陶瓷超滤膜在电厂化学水处理系统改造中的应用
本文介绍了CM大面积块片式陶瓷超滤膜在电厂化学水处理系统的中试和应用情况。中试结果表明，对于经混凝过滤预处理后的河水，CM陶瓷超滤膜可在333L/（m2·h）高运行通量和50min过滤时间下稳定运行；对于未预处理的河水，陶瓷超滤膜也实现了原水直接过滤下稳定运行。超滤改造时采用CM-151TM陶瓷超滤膜替换原有机中空纤维膜，CM陶瓷超滤膜的实际运行通量高于260 L/（m2·h），反洗水量和化学加强反洗（CEB）频率较原有机超滤膜减半，浊度< 0.1NTU，SDI<2，完全满足后续反渗透系统的进水要求。
浙江某热电联产电厂取长江支流作为循环冷却水和锅炉补给水水源，设有化学水处理系统对河水进行深度处理。其处理工艺流程为原水加药、混凝澄清、多介质过滤、超滤、除盐（含反渗透）和酸碱再生。
此系统原采用外压式中空纤维有机超滤膜作为反渗透装置的前端工艺，运行一段时间后出现断丝、污堵和出水SDI过高的问题，导致后续反渗透系统难以稳定运行，进而对整个电厂的正常生产造成很大风险。该电厂尝试过多种措施后，决定采用CM-151TM大面积块片式陶瓷超滤膜替换有机超滤膜。笔者对陶瓷超滤膜的特性、中试数据和工程运行效果进行了讨论。
一、项目介绍
01 原水水质
化学水处理系统原水取自河水，由于河道流经工业区且注入海水，水质波动较大，具体水质见表1。原水经处理后达到该电厂对循环冷却水用水和锅炉补给水的水质要求。
02 预处理工艺
化学水处理系统反渗透前的预处理工艺为河水→混凝澄清→多介质过滤器→网式过滤器→超滤。其中混凝澄清池处投加PAC（10 mg/L）和NaClO（1 mg/L）。
有机超滤膜是电厂化学水处理系统全（双）膜分离技术中预脱盐系统的核心，在实际使用中产水水质不满足要求、断丝等问题屡有报导。在该项目中，原有机超滤系统运行一段时间后出现断丝和污堵，单套产水量由90 m3/h降至45 m3/h且出水SDI高达4~5，导致后续的反渗透系统难以稳定运行。为解决此问题，该电厂曾使用新的同品牌有机超滤膜对旧膜进行全部更换，但更换后的新膜出现了同样问题。之后业主尝试在多介质过滤器进水投加高分子絮凝剂，以提高处理效果。此措施增加了额外的药剂费用，但仍无法为反渗透系统持续稳定地提供SDI合格的进水。笔者在现场进行的中试证实陶瓷超滤膜可在超预期的高达333 L/（m2·h）通量下稳定运行。
03 CM陶瓷超滤膜
CM陶瓷超滤膜断面呈多孔性不对称结构，支撑层材料采用三氧化二铝（A2O3），过滤层材料为α型三氧化二铝，经高温烧结紧密熔合在一起。形成的膜孔径稳定在30 nm范围内，孔径分布非常均匀，具有更为狭窄集中的正态分布曲线。膜材质采用无机陶瓷材料，具有更好的亲水性和更高的过滤通量，而陶瓷本身的机械强度和化学稳定性，使得陶瓷超滤膜在耐压、耐温、耐腐蚀性、耐油性、耐化学清洗等方面均优于有机中空纤维超滤膜。
CM陶瓷超滤膜与有机中空纤维超滤膜的性能对比见文献。
04 中试设备及运行参数
中试分3个测试阶段，见"5 存在问题与讨论"。中试设备采用纳诺斯通水务公司一体化实验装置。其中陶瓷超滤膜元件的膜面积为3m2，过滤精度为30nm，过滤周期30~60 min，反洗时间40 s。
05 存在问题与讨论
（1）阶段1：河水经混凝澄清和多介质过滤器后进入陶瓷超滤膜，运行通量为300~330 L/（m2·h）。此阶段CM陶瓷超滤膜的运行效果见图1。
首先测试目标运行通量300 L/（m2·h）（共13 d），过滤周期为30 min，陶瓷超滤膜进水PAC投加量为1.4 mg/L。由图1可见，跨膜压差在0.04~0.08 MPa呈现周期性变化，且后期跨膜压差（0.04~0.06 MPa）明显低于前期跨膜压差，这主要是因为后期采取了优化措施，如调整化学加强反洗（CEB）参数设置等。此组运行数据证实陶瓷超滤膜在目标通量300 L/（m2·h）下运行稳定。之后提高运行通量至316 L/（m2·h），可见在7d的运行时间内，跨膜压差在更平稳和收窄的区间有规律变化，陶瓷超滤膜的运行很稳定。进一步提升运行通量至330 L/（m2·h）并运行5 d，陶瓷超滤膜依然运行稳定。
