全膜法水處理技術是將微濾、超濾、反滲透(RO) 和電去離子(EDI) 等各種膜分離技術聯(lián)合應用于工業(yè)水處理，達到去除污染物和脫鹽的目的［1］。傳統(tǒng)的離子交換除鹽工藝樹脂再生需消耗大量的酸堿，酸堿廢液污染環(huán)境，而全膜法水處理無需酸堿、產水水質穩(wěn)定、節(jié)約占地、自動化程度高。文章以某化工廠除鹽工藝為研究對象，設計了一套全膜法水處理工藝，旨在為全膜法的工藝設計起到一定的借鑒與完善作用。
1 工程概況
某工程擬建設脫鹽水站為其高溫、高壓鍋爐及工藝裝置提供補充水。該項目廠址位于瑪納斯縣塔河工業(yè)園區(qū)內，當地冬季寒冷，夏季酷熱。根據全廠蒸汽平衡圖計算出全廠脫鹽水使用情況，結合正常運行模式確定脫鹽水制備系統(tǒng)按260t/h 規(guī)模設計。
2 系統(tǒng)概況
2．1 設計思路
本工程原水水源采用瑪納斯縣塔西河水，從水質報告上看該工程原水水質良好，但原水為地表水，新疆夏季雨水較多，系統(tǒng)設計時需考慮洪水期濁度異常與涸水期鹽份增加的水質變化。為保證EDI嚴格的進水要求，本系統(tǒng)選擇自清洗過濾器和超濾裝置組成預處理單元，兩級反滲透裝置作為EDI 的預脫鹽工序，用反滲透除去95% 以上的鹽分，降低EDI 裝置進水硬度，有效防止EDI 膜濃水室和極水室結垢，有利于EDI 裝置長期穩(wěn)定運行。用EDI 進行深度脫鹽，實現(xiàn)水的高純度化。同時考慮到冬季氣候寒冷，原水水溫低，在自清洗過濾器前增加原水換熱器，使水溫穩(wěn)定在40 ℃左右。水溫增加可提高超濾、反滲透的產水量，降低運行能耗。
2．2 工藝流程
原水→800 m3原水罐→原水加壓泵(變頻) →原水換熱器(蒸汽型) →2×230t/h 自清洗過濾器→2×200t/h 超濾裝置→500 m3超濾產水罐→一級反滲透(RO) 增壓泵→一級RO 保安過濾器→一級RO高壓泵(變頻) →2×160t/h 一級反滲透裝置→500m3一級RO 產水罐→二級RO 增壓泵→二級RO 保安過濾器→二級RO 高壓泵(變頻) →2×145t/h 二級反滲透裝置→500 m3二級RO 產水罐→EDI 給水泵(變頻) →EDI 保安過濾器→2×130t/h EDI 裝置→2×1 000 m3 脫鹽水罐→除鹽水泵→除鹽水補水母管。
系統(tǒng)還包括: 加藥系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、化學清洗系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。
3 主要構筑物設計
3．1 超濾系統(tǒng)
超濾是以壓力為推動力，利用超濾膜不同孔徑對液體進行分離的物理篩分過程，能有效地去除水中的懸浮物、微粒、膠體、大分子有機物和細菌等，為下游反滲透膜提供最大限度的保護。超濾系統(tǒng)包括超濾裝置及其常規(guī)反洗和化學清洗裝置。
本工程設置2 套超濾裝置，采用立式結構。膜元件的設計通量為57．1 L/m2·h。超濾膜采用聚偏氟乙烯(PVDF) 材質，具有高強度和良好的抗化學腐蝕能力，可延長膜的使用壽命。每套超濾系統(tǒng)采用70 支日本旭化成UNA-620A 膜組件，該膜組件由中空纖維膜絲外表面供水，通過過濾側減壓實現(xiàn)外壓式抽吸全量過濾，跨膜壓差(TMP) 將隨運行時間逐漸增加［2］。外壓式膜組件的膜絲流道較小，不宜采用大流量的反洗方式，因此本系統(tǒng)增設空氣擦洗功能，在氣體作用下，混合流體在膜表面產生激烈的攪拌作用，具有較好的去污效果。在超濾反洗水中根據水質情況酌情加入殺菌劑(次氯酸鈉) 、酸或堿以保持膜元件表面清潔。
