陶氏抗污染反渗透膜回收废水裕廊岛经验
摘要
新加坡作为岛国自然资源匮乏，水成为它的一项战略资源。目前新加坡的饮用水有一半来自邻国马来西亚，但是它与马来西亚仅有的两个供水协议将分别于2011年和2061年失效。随着工业的繁荣，该国对水的需求也不断增长。这种情况促使新加坡政府及其工业界不断寻求创造性的供水办法，使该国的水资源更多地自给自足。
新加坡目前已建立起一个大型的反渗透工厂处理三级生化废水，并将其转化成适于蓬勃发展的石化工业使用的高级工业给水(HGIW)。该反渗透系统由美国Aquatech国际公司(AIC)供货，并装备了2184支陶氏化学公司的抗污染膜元件FILMTECâBW30-365FR2。该系统由SUT Seraya (SUT)公司---SembCorp公用事业公司的子公司---负责运营管理。整个系统为单级RO，共6列，单列产水量5000m3/d，总产水量30,000m3/d。每列分3段，按28:16:8排列，使用52个压力容器(7元件的容器)，配置BW30-365FR2元件364支。系统平均设计通量10GFD(17l/m2.h)，设计给水TDS为~1300 mg/l。
利用RO技术及30,000m3/d的容量带来的规模经济效应，SUT通过新加坡公用事业署不仅能将回收水出售给裕廊岛用户，而且其价格比目前的饮用水更便宜。SUT生产的高级工业给水，可进一步节省除盐费用，因为其中的绝大多数溶解固体已通过反渗透膜除掉。
为了使该工程经济上更加合算，这要求系统回收率设计突破常规。所以，SUT对三级废水以高达85%(常规为75%)的设计回收率，将其转化成可回用的高级工业用水。其中，Aquatech独特的常规预处理工艺可以将生物活性废水的SDI值降到正常值4以下。并且，SUT和Aquatech的工程师还发现：FILMTEC的抗污染膜非常容易清洗，常规化学药品就足以满足清洗的要求，这样能够保持清洗成本低廉。
目 录：
1. 工程概况
2. 项目规划及发展历程
3. 中型试验及系统设计
4. 系统布局及运行性能
5. 结论及展望 – 保护稀缺的水资源
1. 工程概况：
1.1 裕廊岛的形成
1994年，当新加坡开始实施其雄心勃勃的计划，准备在亚太地区建立世界级的化工中心时，它将其南部的7个小岛通过填筑水域的办法合并形成一个面积2650公顷的大岛。这就是裕廊岛(JI)。
在裕廊岛规划和发展的同时，SembCorp公用事业公司---通过它的子公司SUT Sakra 公司和 SUT Seraya公司---实施了一项“公用事业设施集中化”的概念方案。该方 案可向预定建于裕廊岛的众多石化公司、化学公司及精炼公司提供一系列的公用设施，诸如蒸汽供应、废水处理、除盐水供应、冷却水供应、产品贮存设施及终端设施，等等。
1.2 水-战略资源
新加坡地域狭小，只有660平方公里，相对而言，人口则高达400万，仅仅靠新加坡岛的集水量远不能满足对水的全部需求。所以，新加坡有一半的给水需通过两个供水协议(分别于2011年和2061年失效)从邻国马来西亚购买。
基于战略重要性，早在20世纪70年代，新加坡已经向裕廊岛工业区提供工业用水(IW)作为替代性的工业水源。这种工业用水主要是从 Ulu Pandan 废水回收厂排放的 的经过三级处理的废水(新加坡的污水需处理到符合标准20ppm BOD, 30ppm SS)。 工业用水(IW)的典型水质为 BOD <3 ppm, SS <5 ppm and TDS <1300ppm，为了鼓 励回用它，其出售价格比饮用水便宜很多，因此，无论对直接的工业回用还是进一步深度处理均有很大的吸引力。
