反渗透用于工业污水回用运行中问题的分析
摘要：由于工业污水的复杂性，反渗透系统在实际运行过程中会出现很多的问题。通过对太钢除盐水系统运行情况的总结，探讨大型反渗透系统运行过程中常见的问题及应对方法。
关键词：反渗透,除盐水,污水回用
1 概述
钢铁冶金企业是国民经济生产中的耗水大户．降低吨钢新水消耗量具有重要的经济效益和社会效益。今年来，反渗透用于回收工业污水制取除盐水，已经从积极尝试向规模化应用发展。为钢铁企业提供了一个良好的节水途径。
但是由于工业污水成分复杂。原水水质波动变化大，反渗透系统工艺流程长，设备多，这些特点决定了反渗透运行过程中问题的复杂性。因此，如何应对反渗透系统运行中出现的各种问题是确保反渗透长周期运行的关键。
太钢除盐水系统利用处理后的轧钢废水和冶炼废水回收除盐水，原水水质特点是浊度和总铁变化大，COD高，pH不稳定，有机物和微生物含量高，各种水质指标随生产波动和季节波动变化大．部分监测指标变化如图1。
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2 系统工艺流程及介绍
太钢除盐水系统在原有的基础上进行了改造．增加了超滤，采用UF+RO双膜法工艺。原水经过曝气除铁锰，加药混凝沉降，多介质过滤、超滤过滤后进人反渗透。
工艺流程如图2。
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2．1 曝气池
曝气池分为两个并列单元。每个单元有300个曝气盘。曝气池进水处设置投加次氯酸钠投加点，在起到杀菌作用的同时，原水经过曝气使铁锰转化为高价态便于在沉淀池内通过混凝沉降去除。
2．2 机械反应池
原水曝气后进入机械反应池。在机械反应池进水母管上投加液碱将进水pH提高到8．2左右，从而提高对Fe3+．Mn +的去除。机械反应池分为快速、中速、慢速三个混合区域。分别在快速和中速搅拌区投加PAC和PAM，原水在低速搅拌区生成较大尺度的矾花。随即经溜槽进入沉淀池。
2．3 沉淀池
系统有(I)29m沉淀池两座。设计处理能力3000 t／h。沉淀池为幅流式，采取中间进水周边出水的方式，并且在沉淀池周边设置了斜板，增加沉降效果。大部分悬浮物和胶体在沉淀池内被去除。
2．4 多介质过滤器
太钢除盐水站现有1 3台多介质过滤器，设计处理能力2300 t／h。原水经过絮凝沉降后，经过多介质过滤器对胶体和悬浮物进行进一步去除。过滤器含无烟煤和石英沙双层滤料。
2．5 超滤
除盐水站改造后共有1 2套超滤设备，与2006 年7月份投入使用．单套超滤设计处理能力189 t／ h，膜元件为外压式中空纤维膜。超滤运行过程中间歇性采用水冲洗，气水擦洗，和加药反洗的方式来防止膜污堵。原水经过超滤过滤后SDI可以降至4以下。
2．6 保安过滤器
保安过滤器是反渗透的最后一道屏障，在保安过滤器前投加还原剂，阻垢剂，并且加酸将pH降至 6．6左右。
2.7 反渗透
除盐水站现有一级反渗透7组，单组产水量可达250 t／h；二级反渗透共3组，单组产水量可达 150 t／h，二级反渗透产水进入混床制造高品质除盐水；混床出水电阻率可达17．8 MI2，三台混床的设计处理能力均为150 t／h。
3 各阶段处理效果
3．1 预处理
太钢除盐水系统原水水质的复杂多变性决定了预处理是保证反渗透稳定运行的关键。要减轻后续处理的负担，保证反渗透进水水质，就必须在预处理阶段去除原水中大部分污染物，而在预处理阶段污染物主要通过絮凝和杀菌作用来实现。
3．1．1 混凝沉降
原水浊度大，铁锰含量高，在混凝沉降之间经过曝气，次氯酸钠氧化和加碱调节pH等过程，铁锰被转化为较高价态并形成胶体或沉淀：
4Fe2++O2+1 0H2o=4Fe(OH)3 +8H
2Fe2~+C10-+5H20=2Fe(OH)3 l+Cl一+4H+
