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超濾技術(shù)在處理黃河水上的應(yīng)用
分割線黃河下游地區(qū)以黃河水為原水，制備鍋爐補給水時，常規(guī)的“多介質(zhì)過濾+活性炭”預(yù)處理工 藝往往不能滿足反滲透進水要求，造成反滲透清洗頻繁。本文通過中試考察了中空纖維超濾作為反滲透預(yù)處理，在處理黃河水時的技術(shù)參數(shù)和綜合性能。結(jié)果表明，超濾產(chǎn)水水質(zhì)大大優(yōu)于常規(guī)處理工藝，且試驗期間超濾膜未出現(xiàn)污堵和通量下降的現(xiàn)象。證明超濾作為反滲透的預(yù)處理工藝是可行可靠的。
1. 前言
近些年隨著我國工業(yè)化和城市化的進程，大量的工業(yè)和生活污染物排放到環(huán)境中，給水體帶來越來越嚴重的污染。惡化的水質(zhì)危及工業(yè)生產(chǎn)和人們的健康，增加了整個社會獲取水資源的成本。黃河就是其中一個實例。在黃河下游地區(qū)，建有許多套反滲透脫鹽系統(tǒng)。這些系統(tǒng)以黃河水為原水，基本上采用“多介質(zhì)過濾+活性炭”作為反滲透預(yù)處理工藝。但是最近調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在很多系統(tǒng)中，該常規(guī)預(yù)處理工藝的處理效果往往達不到設(shè)計要求，出水SDI 值偏高。結(jié)果帶來保安過濾器濾芯更換頻繁，反滲透膜清洗周期縮短等諸多問題，大大縮短了反滲透膜的壽命，增加了系統(tǒng)的運行維護成本。
濟南金雞嶺熱源廠現(xiàn)有的310m3/h鍋爐補給水系統(tǒng)于2002年8月將水源由地下水更換為黃河水后，也出現(xiàn)了類似的問題。反滲透膜的清洗周期由5個月縮短到1個月，同時出現(xiàn)了產(chǎn)水量下降的困擾。為了解決上述問題，金雞嶺熱源廠借鑒廢水回用和循環(huán)水零排放設(shè)計中采用的超濾技術(shù)，考慮以超濾做為反滲透的預(yù)處理來替代常規(guī)的“多介質(zhì)過濾+活性炭”工藝。慎重起見，以黃河水為原水進行了為期兩周的中試，以驗證超濾工藝的可靠性并據(jù)此提出工程設(shè)計參數(shù)。
2. 超濾膜分離技術(shù)
膜分離技術(shù)是一大類技術(shù)的總稱。和水處理有關(guān)的主要包括微濾、超濾、鈉濾和反滲透等幾類。這些膜分離產(chǎn)品均是利用特殊制造的多孔材料的攔截能力，以物理截留的方式去除水中一定顆粒大小的雜質(zhì)。其過濾的精度和濾膜本身的孔徑大小有關(guān)。通常習慣把孔徑較大的稱為微濾（Microfiltration），而較小的稱為超濾（ Ultrafiltration），而“孔徑”更小則是鈉濾和反滲透。
這些分離膜的“孔徑”和分離的對象如下表和下圖所示：
| 微濾 | 超濾 | 納濾 | 反滲透 | |
|---|---|---|---|---|
| 膜孔徑 | 0.05~2.0μm | 0.001~0.1μm | <0.02μm | <10A |
| 操作壓力 | 0.35~2.1bar | 1.0~5.25bar | 3.5~8.75bar | 7.0~42.0bar 56~84bar(海水) |
 | ||||
上圖顯示了水中各種雜質(zhì)的大小和去除它們所使用的分離方法。反滲透主要用來去除水中溶解的無機鹽；而超濾則可以去除病毒、大分子物質(zhì)、膠體等；微濾一般能夠去除水中的細菌、灰塵，具有很好的除濁效果。這些都是傳統(tǒng)的過濾（如砂濾、多介質(zhì)過 濾等）無法實現(xiàn)的。
超濾膜分離產(chǎn)品從形式上分為中空纖維、管式、卷式、平板式等；從材質(zhì)上分PP、PE、PS、PVDF、PAN等多種。這些膜產(chǎn)品能夠具備優(yōu)異的分離能力，是和它的結(jié)構(gòu)及材料密不可分的。下面幾張圖顯示了聚合物膜材料的結(jié)構(gòu)。
超濾膜屬于非對稱的結(jié)構(gòu)， 即包括致密的皮層（真正起分離作用） 和多孔的支撐層。 這種結(jié)構(gòu)既保證了良好的分離效果，又提高了膜通量，降低運行能耗，并抗污堵。這些因素使得膜產(chǎn)品最終能夠?qū)崿F(xiàn)大工業(yè)化的應(yīng)用。目前在青島、山西等地多個熱電廠的鍋 爐給水系統(tǒng)中已經(jīng)成功采用超濾做為反滲透的預(yù)處理。
膜分離產(chǎn)品最近受到了市場的高度關(guān)注，這是因為它具有如下的優(yōu)點：對雜質(zhì)的去除效率高，產(chǎn)水水質(zhì)大大好于傳統(tǒng)方法；大大減少化學藥劑的使用，避免二次污染；系統(tǒng)易于自動化，可靠性高。運行簡易，設(shè)施只有開啟，關(guān)閉兩檔；占地面積小；與常規(guī)水處理系統(tǒng)費用相當。
3. 試驗結(jié)果
3.1 原水水質(zhì)