超濾產水管上設污染指數(SDI) 檢測口，當SDI＞ 5 時，屬高污染水，不得進入反滲透系統(tǒng)。原水加壓泵、超濾反洗水泵均為變頻泵。原水加壓泵出口設電動慢開門，以減緩泵啟動時對膜絲的瞬間大流量沖擊，防止斷絲。
3．2 反滲透系統(tǒng)
3．2．1 反滲透裝置
本工程設置2 套一級反滲透裝置，選用FILMTEC BW30-400/34i 普通膜元件，396 支，回收率為75%。進水中游離氯或其他氧化劑會對膜元件造成嚴重破壞，故在一級反滲透進水管加裝氧化還原表(ORP)，控制水中游離氯＜ 0．1 mg/L。這樣反滲透膜既不被氧化，同時因為余氯的存在又無微生物滋生。在工藝上采用還原劑NaHSO3消除水中余氯，通過加藥裝置控制加藥量。
設置2 套二級反滲透裝置，選用FILMTECLE440i 超低壓膜元件，204 支，回收率為90%。二級RO 進水管設自動加堿設施，將pH 調至7．5 ～ 8的弱堿性，消除CO2對EDI 裝置的影響。二級RO濃水水質比超濾產水水質還好，回收至超濾產水罐。
上述反滲透裝置均采用一級二段式，每套裝置都能單獨運行，也可同時運行。每套反滲透裝置產品水和濃水管道各自獨立，互不影響，避免產生背壓，破壞膜元件; 膜的水通量是膜元件的重要指標，膜的污染速度隨水通量遞增。在所提供的水質情況下，一級反滲透膜元件設計水通量為22 L/m2·h，二級反滲透膜元件設計水通量為36 L/m2·h。反滲透濃水排水裝設流量控制閥，以控制水的回收率。濃水排放管采用倒U 形設計，且排放口高于最高一層膜組件，避免膜元件承受反壓。
3．2．2 保安過濾器
每套反滲透前設置一臺過濾精度為5 μm 的保安過濾器，以確保超濾水罐或管道上大于5 μm 的污染物全部去除。保安過濾器中的濾元為可更換卡式濾棒，當過濾器進出口壓差大于設定值時，進行更換。濾芯采用大通量濾芯，流量不超過40t/h。
3．2．3 高壓泵
高壓泵的作用是為反滲透本體裝置提供足夠的進水壓力，保證反滲透膜的正常運行。高壓泵出口均裝設電動慢開門，防止反滲透膜組件受高壓水的沖擊。
3．3 EDI 裝置
電去離子過程(Electrodeionization，縮寫為EDI)，將電滲析和離子交換有機地結合成一體，混床樹脂填充于離子交換膜之間并在直流電場作用下實現(xiàn)連續(xù)除鹽的新型水處理技術［3］。
本工程設置2 套EDI 裝置，每套EDI 裝置前設保安過濾器，采用大通量濾芯，過濾精度1 μm。膜元件選用GE E-cell 3X 原裝進口產品，每個模塊出力為5t/h。E-Cell-3X 在濃水室添加離子交換樹脂，無需向濃水室加鹽，無需濃水循環(huán)，降低了模塊的運行電壓。模塊與整流器一對一配置。水進口裝設壓力調節(jié)閥，確保濃水進口壓力比淡水出口壓力至少低0．035 MPa。進水離子濃度低會使EDI 淡水室中的樹脂和膜的表面上形成的電動勢梯度增大，導致水的電離程度增強，從而使填充在淡水室的陰、陽離子交換樹脂再生效果好，因此在EDI 進水母管設電導率測量儀，使EDI 進水電導率控制在≤40 μS/cm。濃水排水裝設流量控制閥，以控制水的回收率。EDI 給水泵為變頻泵，出口設電動慢開門。EDI 濃水回收至超濾產水罐，不合格水送至二級反滲透的產水罐。