Mn2++2OH-+CIO~MnO(OH)2+C1-
加药后原水中大部分悬浮物和胶体通过絮凝沉降而被去除。表1为加药前后部分指标对比。提高铁、锰的去除率一方面可以防止其胶体在超滤膜表面生成凝胶层，并且进入反渗透造成膜的污堵：另一方面，通过絮凝沉降及后续处理可以避免过量的铁、锰离子进入反渗透膜催化降解膜表面脱盐涂层。
3．1．2 微生物控制
太钢回用污水COD在2O一60 mg/L之间，其汇集点三水池是一个天然的微生物繁殖库．因此原水中微生物含量高。通过大量投加次氯酸钠，控制沉淀池出水余氯在1．0—1．5之间来抑制微生物的活性，效果比较显著。表2为加药前后微生物数量变化情况。从表2细菌总数情况可以看出沉淀池出水中微生物已经得到良好的控制。
3．2 精处理
3．2．1 多介质过滤器
沉淀池出水进入多介质过滤器进行进一步处理后产水表观透明，截留了沉淀池出水中绝大部分的悬浮颗粒物和大部分胶体。表3为多介质过滤器产出部分设计指标和实际值对比：
以上数据反映出沉淀池出水中的微小絮体和大部分胶体在多介质过滤器内被截留，被截留的物质通过过滤器反洗被排出。
3．2．2 超滤
原水经过一系列处理后仍然无法满足反渗透进水的需要，太钢除盐水站改造后用超滤取代原有的微孔过滤器，进一步去除水中的悬浮物、胶体、有机物和微生物。经过超滤过滤后，原水的浊度可以降低到0．1以下。SDI较改造前也有所下降，图3所示在 2006年7月超滤投运后SDI较2005年同期有所下降。
3．2.3 反渗透
反渗透是系统的核心，太钢除盐水站改造后一共增加和更换了四组反渗透膜。从2006年7月11 日新膜投运半年以来，新膜的除盐率和产水率保持稳定，新系统回收率70％左右，除盐率97％～98％。
4 系统运行过程中的常见问题
由于太钢反渗透系统流程长。任何一个环节发生问题均会从反渗透的运行状况上得到体现。
4．1 红水
原水水质发生变化时，从曝气池和沉淀池辐射区内看到水体呈红褐色，这种情况发生后，多介质过滤器反洗出水比较浑浊。微滤和保安滤芯会在较短时间内污堵，滤芯表面呈红色，并且导致反渗透膜快速发生污堵。
通过水质分析以及滤芯表面附着物分析结果来看，这种现象的发生主要是由于原水总铁含量高造成的污染。当原水中总铁含量大于3．0 mg／L时，原水就开始发红。针对太钢原水总铁含量高的情况，在定期巡视现场的过程中一旦发现水质异常，在红水未进曝气池时就立即调整絮凝剂的投加量，以便红水进入系统后得到一定的缓冲，保证沉淀池出水水质符合多介质过滤器进水要求，表4为某日红水出现时加药点前后水质对比：
过滤器出水总铁含量仅0．08 mg／L，如果没有及时得到调整，过滤器出水总铁含量可以高达0．5 mg／ L，如此高的含铁量可以使微滤和保安过滤器很快污堵进而污染反渗透膜。
4．2 沉淀池翻池
在冬季沉淀池经常会有大量的絮体从斜管底部慢慢的向上流出，然后随着出水进人过滤器。这种隋况通过调节絮凝剂用量仍无法消除。经过长期的观察，这种情况总是发生在中午，随着时间的推移午后越来越明显，夜间和清晨则会消失。综合各种条件分析，这种现象可能是由于进水和沉淀池内水体存在温差而造成密度异重流引起的。
低温度的进水密度高，在向沉淀池四周辐射时会向沉淀池底“沉降”，将沉淀池底泥搅混。通过改变沉淀池的刮泥和排泥体制，可以缓解这一现象的发生。
4．3 多介质过滤器漏沙
多介质过滤器内的石英沙和无烟煤穿透滤帽后会随出水进入保安过滤器，严重的时候可以穿过保安过滤器进入反渗透膜元件，造成反渗透膜的污堵甚至破坏。滤料泄漏的因素主要滤料粒径和级配。滤帽缝隙尺寸，反洗强度等。当滤料乱层后细粒径的滤料会逐渐穿过滤帽进入水中。
2006年系统改造后，更换了新的滤帽和滤料，增大了滤料的粒径，目前没有发现滤料泄漏的现象。
4．4 超滤膜污堵
