高,故反渗透系统的关键在于预处理。

黄河水经过初步的预处理后,采用超滤作为反渗透的预处理,在许多被污染的地表水处理及污水回用中试和工程应用上已经证明是十分可靠的预处理工艺。

采用超滤膜分离系统作为反渗透的预处理,可较大范围地适应进水水质变化,产水水质较好且稳定。

超滤的采用可以更有效地保护反渗透装置,使反渗透膜免受污染,同时可提高反渗透膜的设计水通量。

超滤膜分离技术具有占地小、出水水质好、自动化程度高等特点。

4　超滤膜的选型
超滤(简称U F )是以压力为推动力,利用超滤膜不同孔径对液体进行分离的物理筛分过程。

超滤分离的对象主要为大分子物质,超滤的过滤精度也常以分子的质量单位D alton (道尔顿)来定义。

超滤膜的典型孔径在0.01～0.1微米之间,对于细菌和大多数病菌、胶体、淤泥等具有极高的去除率。

膜的公称孔径越小,去除率越高。

超滤膜通常使用的材料都是高分子聚合物。

这些聚合材料包括:聚砜(PS )、聚醚砜
(PES )、聚丙烯聚(PP )、聚偏氟乙烯
(PVD F )等。

膜组件结构有板式、卷式、管式和中空
纤维四种。

而中空纤维超滤膜主要分为:内压膜、外压膜两种。

观察超滤过滤、反洗的工况,实际上可以从3个方面来考虑如何选择超滤:411　原水的流道
对于内压式来说,原水(脏水)从膜丝的内腔进入,此时要注意两个问题:
原水中颗粒粒径太大,堵塞原水进入膜丝内腔的流道。

理论和实践证实,当进水中颗粒直径大于膜丝内径的1 6时,就可能发生架桥堵塞的问题。

因此内压式膜厂家通常对进水悬浮物颗粒大小进行较严格的限制,规定了超滤前处理的预过滤器精度。

原水中悬浮物浓度过高或者运行回收率较高时,污泥在内腔过渡浓缩而造成膜丝内腔堵塞。

例如当原水悬浮物含量20m g L 时,错流过滤,单程回收率95%,则膜丝内部靠近出水端的悬浮物含量高达400m g L ,这个位置水流速低,悬浮物浓度高,往往
容易发生堵塞。

见下面的示意图。

要防止内压式的这种堵塞,要么小心控制进水悬浮物含量,要么改用
错流过滤的方式(单程回收率降低,能耗大大增加)。

相比较,外压式的进水侧在膜丝的外面,内腔是洁净的产水,因此内腔不会发生堵塞。

而外侧因膜丝之间存在较大的自由活动空间,对进水悬浮物含量均要求较宽。

外压式操作条件更宽,对原水水质波动适应性更强,系统更可靠。

而外压式和内压式流道的这种差异,还带来了二者在清洗方式上的不同。

外压式普遍采用气水混合清洗的方式,利用膜丝之间存在自由活动空间,利用气水的湍流剪切作用有效地清除附着在膜丝外壁的污染物。

这种高效、廉价的清洗方式也被广泛用在
一体式的膜生物反应器中。

而内压式由于较细的膜丝内腔,气水混合后在其中只能形成或气或水的柱塞流,清洗效果不好。

因而内压式改用“分散化学清洗”。

总之在原水流道方面,外压式更优越:进水预过滤要求宽松;进水悬浮物含量限制宽松;对来水适应能力强;
412　反洗时水的流道
超滤采用的膜丝都是高分子材料制造,具有相当好的柔韧性。

在压力下会发生一定的弹性形变。

如上图所示,外压式过滤时,膜丝受从外向里的压力而被压缩,膜外表面的微孔也相应被压缩变小,过滤精度更高;而反洗时,膜丝受力向外膨胀,膜丝外表面的微孔扩张,从而更彻底洗去可能进入膜孔的杂质。

