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快滤-超滤-反渗透技术在工业给水苦咸水淡化中的工程案例

更新时间:2013-06-05 17:06 来源:给水排水 作者: 阅读:7864 网友评论0

摘要:介绍了广东理文造纸有限公司苦咸水淡化四期工程,对其中的工艺设计、系统配置、运行工况及调试运行进行了分析,并对制水成本进行了分析。结果表明,快滤—超滤—反渗透工艺淡化苦咸水系统具有抗冲击负荷能力强、脱盐率高、运行稳定等优点。

关键词:快滤 超滤 反渗透 苦咸水淡化

1 工程概况

广东理文造纸有限公司位于东莞市洪梅镇,以回收的废纸为原料,生产瓦楞芯纸、挂面箱板纸和牛皮箱板纸。该厂四期扩建30万t/a环保型牛皮箱板纸生产线,相应的造纸机、废水处理站及发电站用水量增加,原有的水厂处理能力无法满足需要,需增加一套23 000m3/d水处理系统,要求出水电导率<750μS/cm,脱盐率≥97%。

系统的取用水源为河水,每年9月~次年4月经常受到海水倒灌的影响,含盐量波动较大,电导率为157~23 763μS/cm。

系统采用快滤—超滤—反渗透工艺,设计进水量为52 000m3/d,超滤产水43 800m3/d,供给一期用水点10 000m3/d,其余供给反渗透系统,反渗透产水23 000m3/d。表1为原水水质及设计产水标准。

表1 原水水质及设计产水标准

2 工艺流程与系统设计

2.1 工艺流程

该工程由深圳恒通源水处理科技有限公司设计并承建,工艺主要为前处理系统、超滤系统、反渗透系统等,工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程

2.2 前处理系统

2.2.1 混凝沉淀池

在混凝沉淀池中投加5~20mg/L的絮凝剂PAC去除河水中的浊度和色度,同时对水中的无机和有机污染物亦有一定的去除作用。

因原水中存在较多的胶体、微生物等杂质,为了更好地杀菌和抑菌,确保系统的稳定运行,在混凝沉淀池的出水管加入1~5mg/L的杀菌剂次氯酸钠,余氯控制在0.2~0.5mg/L。

2.2.2 快滤池

快滤池采用S型滤砖过滤工艺,其为双侧渠设计,设有水恢复水道,以确保稳定持续的水流从上部的孔口流出,重新回到滤砖的水流可以补偿低压区域,使得滤砖的性能得到显著改进。

快滤池设计产水量为52 000m3/d。设计进水水质浊度<10NTU,出水水质浊度≤2NTU。

2.2.3 自清洗过滤器

配备7台以色列Arkal自清洗过滤器。外壳为防海水衬胶涂层+合金处理,滤元缝隙为100μm的不锈钢S31603楔形滤网,可自动清洗、连续工作,单台过滤器设计出水水量为365m3/h,可有效截留大于100μm的颗粒。原反洗设计为压差反洗,但实际上,由于反洗压差过低,无法达到预期效果,后更改为定时反洗,效果更佳。

2.3 超滤系统

2.3.1 超滤装置

系统配置8套,采用旭化成UNA 620A中空纤维外压式超滤膜PVDF材质,每套64支膜组件,每个膜组件的有效膜面积为50m2,膜公称孔径为0.1μm,设计通量82L/(h·m2),净通量为75.4L/(h·m)。每套出力为228m3/h。设计进水水质为:SS≤5mg/L、浊度≤10NTU、COD≤30mg/L。

2.3.2 清水泵

超滤装置配置了5台肯富来清水泵,3用2备,型号为KCC250×200 400,单台出力730m3/h,其中1台为变频控制。原水经混凝、沉淀和过滤后进入清水池,再经清水泵进入自清洗过滤器和超滤装置。

2.3.3 反洗和清洗装置

超滤装置需定期进行反洗,8套超滤装置合用1套反洗系统。系统的反洗由PLC控制并依次执行并按要求依次加入各类化学药品,反洗用水采用超滤产水,反洗系统设置2台反洗水泵,1用1备,型号为KCC200×150 315,变频控制,泵出口加装过滤器。反洗水中添加1~5mg/L的次氯酸钠,出水中余氯浓度保持在0.1~1mg/L。

系统运行压力在0.1~0.3MPa,膜组件长期运行后,会受到如菌类、有机物和无机物的污染,膜通量将下降,为恢复其正常的过滤能力,系统配置了1套清洗系统,由1个清洗药箱、2台不锈钢清洗泵和1台清洗过滤器组成。

2.4 反渗透系统

2.4.1 反渗透装置

反渗透作用是脱除水中的可溶性盐分。系统设有4套反渗透膜组件,每套出力为240m3/h,回收率为60%~75%,每年脱盐率不小于97%,系统采用的膜型号为美国DOW公司的BW30 400FR/34i膜。

2.4.2 反渗透供水泵系统

经泵将超滤出水送至反渗透系统的保安过滤器,系统配置了6台反渗透供水泵,4用2备。

为保护反渗透膜元件不被氧化,需加入还原剂降低原水中余氯的含量,控制进水ORP不大于170mV。另外,系统还加入了由纳尔科提供的阻垢剂N7320,投加浓度为2~3mg/L,由加药系统自动调节浓度。每星期进行1次杀菌操作,投加非氧化性杀菌剂pc191T,投加量为55mg/L。