由于化学和石化部门的用水主要是非饮用目的(占新加坡整个饮用水量的5%)，所以这促使SUT和政府开发创造性的水源以替代现有的饮用水源。
2. 项目规划及发展历程
2.1 为裕廊岛规划替代水源
早在裕廊岛规划阶段，人们就已经设想将位于裕廊工业区的工业水网加以延伸，以满足整个裕廊岛的工业需要。利用供给裕廊岛的工业用水，采用RO/EDR技术或相关技术进一步可将工业用水处理成高级工业用水(HGIW)，这被认为在经济上是可行的。
2.1.1 高级工业用水(HGIW) 规范
为了使废水的回用对工业界更具吸引力，人们认为高级工业用水(HGIW)应该比公共事业署(PUB)提供的饮用水水质稍好一点。其目标电导率将控制小于250μS/cm，相比而言，PUB提供给裕廊地区的饮用水水质电导率为350-650μS/cm 。
1996年和1997年，通过对拟投资于新加坡裕廊岛的石化公司、化学工司及精炼公司展开调查，预计饮用水级的工业用水消耗量将达到50,000m3/d。因此，我们规划了一个日产30,000m3高级工业用水的工厂。在投产后，如果产品水以稍低一些的价格出售，那么将很容易取代PUB的饮用水。
接下来，在1997年和1998年，SUT开始着手发展用工业用水(IW)作原料的替代水源。人们预计工业用水(IW)能够进一步处理并制得可与饮用水相比的产品水，但只用于工业目的。这种水即被命名为高级工业用水(HGIW)，以与工业用水(IW)相区别，并通过单独的给水系统卖给裕廊岛的工业用户。
2.2 工业用水(IW)规范
设计HGIW水厂的起点是工业用水水质。到目前为止，新加坡公用事业署(PUB)经营裕廊工业水网(JIWW-处理来自Ula Pandan 废水回收厂排放的三级废水处理厂)已 长达20年，并积累了丰富的工业用水(IW)水质数据。
然而，就象其他许多下水道陈旧、地下水位高的海岸城市一样，海水倒灌现象导致工业用水组分随着潮位而急剧变化。氯化物水平从100mg/l可变化到500mg/l，但正常的范围为250+100ppm。
在相当长的时期内，我们观察到工业用水(IW)的电导率从低达800mS/cm可波动到高达1800mS/cm，有时甚至高达2000mS/cm。因此，为谨慎起见，应该提供安全设计裕度。在设计RO时，原水规范采用相当于TDS1300mg/l的最大电导率。另外，考虑到RO膜的逐渐污堵和盐通量随时间的增加，我们也提供了很高的安全设计裕度。
2.3 技术招标及评估
建设30,000m3/d的工业用水深度处理厂的项目在1997年初举行招标，有10多家国际著名的水公司参与组织的投标。评标则基于每份标书的实际净值进行(结合资金和长期运行成本的影响)，同时考虑采用当时最可靠的先进技术。
提交的各种标书大概可以归类成三种基本不同的工艺：
a) EDR 技术
b) 用微滤(MF)作预处理的反渗透(RO)技术
c) 用传统双介质过滤(DMF)作预处理的反渗透(RO)技术
EDR技术和RO相比由于其达不到高脱盐率而未被采纳。
MF膜作预处理工艺与传统介质过滤相比经济性上有两个不足。其一，每隔5年MF组件必须更换；其二，MF膜只能提供90-95%的系统回收率。相比而言，传统双介 质过滤(DMF)不需要昂贵的介质更换费用(砂子和无烟煤相对便宜)，更重要的是，DMF由于使用RO的浓水作反洗水而可将其回收率提高到99%。
令SUT感到欣慰的是，位于印度Chennai的马德拉斯肥料有限公司(MFL)，成功地将传统双介质过滤和标准陶氏RO膜结合使用多年，日产12,250m3产品水。
因此，用传统双介质过滤(DMF)作预处理的反渗透(RO)方案被确定下来。