是一种优化的正向和反向过程。

而内压式却恰恰相反。

过滤时,膜丝受从内向外的张力而膨胀,膜丝内表面过滤层上的微孔扩张,降低了过滤精度;而反洗时膜丝却受压收缩,膜丝表面的微孔闭合,使得进入内部的杂质无法洗出。

因而清洗效果不好,长期运行的通量衰减较快。

413　膜的抗污染性和可清洗性
超滤膜在应用中存在的两个重要问题,一是膜本身的抗污染能力,一个是被污染后能够清洗恢复的能力。

项目外压式内压式说明
材质PVDF PES
进水悬浮物要求最大300N TU最大100N TU外压式进水条件更宽
水质变化适应能力强弱运行模式决定
耐氯5000ppm200ppm外压式耐氯更强
运行周期长短在水质较差的情况下,外压式纳污量大,运行周期长,动力消耗低
气擦洗有无外压式通过廉价有效的气擦洗,就能恢复通量,从而降低了药品消耗和运行费用
化学分散清洗无有内压式消耗更多的药品,增加运行费用。

化学清洗有有PVDF比PES更耐清洗
自用水率5～10%≥10%外压式自用水率更低
膜抗污染能力和很多因素有关,但主要是和膜的材质有关。

PVD F是一种含氟的工程塑料,界面张力大,难以被污染。

处理被污染水体时,在3个小时的运行后,PVD F膜的通量衰减速度是最低的,比聚砜(和聚醚砜类似)、聚丙烯腈、醋酸纤维素等都好。

另外,膜最容易发生也最难处理的是有机物的污堵。

此时清洗最有效的方式是氧化剂清洗。

而在耐氧化剂方面,PVD F膜恰恰是最强的。

它允许用户在高浓度下长时间清洗,确保通量的恢复和膜丝的化学稳定性。

而其它的材料,例如聚醚砜、聚砜、聚丙烯腈、聚丙烯则会因为频繁的化学清洗而引起性能的下降。

比较著名的不同材料超滤产品允许耐受的N aC l O氧化剂浓度,可以看到聚偏氟乙烯(PVD F)比聚醚砜(PES)类高一个数量级。

因此,尽管PVD F材料价格高、纺丝难度大,但世界各个知名的大公司最近几年均投入巨资开发了PVD F材料的超滤产品以满足复杂水质和被污染水质处理。

这种材料的超滤产品在综合性能上是聚醚砜产品的换代技术。

综合以上分析,外压式PVD F超滤膜对比内压式PES超滤膜有以下优势:
因此,根据原水水质报告并结合黄河水的特点,我们确定超滤膜选用外压式PVD F材质。

5　超滤膜通量的选取原则
我们知道“装置的出力=膜通量X使用膜的总面积”,而膜的通量又跟跨膜压差、温度等呈线形比率,膜的通量越大,则跨膜压差就越大,同时所使用的膜的总面积可以相应减小。

膜的通量取大了,投资是省了,但实际上此举是不可取的,这是因为:
511　所使用的膜的总面积减小,增加了超滤膜的过滤负荷,同时增加了水中被过滤下来的胶体、悬浮物在超滤膜表面的浓差极化,加速了污染物对超滤膜的损害,使超滤膜的衰减加快,并且为了使超滤性能恢复,就必须把超滤膜的反洗
、清洗等频率加大,这样将大大降低了超滤膜的使用寿命,增加了超滤膜的自用水率及化学药剂消耗,增加了系统的运行成本,并降低了系统长期稳定的运行性能,此举是得不偿失的。

512　膜的通量取大,跨膜压差就会增加,这将会加速超滤膜的压密实化。

浓差极化的加剧以及压密实化的增加,对于超滤膜来说都是不可逆的损害。

因此根据原水水质报告及黄河水的特点,并结合类似工程上的运行经验,本着系统长期稳定经济运行的目的,建议超滤膜通量的选取不大于65L m2H。

6　总结
一个安全经济的电厂化学水处理系统的关键在于反渗透系统的选择,而反渗透系统运行的好坏在于它预处理的成败,针对黄河水的水质特点,我们选用“自清洗过滤器+超滤”系统作为反渗透系统的预处理,它不仅能去除悬浮物,还能去除大部分胶体和微生物,有效地保护反渗透膜,大大延长反渗透膜的清洗周期。