最新的超滤技术在处理黄河水上的应用
1.前言
近些年随着我国工业化和城市化的进程，大量的工业和生活污染物排放到环境中，给水体带来越来越严重的污染。恶化的水质危及工业生产和人们的健康，增加了整个社会获取水资源的成本。黄河就是其中一个实例。
在黄河下游地区，建有许多套反渗透脱盐系统。这些系统以黄河水为原水，基本上采用“多介质过滤+活性炭”作为反渗透预处理工艺。但是最近调查发现，在很多系统中，该常规预处理工艺的处理效果往往达不到设计要求，出水SDI值偏高。结果带来保安过滤器滤芯更换频繁，反渗透膜清洗周期缩短等诸多问题，大大缩短了反渗透膜的寿命，增加了系统的运行维护成本。
济南金鸡岭热源厂现有的310m3/h锅炉补给水系统于2002年8月将水源由地下水更换为黄河水后，也出现了类似的问题。反渗透膜的清洗周期由5个月缩短到1个月，同时出现了产水量下降的困扰。为了解决上述问题，金鸡岭热源厂借鉴废水回用和循环水零排放设计中采用的超滤技术，考虑以超滤做为反渗透的预处理来替代常规的“多介质过滤+活性炭”工艺。慎重起见，以黄河水为原水进行了为期两周的中试，以验证超滤工艺的可靠性并据此提出工程设计参数。
2.超滤膜分离技术
膜分离技术是一大类技术的总称。和水处理有关的主要包括微滤、超滤、钠滤和反渗透等几类。这些膜分离产品均是利用特殊制造的多孔材料的拦截能力，以物理截留的方式去除水中一定颗粒大小的杂质。其过滤的精度和滤膜本身的孔径大小有关。通常习惯把孔径较大的称为微滤（Microfiltration），而较小的称为超滤（Ultrafiltration），而“孔径”更小则是钠滤和反渗透。
这些分离膜的“孔径”和分离的对象如下表和下图所示：
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上图显示了水中各种杂质的大小和去除它们所使用的分离方法。反渗透主要用来去除水中溶解的无机盐；而超滤则可以去除病毒、大分子物质、胶体等；微滤一般能够去除水中的细菌、灰尘，具有很好的除浊效果。这些都是传统的过滤（如砂滤、多介质过滤等）无法实现的。
超滤膜分离产品从形式上分为中空纤维、管式、卷式、平板式等；从材质上分PP、PE、PS、PVDF、PAN等多种。这些膜产品能够具备优异的分离能力，是和它的结构及材料密不可分的。下面几张图显示了聚合物膜材料的结构。
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超滤膜属于非对称的结构，即包括致密的皮层（真正起分离作用）和多孔的支撑层。这种结构既保证了良好的分离效果，又提高了膜通量，降低运行能耗，并抗污堵。这些因素使得膜产品最终能够实现大工业化的应用。目前在青岛、山西等地多个热电厂的锅炉给水系统中已经成功采用超滤做为反渗透的预处理。
膜分离产品最近受到了市场的高度关注，这是因为它具有如下的优点：
对杂质的去除效率高，产水水质大大好于传统方法；
大大减少化学药剂的使用，避免二次污染；
系统易于自动化，可靠性高。运行简易，设施只有开启，关闭两档；
占地面积小；
与常规水处理系统费用相当。
3.试验结果
3.1原水水质
试验原水为经自来水厂处理的黄河水，取自金鸡岭热源厂化水车间生水池。其主要水质指标如下：
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3.2试验装置及试验流程
试验装置采用欧美环境工程公司一体化的集装箱式中试装置，紧凑布置了φ750多介质过滤器、φ750活性炭过滤器、超滤装置一套、反渗透装置一套、EDI装置一套。以及辅助的自动控制系统、输送系统及在线仪表。其中超滤使用的是OMEXELLTMSFP2660超滤元件，该产品是欧美环境工程公司为废水处理和反渗透预处理而设计、制造的，采用改性的PVDF材质，耐污染、抗氧化性较好。
试验以黄河水为原水，比较了常规“多介质过滤+活性炭”工艺和超滤工艺对浊度、SDI的去除效果，并评价了超滤膜通量的变化情况。其中原水在进入多介质过滤器前加入了10ppmPAC做为混凝剂；而原水不加任何药剂直接进入超滤。
试验中超滤的产水量为5m3/h。超滤装置采用4支OMEXELLTM-SFP2660超滤膜，全自动运行。采取死端过滤的方式，每支膜运行30分钟反洗一次，反洗时间1分钟（包括浓排时间），反洗水流量2m3/h。每支膜运行12小时气洗一次，气洗强度7Nm3/h。
3.3常规预处理工艺和超滤的比较
3.3.1浊度去除
下图显示了常规预处理和超滤对浊度的去除效果比较。
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从图中可以看到，超滤出水的浊度平均在0.2NTU左右，而传统预处理的出水浊度在0.6NTU左右。超滤的除浊效果较好。
3.3.2SDI
SDI(污泥密度指数，或称污染指数)是反渗透系统中，用来衡量反渗透进水水质的一个重要指标。现有锅炉补给水系统使用的黄河水水质较差，SDI15无法检测。如下图所示，经过常规预处理工艺后，SDI15大部分时间在45左右，最低达到3，最高则超过6。这表明“多介质过滤+活性炭”工艺在处理该水源时，存在一定的缺陷：效果不稳定且SDI15超标。这与目前金鸡岭热源厂现有系统的症状是一致的。
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而经过超滤后，SDI15则稳定保持在0.5以下。这样的处理效果给下游反渗透膜提供了最大限度的保护，将大大延长反渗透膜的清洗周期和寿命。
3.4超滤的抗污堵性
超滤的产水水质是超滤性能的一个重要方面，另一个重要方面则是超滤的抗污堵性能。这是超滤大规模应用更令人关注的特性。
试验期间在保持超滤产水量恒定的情况下，记录了超滤进出水的压差变化。如上图所示，超滤投入运行后，在前80小时，膜两侧的压差总体趋势逐步上升，在随后的200多小时时间里，压差则趋于稳定。这一过程是水中的杂质在新的超滤膜表面积累并形成“凝胶层”的过程。一旦凝胶层建立，膜通量的下降就趋于平缓，并逐步达到稳态。图中的曲线恰当地反映了这一过程。表明在试验期间膜的污堵情况十分轻微。
但是，由于试验时间较短，对于膜破损造成产水水质下降、不可逆污堵造成通量下降等现象尚没有观察到，因而对膜长期工作的稳定性和可靠性还缺乏足够的数据支持，这一点还有待在工业系统实际运行中考察、验证。
4.结论
通过中试及对中试过程的数据分析可以得出以下结论。
1.超滤作为反渗透的预处理，以济南地区黄河水作为原水，在技术上是可行的；
2.“多介质过滤器+活性炭过滤器”的常规预处理工艺，处理黄河水，其产水的SDI15难以控制在4以下，有时甚至超过5、6，不利于对反渗透膜的保护；
3.试验期间超滤产水的SDI15在0.5以下，远远优于常规工艺。
4.试验期间超滤膜基本没有出现通量不可恢复性下降的情况，表现了较好的抗污堵性能。但长期工作的稳定性还有待进一步考察。
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