2.4 系统回收率及项目经济性
由于公用事业署(PUB)对新加坡使用的每吨工业用水征收水费0.43新元，所以废水回收厂只有采用最高的可行的回收率，方能使该项目经济上可行。同时，消费者也盼望有一个具有竞争性的水价。因此，筛选剩下的标书必须采用介质过滤作为RO的预处理，而且RO装置的回收率高达86%，结合预处理部分99%的回收率，最后整个系统的回收率达到85%。
3. 中型试验及系统设计
设计和建设污水回用厂的合同最后被美国Aquatech国际公司(AIC)中标。在设计的最初阶段，为了使SDI值达到RO膜要求的目标值(<4.0)，工程公司决定采用两级 双介质过滤DMF(初级：PDMF和次级：SDMF)作预处理。这就意味着为裕廊岛将来可能出现的水质不稳定状态提供了裕度。
3.1 中型试验
为模拟两级DMF，OEM建立了一套中试装置，以筛选、优化混凝/絮凝工艺，同时优化介质层。
3.1.1 混凝和絮凝的优化
OEM作了一系列容器试验，测试了不同浓度的多种聚合物，并通过沉降性试验、絮体形成试验、浊度测量等方法确定每种聚合物的最佳效果。从该容器试验中，筛选出两种聚合物，作为进一步中试研究。中试主要测量不同浓度下的浊度和SDI值。基于测试结果，最后确定采用的聚合物和混凝剂。
3.1.2 双介质过滤器 (DMF)–滤层优化
由于中试中观察到SDI穿透(>5)，基于初级过滤器的最小泥沙带出量，二级过滤器采用了细砂以增加SDI值的稳定性。(SDI的设计目标为<4)
3.1.3 聚合物带出试验
人们进行了聚合物带出试验，并发现带出结果为零。
3.1.4 预处理充分性及污堵性的研究
确定化学药品及过滤介质的优化配置之后，建立了一套单独的闭合循环的中试系统，以模拟RO系统的第3段的最后一支元件。该系统由单支陶氏 FILMTEC BW30-365FR2抗污染元件组成，运行回收率86%。该系统运行将近一月之后证明没有任何污堵。接下来，回收率提高到90%，强制产生了一些污堵。但是，即使这样也没有产生严重的污堵。因此，证明预处理是充分的。这些试验也有助于减少现场调试所需的时间。
3.1.5 RO膜元件的特点及选择
SUT选择FILMTEC的BW30-365FR2抗污染膜，既是基于该膜在净化生物活性水方 面的卓越性能得到实践证明，也是基于陶氏可靠的技术服务和支持。陶氏在Chennai的马德拉斯化肥厂的跟踪记录使SUT更加放心。在将近10年中，陶氏标准膜成功地用于印度Chennai厂，以净化有机物含量高的生物活性水。过去，膜技术因其污堵速度快而被认为不适合这种恶劣水质。
FILMTEC BW30-365FR2是卷式复合膜，具有很强的抗污染性能。 FILMTEC FR抗 污染元件有着诸多性能优势和经济优势：先进的自动卷膜技术使精度达到手工卷制望尘莫及的水平；增加膜片数缩短膜片长显著减小了产水侧的压力损失，这样效率更高，驱动压更均匀，产水通量分布也更均匀。元件的给水通道宽34mil，比其他品牌产品宽10-20%，这使得清洗更容易。FILMTEC FR抗污染膜证明抗细菌吸附 ，因而可大大延长清洗周期。FILMTEC FR元件的生物累积和生物污堵的速率很低 ，这样平均给水压力很低，从而显著降了低能耗。
3.2 AIC提供的独特的系统设计特点
3.2.1 高效的过滤器设计，以使SDI值始终保持低水平
为维持SDI值，过滤器设计具有如下特点:
a) 双室过滤器设计。通过将滤层分成两室可提高空气擦洗及反洗的效果。