（2）调整过滤时间，运行通量为316~333 L/（m2·h），结合阶段1数据，沿用阶段1的预处理工艺（混凝澄清和多介质过滤）开展了过滤时间的优化测试，结果见图2。
从图2可知，在316、333 L/（m2·h）的运行通量下，过滤时间分别调整为40、50 min，跨膜压差的变化趋势依然平稳和规律（0.04~0.06 MPa）。在333 L/（m2·h）的运行通量下继续延长过滤时间至60 min，跨膜压差略有上升，后期（延长CEB周期）上升趋势较为明显，但仍能在CEB清洗后恢复良好。
（3）河水直接进入陶瓷超滤膜，运行通量167~366 L/（m2·h）。此阶段将不经混凝澄清和多介质过滤器预处理的河水直接进入陶瓷超滤膜，进一步验证陶瓷超滤膜的抗污染性和清洗恢复性。过滤时间30min，PAC加药量8mg/L，运行4d，运行数据见图3。
在167、250 L/（m2·h）的运行通量下，跨膜压差分别在0.02~0.03、0.03~0.04 MPa区间波动，陶瓷超滤膜运行平稳。运行通量提升至330 L/（m2·h），跨膜压差波动加大；至366 L/（m2·h）后，跨膜压差波动则进一步加大，但均能在CEB后恢复至接近起始值。陶瓷超滤膜的抗污染性和清洗恢复性得到验证。同时，河水不经预处理直接进陶瓷超滤膜的可行性也得到验证，建议运行通量不高于250 L/（m2·h）。整个中试期间无需进行恢复性化学清洗（CIP）。
中试期间陶瓷超滤膜的进、产水浊度见图4。
由图4可见，预处理后陶瓷超滤膜的进水浊度在0.2~0.4 NTU之间波动，产水浊度则在0.046~0.093 NTU之间，稳定＜0.1 NTU，优于后续反渗透系统对进水浊度的要求。
二、工程应用及运行情况介绍
在满足项目经济性要求的前提下，最终选择260 L/（m2·h）的运行通量作为设计值对原有机超滤系统进行改造。改造项目采用纳诺斯通水务第3代CM-151TM超滤膜组件，改造后的陶瓷膜超滤系统与原有机超滤系统的主要参数对比见表2。
原单套有机超滤需28支膜，由于运行通量大幅提高，改造后单套仅需14支CM-151TM陶瓷超滤膜。改造过程充分利用原有设施，原有机超滤系统的进水泵、自清洗过滤器、反洗水泵及CEB系统都继续使用。改造仅涉及原膜组架上的少量管路，即将原有膜组架上的PVC管路改造成适应陶瓷超滤膜，并与原阀组管道和原主管相连接。
该改造项目于2017年12月完成调试，至今稳定运行，持续提供优质产水，SDI＜2、浊度＜0.1 NTU。4套陶瓷膜超滤装置中的1#装置运行1个月的跨膜压差数据见图5。
图5表明，陶瓷膜超滤系统的跨膜压差主要在0.04~0.07 MPa波动，不超过0.1 MPa，运行稳定。改造后不需向多介质过滤器进水额外投加高分子絮凝剂。此外，陶瓷膜超滤系统的反洗水量和CEB频率均降为原有机超滤系统的50%，且CIP周期＞2个月，大幅节省药剂费用并降低运行费用，提高了系统回收率.
三、结论
（1）河水经混凝澄清、多介质过滤器处理并投加1.4 mg/L PAC后进入陶瓷超滤膜，陶瓷超滤膜在运行通量300~330 L/（m2·h）下运行平稳（过滤时间30 min）。
（2）中试阶段2陶瓷超滤膜在333 L/（m2·h）的运行通量和50 min过滤时间下运行稳定，仅在333 L/（m2·h）运行通量、过滤时间60 min和延长CEB周期的工况下跨膜压差上升较为明显，但仍能在CEB清洗后恢复良好。
（3）河水直接进入陶瓷超滤膜的可行性得到验证，建议运行通量不高于250 L/（m2·h）。
（4）用陶瓷超滤膜对原有机超滤膜系统进行改造，改造工程量小，原配套系统和设施得到充分利用。实际运行通量高于260 L/（m2·h），反洗水量和CEB频率减半，且不需向多介质过滤器进水额外投加高分子絮凝剂，节省药剂费用和运行费用，系统回收率提高。
（5）陶瓷超滤膜中试及实际运行产水持续、稳定、优质，浊度＜0.1 NTU，SDI＜2，完全满足后续反渗透系统的进水要求。该项目为陶瓷超滤膜在类似水处理中的推广应用提供了借鉴。
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