当超滤运行了一段时间后，其产水量会逐渐下降，并且通过正常的水洗，气水擦洗和加药反洗无法恢复水通量，严重时产水量可以由上次洗完投运时的200 t／h左右降至30 t／h，此时就必须对超滤进行加药化学清洗。针对太钢原水含铁量高，微生物数量大的特点，可采用表5所列的药剂清洗药剂分别进行酸洗和碱洗。酸洗去除无机物污堵尤其是铁胶体的污堵效果比较明显：
HCOO-COOH+Fe~=Fe(C2O4)
碱洗去除截留在超滤中空纤维丝表面的有机物和并且杀死细菌。
超滤清洗后水通量会恢复到一定水平，图4为超滤化学清洗前后产水量恢复的状况。产水量基本上可以恢复到设计值。
4．5 反渗透膜污堵
表6为典型的膜进水水质。根据太钢原水的水质特点，引起反渗透高压差的原因主要有结垢、微生物和胶体污堵。
4．5．1 结垢
2005年典型膜进水LSI为0．73，当回收率在 62％左右时就会有溶质达到饱和。2006年典型水质 LSI为一0．61。较2006年结垢倾向大大降低。主要原因是原水在进人曝气池前就勾兑大量的新水，降低了总进水的TDS；同时，反渗透进水前加盐酸调节 pH到6．6左右。这些措施能够有效降低膜结垢的风险。
新水的补充虽然增加了成本，但是从长远利益考虑既节省了后期反渗透因结垢而频繁清洗甚至更换膜元件的费用，同时又保障了系统的平稳运行，因此针对于太钢的原水水质补充新水是比较可行的。
4．5．2 微生物
根据例行的微生物监测数据。在沉淀池、过滤器以及超滤出水中细菌数为101—102个／Ⅱd数量级，而保安过滤器出水细菌数又达到103～104个，IIll，这种水质进膜后使得反渗透一段的前两支膜元件最先发生污堵，导致反渗透膜一段压差快速上升和产水量急剧下降，图5为2005年9月份反渗透发生严重微生物污堵时一段压差的变化情况。
微生物污堵发生后，打开反渗透进水端板观察膜进水端的污染状况并且取样进行分析和制定清洗方案。在使用各种清洗方案均无法奏效后，取出一段进水端前两支膜进行解剖。解剖后膜元件进水隔网上黏附着大量的附着物质，取样干燥后随机取三片附着物进行电镜扫描，图6为电镜扫描照片。
元素分析结果中S含量很高，恰好与CaS04中 ca和S的质量比吻合。这也是酸洗对这种污堵不起作用的原因。此外C、O的含量很高，说明样品内有机物含量很高，另外还含有一定量的非定型碳。
通过将一段进水端前两支膜元件换到出水端，并且采用碱性的微生物清洗方案使得反渗透一段压差变化趋于平稳。
4．5．3 胶体污堵
太钢原水水质波动很大时，即使经过一系列的处理，膜进水仍然含有大量的胶体物质。例如当原水总铁很高时，保安滤芯也会被污染成红色，并且有大量的铁胶体进人反渗透膜造成产水量在一夜之间剧烈下降。
当这种情况发生后立即将污染较重的膜停运，防止对二段造成污染。
退下来的膜立即用酸性清洗剂进行化学清洗，避免停运时间过长胶体在膜内发生沉积和变化。
4．6 膜氧化的防止
预处理投加了大量的次氯酸钠。水中余氯在进膜前必须用还原剂去除，防止余氯对膜的氧化。陶氏膜允许余氯小于0．1 mg／L。但是冶金污水中含有较多重金属离子，当水中有游离氯存在时会加速余氯对膜的氧化，所以反渗透膜进水余氯控制在0．05 mg／L以内。
5 结论
(1)太钢原水水质复杂，预处理效果是系统稳定运行的关键，在预处理阶段去除大部分污染物能减轻后续处理的负担，从而从根本上延长反渗透的运行周期。
(2)当系统运行发生异常情况时，必须及时针对当时的水质分析数据和设备运行状况判断出系统可能存在的问题，然后及时排除可能的隐患，制定出正确的处理方案。
(3)建立良好的现场管理机制有利于预防问题的发生，对于大型反渗透系统来说，积极预防比应急处理更为重要。同时良好的管理有利于及时发现问题，找出问题的症结所在。
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