这种设计使我们可更好地控制整个过滤流通面上的通量。并增加过滤器的高度，以进一步增强流量分配的均匀性。初级过滤器主要为颗粒和污泥堆积提供空间，次级过滤器则作为精滤器。初级和次级过滤器始终有一个以上保持在线运行。这样SDI值的稳定性更好，因为任何时候过滤系统都没有运行在新反洗的状态。
b) 初级过滤和次级过滤交错反洗
设计上，初级和次级过滤器交错反洗，避免同步。由于初级过滤器的压差超标比次级过滤器更为频繁，故而其反洗频率也更高。交错的概念有助于确保过滤过程一直在压实的滤床上进行。这一点有助于稳定SDI值。
3.2.2 通过级间升压泵节能
为达到86%的系统回收率，RO的第一、二段设一台高压泵，第三段设一台段间升压泵，并在第一段的产品水管上设节流孔板以控制第二段的给水流量。这种设计允许第一、二段运行的同时，冲洗第三段。
3.2.3 第三段冲洗的特点
由于待处理水的本性及系统回收率高的特点，第三段RO浓水达到的饱和水平极高，极易导致污堵和结垢。由于产品水具有溶解性能，第三段用产品水定期进行污染物和沉淀物的冲洗，防止板结。每一运行班都要对第三段进行隔离，用产品水冲洗，同时前两段保持75%的回收率继续制水。每次启停系统都遵循上述冲洗规程。
3.2.4 变频驱动装置(VFD)和节能
AIC公司在该系统中采用变频驱动装置(VFD)作为节能设施。高压泵设计的扬程很高，足以满足膜污堵所需的高压力，使膜元件充分达到其使用寿命。
通过采用变频驱动，高压泵正好运行在使膜不产生污堵所需的压头下。因此，不必在泵的出口设置节流阀以控制多余的压头。这样在最初几年就能节省大量能源。
VFD使软启停成为可能。这样，马达可以在较长的时间内逐渐加速或减速到期望值。这可防止水锤作用对膜的破坏，而水锤会使膜孔压实，进而导致通量损失。同时，因元件在压力容器内的移动导致的望远镜现象也可避免。
3.2.5 实现高回收率的方法
AIC公司采用了下述方法减少水的损失，提高回收率:
a) 回收排污水
过滤器反洗之前的排污水通过再循环管线送回入口回用。这个设计节约了相当可观的水，否则这部分水将被浪费。
b) 用氯化消毒的RO浓水反洗双介质过滤器
将RO浓水用于反洗过滤器也取得了显著的节水效果。反洗水箱由于浓水的不断流过而始终处于搅拌状态，这样水箱就能够保持满水位，而且新鲜的浓水不断更换原有的浓水。每次反洗工艺开始之前，对反洗用的浓水先进行氯化消毒，以避免过滤器的底部发生任何污染。
c) 过滤器正洗水循环使用
正洗步骤需消耗相当可观的水量。在正洗阶段，先将过滤器底部的浓水置换排放，而后的所有正洗排水全部再循环，送回入口水箱回用。这样，可以延长正洗步骤，更好地压实滤床，从而控制SDI值。
4. 系统布局及运行性能
4.1. SUT设计的整个水处理厂的布局概况
三级废水(原工业用水IW)作为给水如图1所示通过预处理工艺步骤进行深度处理。
在系统中加入NaClO以尽可能控制生物及藻类的滋长处于低水平。在整个预处理阶段，游离余氯和化合氯维持一定的水平。在给水进入RO膜之前，加入亚硫酸氢钠(SBS)，确保没有游离余氯接触膜元件。为防止难溶盐类结垢，RO的给水往往需要加入阻垢剂。对进入RO元件的经过预处理的给水，在线监测其氧化还原电位(ORP)。在RO元件的上游，每周一次加入非氧化性的杀生剂，以防止RO系统滋长微生物。给水中氯胺的水平为~0.5mg/l。RO的给水压力980kPa(9.8 bar，140PSI)。
图1中称作“MEMBRANE 1-6”的RO装置，共6列，规格一样。
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4.2. RO系统的布局
每列RO由3段组成，其布局如图2所示。