3．4 主要設備控制方式
3．4．1 超濾控制
超濾單元操作的運行、反洗由PLC 自動控制完成。通過二次儀表將各個機組的進水水量、產水水量及進出水壓力傳輸至中央控制系統(tǒng)以便在控制室內進行監(jiān)控，了解超濾的運行狀況。進水壓力的控制通過變頻器調節(jié)，維持系統(tǒng)運行壓力的穩(wěn)定。2套超濾設備在現(xiàn)場設置2 臺就地操作盤，對超濾可實現(xiàn)自動/手動操作切換。
3．4．2 反滲透單元控制
4 套反滲透裝置設置了4 臺就地操作控制盤，在就地儀表上可讀出每臺反滲透裝置的有關運行參數(如進/產水流量、進/產水電導率、運行壓力、進水pH 值等) 。在就地控制盤上可實現(xiàn)裝置的操作。同時將上述參數經二次儀表上傳至中央計算機，在控制室內進行監(jiān)控，了解反滲透系統(tǒng)的運行狀況。
系統(tǒng)泵的出口裝有壓力傳感器，當供水不足，水壓過低，會自動發(fā)出停機信號，使水泵停止運行; 當由于某種原因造成高壓泵出口壓力過高時，高壓開關可自動切斷高壓泵的供電，保護系統(tǒng)不超壓運行。
高壓泵裝有變頻器，由PLC 控制高壓泵緩慢開啟，使膜元件逐步受壓，防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生，以保護系統(tǒng)的安全。
當反滲透裝置停機時，自動關閉進水閥門，啟動反滲透沖洗泵，打開沖洗進水、濃水排放和產水自控閥，利用中間水箱的反滲透產水沖洗膜表面的沉積物，以防止其影響膜的性能，沖洗時間約為20 min。
3．4．3 EDI 單元控制
2 套EDI 裝置設置了2 臺就地操作控制盤，在就地儀表上可讀出每臺EDI 裝置的有關運行參數(如產/濃水流量、產水電阻率、進水壓力) 。在就地控制盤上可實現(xiàn)裝置的操作。同時將上述參數經二次儀表上傳至中央計算機，以便在控制室內進行監(jiān)控，了解EDI 系統(tǒng)的運行狀況。EDI 必須在有水流過，且流量高于最低值時才能通電; 開機時，先通水后通電; 關機時，先斷電后斷水。
4 全膜法與離子交換法的比較
除鹽水處理基本工藝為: “預處理+ 一級除鹽+ 二級除鹽”。常用的二級除鹽工藝有: 混床、EDI?，F(xiàn)將兩者綜合比較如表1 所示。
方案一/方案二比較: 綜合投資，方案一比方案二多190 萬元; 運行費用，方案一比方案二每年少63 萬元。方案一投資差額回收期，約3 年。
5 結論
EDI 凈水設備具有連續(xù)出水、無需酸堿再生和無人值守等特點，使脫鹽水系統(tǒng)設備結構簡化，減少設備占地面積，節(jié)約費用。雖然EDI 的初投資比混床高，但運行費用低，管理方便，運行幾年就可收回成本，而且新疆地區(qū)酸堿價格較貴，人工較貴，從長期發(fā)展來看，EDI 的經濟效益比混床高。
全膜法水處理出水水質可靠，無酸堿廢液排放，在本系統(tǒng)設計中，EDI 的濃水、極水、不合格產水均被回收利用，EDI 單元無廢水排放，實現(xiàn)了完全的綠色環(huán)保，節(jié)能補水制水工藝，環(huán)境效益顯著。這也是水處理工藝發(fā)展的必然方向。
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