2.4.3 保安过滤器

每套反渗透装置前设置不锈钢S31603保安过滤器,采用RIZONFLOW的5μm大流量滤芯单套系统出水360m3/h,压差大于0.1MPa时进行更换。

2.4.4 高压泵及增压泵系统

高压泵为反渗透膜提供足够的进水压力,维持反渗透的正常运行,4套反渗透系统共设置8台国产SULZER(ZA/ZE150 4400)不锈钢卧式单级离心高压泵作前级高压泵,每两台水泵串联或并联使用;4台国产SULZER(ZE100 2250)不锈钢卧式单级离心高压泵作段间增压用。

2.4.5 反渗透清洗及冲洗系统

反渗透系统设有1套清洗及冲洗系统,一般情况下,每3~6个月清洗1次,每次约1~2h。在反渗透短时间内停止运行时,为保护反渗透膜元件不受处理水的污染,需把膜壳的积水置换出来。

2.5 配套的压缩空气系统

工程单独配置了1套压缩空气系统,以确保纯水站的仪控用气。其中系统配有螺杆式空气压缩机2台(1用1备)与工艺用气共用,1台冷冻干燥机,三级过滤系统及空气储罐1个。

2.6 自控系统

本系统采用GCK型低压配电柜作为设备动力柜,中控室设置PLC柜以及上位机,现场设置控制柜,以西门子PLC及力控监控软件为控制核心。

自控系统的主要功能为:系统程序控制,包括系统的启停、联锁、保护、监测、控制等;系统数据的采集及处理功能,将现场模拟量信号转换成数字信号,上传至上位机监控;系统的自诊断功能提供系统的故障信息以及相关报警,对于系统的维护及维修起了重要的辅助作用。

3 工况分析

该工程于2011年9月1日开始调试,2012年3月底顺利通过业主验收,持续7个月的调试运行历经进水水质波动、水厂前三期输水总管爆管导致极大的产水压力等困难,通过调整系统参数和超滤反渗透的清洗方案,以达到最佳的运行效果。

3.1 快速过滤系统

调试中发现,快滤系统靠单纯的气洗或水洗效果不佳,约4h小时就会堵。需要再次反洗,后改为气水反冲洗。但系统设计的气水反冲洗由于没有压力和流量控制,很难控制反冲洗水量和气量,效果不易控制、能耗较大,建议增加测量装置。

3.2 超滤系统

超滤(UF)是一种以压力为推动力的膜分离技术,利用中孔(20~50nm)筛分作用实现分离[1],能截留水中固体悬浮物、胶体和部分细菌,降低SDI,使出水水质稳定,降低对反渗透系统的膜污染[2]。本工程采用中空纤维外压式膜,膜表面积较大,水通量较大,在运行时纳污量大、抗堵塞[3]。而且其PVDF材质采用TIPS热法制备,具有结晶度高、强度高以及强耐药性等优点。

3.2.1 运行效果

调试期间,个别情况下进水压力峰值达到300kPa,平均进水压力达到250kPa,除了极个别阀门及连接处漏水外,系统运行稳定。在调试结束后对膜丝进行检测,未发现断丝现象。

为了掌握超滤的运行状况,对超滤系统的产水流量、浓水流量、进水压力、产水压力和浓水压力进行了监测,由于通过同一根母管进水,从调试过程及收集的数据来看,每套超滤的参数差异较小,所以选取1#超滤系统进行研究。对大多数的超滤系统而言,初始运行性能跟稳定运行时的性能有较大差异,所以选取的数据为2012年1月1日~1月7日的数据,此时系统已经连续运行了3个多月,系统参数和处理效果分别见表2和图2。

表2 超滤系统运行参数

图2 超滤系统进膜压力、TMP、产水流量曲线

从图2中可知,产水量为130~391m3/h,进膜压力在100~200kPa,TMP在35~130kPa。一般情况下,进水压力上升,产水量随之上升,TMP也增大。产水量的波动范围比较大,在短时清洗后膜性能恢复较快,说明其抗冲击负荷能力强。分析上述数据,其进膜压力、TMP均远低于规定值300kPa。实际上,产水量上升特别明显的阶段是在做完EFM(通量增强维持)的12h内,单纯的增加进膜压力对于产水量的上升并非特别有效,说明EFM清洗方式对于这种膜的清洗效果很好。

3.2.2 清洗方法

设计超滤系统的运行包括过滤、反洗、CEB(化学加强洗)、CIP(在线清洗)4个步骤。

运行方式和持续时间分别为:过滤(1 700s)→加氯碱反洗/气洗(60s)→正冲(40s)→过滤。30min/周期,24h连续运行。

反洗或清洗加入的药剂为柠檬酸、氢氧化钠及次氯酸钠,柠檬酸能去除金属氧化物、胶体污染物;氢氧化钠能去除有机物污染;次氯酸钠可去除微生物污染,可根据具体情况灵活选用。