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4.3. RO运行的注意事项、清洗及膜分析
RO产品水水质始终符合高级工业用水(HGIW)的技术规范。见下表“工业用水(IW)和高级工业用水(HGIW)的实际值及规范值的比较”。
裕廊工业用水(IW)和高级工业用水(HGIW)的实际值和设计规范值的比较
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注： N.D. 意思是探测不到，N.M. 意思是未测，U.O. 意思是无嗅味。
原工业用水有时SDI值(>6)及TSS(6-6.5ppm)很高，这偶尔导致RO给水的SDI值超过 4 。
当RO给水的SDI值长期超过4时，要求系统的回收率从86%降到75%。而且在2000年元月启动及其后的几个月中，该系统的回收率谨慎地控制在75%，而后在半年期间缓慢增加到86%。
清洗周期预计，在86%的回收率下，每月一次。在4周的清洗间隔中，产品水流量标准化后会典型地下降15-20%。清洗后，标准化的产水量能恢复到原有水平。 FILMTEC膜允许在很高的pH值(30°C时最高可到pH12，35°C时最高可到pH11.5)下进行清洗，而不会对膜性能造成负面影响。这比市场上其他品牌的膜都要高得多。正常地，清洗就使用常用化学药品 (NaOH, Na-EDTA, HCl)即可。酸洗可用HCl在 pH1-2下进行。
运行1年后，进行了一次例行的膜解剖和膜分析，以测试结垢物和污堵物的成分，并检查标准条件下的元件性能。正如所料，存在轻微生物污堵，并探测到少量Ca、Si、Fe，表明存在轻微胶体污堵。系统性能正如所预料的一样，脱盐率和流量均在技术规范之内。没有任何迹象表明存在产品水恶化、通量损失、需要增加给水压力等问题。
5 结论及展望 – 保护稀缺的淡水资源
由于SUT，AIC及DOW的紧密合作，在工程各阶段进行了大量审查工作，该项目得以按时调试，并且产品水水质超过设定的规范值。自2000年元月初次启动以来，该RO系统运行良好，设计参数稳定。
本项目开创的85%高回收率被视为三级废水回用的工业标准。
SUT和AIC的工程师发现FILMTEC的FR膜正如严格实施的设计和运行条件下的预计，运行效果良好。并发现普通化学药品就足以满足清洗要求，从而保持较低的清洗成本。与采用非抗污染膜的老系统相比，该系统显著降低了运行成本。
SUT提供的高级工业用水进一步节省了裕廊岛用户的除盐费用，因为膜除去了废水中的大多数溶解盐类。结果是双赢局面，不仅为工业界找到了廉价的水源，而且帮助新加坡保护了稀缺的淡水资源。
RO技术及FILMTEC的FR膜未来的潜力及意义已远远超出其带给SUT及其裕廊岛用户的成功。RO是一项可行的且用户用得起的技术，它不仅能从海水制取淡水，而且能使水回用，保护水资源。一套费用经济的供水系统正在运行之中，其水质水量稳定，将为新加坡工业节省数百万美元，并成为其他公司在此创业的重要因素。同样地，该技术也可用于世界其他缺水地区循环回用废水，从而保护重要的自然资源。
致谢：作者希望对SUT公司的Seetharaman 先生和Eugene Yan 博士、AIC公司的 M. N. Rao先生、陶氏(德国)公司的Jorge A. Redondo先生致以诚挚谢意，感谢他们在本文准备过程中的大力支持和见解深刻的讨论。
陶氏化学（中国）投资有限公司发布本范例
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