試驗原水為經(jīng)自來水廠處理的黃河水，取自金雞嶺熱源廠化水車間生水池。其主要水質(zhì)指標如下：
| 項目 | 單位 | 分析結(jié)果 | 項目 | 單位 | 分析結(jié)果 |
|---|---|---|---|---|---|
| K+ | mg/L | 3.46 | Cl- | mg/L | 105 |
| Na+ | mg/L | 91.5 | SO42- | mg/L | 96.29 |
| Ca2+ | mg/L | 43.4 | NO3－ | mg/L | 24 |
| Mg+ | mg/L | 26.2 | HCO3－ | mmol/L | 4.9 |
| Fe3+ | mg/L | 0.067 | 膠體硅 | mg/L | 14.75 |
| Ba2+ | mg/L | 0.026 | 活性硅 | mg/L | 20.63 |
| Sr2+ | mg/L | 0.18 | 溶解固形物 | mg/L | 609.2 |
| CODMn | mg/L | 0.64 | |||
| pH | 7.5 |
3.2 試驗裝置及試驗流程
試驗裝置采用歐美環(huán)境工程公司一體化的集裝箱式中試裝置，緊湊布置了φ750多介質(zhì)過濾器、φ750活性炭過濾器、超濾裝置一套、反滲透裝置一套、EDI裝置一套。以及輔助的自動控制系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)及在線儀表。其中超濾使用的是OMEXELLTM SFP 2660超濾元件，該產(chǎn)品是歐美環(huán)境工程公司為廢水處理和反滲透預(yù)處理而設(shè)計、制造的，采用改性的PVDF材質(zhì)，耐污染、抗氧化性較好。
試驗以黃河水為原水，比較了常規(guī)“多介質(zhì)過濾+活性炭”工藝和超濾工藝對濁度、SDI的去除效果，并評價了超濾膜通量的變化情況。其中原水在進入多介質(zhì)過濾器前加入了10ppmPAC做為混凝劑；而原水不加任何藥劑直接進入超濾。
試驗中超濾的產(chǎn)水量為5m3/h。超濾裝置采用4支OMEXELLTM-SFP 2660 超濾膜，全自動運行。每支膜運行30分鐘反洗一次，反洗時間1分鐘（包括濃排時間），反洗水流量2m3/h。每支膜運行12小時氣洗一次，氣洗強度7Nm3/h。
3.3 常規(guī)預(yù)處理工藝和超濾的比較
3.3.1 濁度去除
下圖顯示了常規(guī)預(yù)處理和超濾對濁度的去除效果比較。
從圖中可以看到，超濾出水的濁度平均在0.2NTU左右，而傳統(tǒng)預(yù)處理的出水濁度在0.6NTU左右。超濾的除濁效果較好。
3.3.2 SDI
SDI(污泥密度指數(shù)，或稱污染指數(shù))是反滲透系統(tǒng)中，用來衡量反滲透進水水質(zhì)的一個重要指標。現(xiàn)有鍋爐補給水系統(tǒng)使用的黃河水水質(zhì)較差，SDI15無法檢測。如下圖所示，經(jīng)過常規(guī)預(yù)處理工藝后，SDI15大部分時間 4~5左右，最低達到3，最高則超過6。這表明“多介質(zhì)過濾+活性炭”工藝在處理該水源時，存在一定的缺陷：效果不穩(wěn)定且SDI15超標。這與目前金雞嶺熱源廠現(xiàn)有系統(tǒng)的癥狀是一致的。
而經(jīng)過超濾后，SDI15則穩(wěn)定保持在0.5以下。這樣的處理效果給下游反滲透膜提供了最大限度的保護，將大大延長反滲透膜的清洗周期和壽命。
3.4 超濾的抗污堵性
超濾的產(chǎn)水水質(zhì)是超濾性能的一個重要方面，另一個重要方面則是超濾的抗污堵性能。這是超濾大規(guī)模應(yīng)用更令人關(guān)注的特性。
試驗期間在保持超濾產(chǎn)水量恒定的情況下，記錄了超濾進出水的壓差變化。如上圖所示，超濾投入運行后，在前80小時，膜兩側(cè)的壓差總體趨勢逐步上升，在隨后的200多小時時間里，壓差則趨于穩(wěn)定。這一過程是水中的雜質(zhì)在新的超濾膜表面積累并形成“凝膠層”的過程。一旦凝膠層建立，膜通量的下降就趨于平緩，并逐步達到穩(wěn)態(tài)。圖中的曲線恰當?shù)胤从沉诉@一過程。表明在試驗期間膜的污堵情況十分輕微。
4. 結(jié)論
通過中試及對中試過程的數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論。
1.超濾作為反滲透的預(yù)處理，以濟南地區(qū)黃河水作為原水，在技術(shù)上是可行的；
2.“多介質(zhì)過濾器+活性炭過濾器”的常規(guī)預(yù)處理工藝，處理黃河水，其產(chǎn)水的SDI15難以控制在4以下，有時甚至超過5、6，不利于對反滲透膜的保護；
3.試驗期間超濾產(chǎn)水的SDI15在0.5以下，遠遠優(yōu)于常規(guī)工藝。
4.試驗期間超濾膜基本沒有出現(xiàn)通量不可恢復(fù)性下降的情況，表現(xiàn)了良好的抗污堵性能。
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