3.2.2.1 CEB

①清洗频率:1次/d;②化学药剂:柠檬酸(2%)或氢氧化钠(0.1%),酸洗可有效去除金属离子,碱洗可有效去除有机污染物;③运行方式和持续时间:正冲气擦(15s)→上排反洗加碱(90s)→碱浸泡(8min)→反洗冲碱(120s)→上排反洗加酸(90s)→酸浸泡(2min)→反洗冲酸(120s)→过滤。

从实际运行情况看,清洗效果不佳,主要原因有:进水水质较预期差,而且水质变化较大;反洗管道过长,系统设置的加药泵过小,导致反洗药剂浓度不够,效果不佳。后调整为:过滤、反洗、EFM、CIP4个步骤,其中调试前CEB用的是反洗管路,调整后的EFM用的是清洗管路。

3.2.2.2 EFM

①清洗频率:1次/d;②化学药剂:碱氯洗,即次氯酸钠(400mg/L)+氢氧化钠(0.1%),或酸洗,即柠檬酸(2%);酸洗还是氯碱洗根据需要而定;③运行方式和持续时间:一次药剂循环(30min)→药剂浸泡(30min)→二次药剂循环(15min)→正冲气擦(15s)→上排反洗(30s)→上下排反洗(30s)→正冲(30s)→过滤。

3.2.2.3 CIP

①标准频率:2个月1次,同时当跨膜压差达到150~200kPa时需进行在线清洗;②化学药剂(种类和浓度)氯碱洗用次氯酸钠(2 000mg/L)+氢氧化钠(1%)之后用柠檬酸(2%)酸洗;③运行方式和持续时间:一次碱液循环(2h)→药剂浸泡(4h)→二次碱液循环(1h)→正冲气擦(15s)→上排反洗(30s)→上下排反洗(30s)→正冲(30s)→过滤(30min)→一次酸液循环(2h)→药剂浸泡(4h)→二次酸液循环(1h)→正冲气擦(15s)→上排反洗(30s)→上下排反洗(30s)→正冲(30s)→过滤。

3.3 反渗透系统

3.3.1 运行参数

反渗透系统运行参数如表3所示。

3.3.2 清洗方法

根据具体情况,采用分段清洗的方法。可以单独碱洗,也可以单独酸洗或采用碱洗+酸洗的方法。一般情况下,先排空膜内积水,用0.1%的氢氧化钠溶液清洗,然后再用2%柠檬酸溶液清洗。

表3 反渗透系统运行参数

4 调试结果

系统运行效果良好,产水性能达到了设计要求,水质分析结果如表4所示。

表4 水质分析结果

5 成本分析

随着经济的发展,东莞的供水压力也越来越大,在四期工程完成以后,广东理文造纸厂每天的高峰供水量将达到115 000m3。

理文造纸厂四期工程制水成本主要由设备折旧、电费、膜更换费用、滤芯更换费、药剂费、维修费以及人工费和管理费组成。该工程四期制水成本如下。

5.1 计算依据

(1)生产能力:23 000m3/d;

(2)工程投资:2 600万元;

(3)电费成本:0.3元/(kW·h);

(4)单位能耗:2.4kW·h/m3产水;

(5)维修费用:按实际算;

(6)装置及配套设施平均使用寿命:15a;

(7)膜元件平均使用寿命:5a;

(8)化学试剂用量:PAC:2.39g/m3;NaClO:42.55g/m3;NaHSO3:4.43g/m3;NaOH:1.41g/m3;H3Cit:3.40g/m3;PC 191T:4.65g/m3;N7320:0.58g/m3;

(9)人工费(四班三倒八人制):30 000元/(人·a)。

5.2 成本计算

(1)折旧成本:0.78元/m3;

(2)电费成本:0.72元/m3;

(3)膜更换费用:0.32元/m3;

(4)维修费用:0.09元/m3;

(5)滤芯更换费用:0.07元/m3;

(6)化学药剂费用:0.36元/m3;

(7)人工费和管理费用:0.04元/m3;

(8)其他费用0.02元/m3。

合计:2.4元/m3。

综上可知,每m3淡化水费用中折旧和电费成本占制水费用的62.5%。因此要降低制水费用,关键是降低工程投资和能耗。

6 结论

(1)在超滤前设置快滤池能有效减慢超滤的TMP上升速度,降低清洗频率,提高膜的使用寿命。

(2)对于PVDF材质的超滤,EFM是一种非常有效的清洗方式。

(3)反渗透系统脱盐率为99%,产水量大于设计值,出水质量符合设计要求,快滤—超滤—反渗透工艺对此类水质有良好的处理效果,系统运行稳定可靠。

参考文献

1 Simon J,Claire J.The MBR book principles and applications ofmembrane bioreactors in water and wastewater treatment.GreatBritain:Elsevter Ltd,2006,22~23

2 周飞梅,于志勇,李海燕.双膜法海水淡化工艺在超超临界电厂的应用.浙江电力,2008,(3):17~19

3 任立纲,马红刚.内压式与外压式超滤膜在实际应用中的分析比较.冶金动力,2009,(5):78~80

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