关键词：超滤;多介质过滤器;反渗透;浊度;污染指数
2008年之前,沧州大化的生产用水全部来源于自备井水,由于沧州是深层地下水的严重超采区,是华北乃至全国最缺水的城市之一。因此大化积极响应《沧州市人民政府关于关停市区单位自备井的决定》,于2008年将自备井全部关封,并在此之前实施了生产水的系统改造。生产用水由地下水改为自来水后,水质发生变化,原有的水预处理装置已满足不了生产的要求,必须进行改造。经多方论证,在原有预处理和反渗透装置间增加超滤装置,运行两年,效果良好。
1 水预处理装置的选择
工厂中为锅炉和其他装置提供的脱盐水需采用反渗透装置,而反渗透装置对进水水质有着比较严格的要求(表1),其中污染指数(SDI15)是最重要的指标之一。预处理不合格的水导致反渗透膜迅速地被污堵,造成膜的清洗频繁,所产水的水质下降,直接威胁到工厂的正常生产。为了提高反渗透系统的效率和反渗透膜的寿命,必须对原水进行有效地预处理。选择合理的预处理装置对保障反渗透系统正常运行相当重要。生产中反渗透膜的污染和劣化主要源于以下五个原因:
(1)悬浮物、胶体颗粒对膜的污堵;
(2)微溶解性盐的溶度积超过饱和值而产生结垢;
(3)微生物、细菌、藻类污染;
(4)氧化反应;
(5)有机物污堵,如油、脂、酮类有机溶剂和大分子阳离子型聚合物等。
一般来说,选择预处理工艺时应坚持尽量减少悬浊物和胶体含量的原则,要求其出水浊度<0. 13mg/L(最好<0·039 mg/L),SDI15<5. 0(最好<3. 0)[1]。针对上述反渗透膜的特性,从生产装置运行安全考虑,反渗透预处理设施改造方案可有以下选择。
1.1 方案一:改造原有的多介质过滤器
多介质过滤器,又称机械过滤器,是利用一种或几种过滤介质,在一定的压力下把浊度较高的水通过一定厚度的粒状或非粒状材料,从而有效地除去悬浮杂质使水澄清的装置。过滤介质一般使用D=0. 5~1. 0mm的滤料介质。根据水中杂质成分可以采用单层,双层和多层过滤。滤料介质包括:石英砂、无烟煤、锰砂、硅藻土、活性炭等。
我厂原有的反渗透预处理系统采用的就是这种方式。具体应用为:石英砂过滤器+活性炭过滤器(后面分别简称砂滤和炭滤)。改用自来水后,水质发生了很大变化(表2)。和地下水比较,自来水有如下特点:水中含有较多的悬浮物、胶体、有机物,浊度、色度也较大,水温也随季节变化而波动。为了保证过滤效果,原有的四台石英砂过滤器的填料更换为石英砂和无烟煤,其能过滤截留1. 0um以上的颗粒和杂质[2],可有效去除胶体微粒及高分子有机物。原有的四台活性炭过滤器维持不变,可去除色、味、余氯和有机物等。
1.2 方案二:新建超滤装置
超滤是一个压力驱动的膜分离过程,它能够将颗粒物质从流体及溶解组分中分离出来。超滤膜元件能截留粒径0. 002~0. 1μm以上的颗粒和杂质[2],能够去除几乎所有的微粒、细菌、大多数病毒以及胶体等。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。经过超滤处理后,水的浊度能够降低到0. 13mg/L以下,SDI15能够降低到3. 0以下[3]。
之前反渗透装置处理地表水的产水量为120t/h,由于上超滤装置可提高反渗透装置的运行通量20% ~30%,即提高至144~156t/h,所以应上一套处理量为200m3/h的超滤装置比较合适。
上超滤装置后,自来水可经过换热器直接进入超滤装置,然后进入反渗透装置,可缩短原有预处理的工艺流程。考虑到如果自来水公司供水中断,使用预沉池水,需要经过砂滤和炭滤,因此在新建超滤装置的同时仍采用砂滤和炭滤。
为了更好的对两个方案加以比较,请欧美环境公司进行了为期15天的试验,主要考察了两种方案对自来水浊度和污染系数的去除效果。试验数据表明:多介质过滤器对进水浊度的去除率为39. 7% ~95. 9%,而超滤的去除率为92. 4% ~99. 7%。超滤出水的SDI15值为0. 58~2. 65,而多介质过滤器的SDI15值为4. 5~7. 2。由此可见,多介质过滤器的出水浊度受原水浊度的变化影响很大,而超滤的出水浊度则表现稳定,水质的变化对其影响很小,且去除率高,对污染指数的降低效果也明显更优。通过对两种预处理方式的工作原理和试验结果分析可以发现,方案二对水质的适应范围明显更广,预处理效果更优。在确保反渗透装置运行的同时还能提高反渗透出水量;方案一对于水质波动的适应性明显小于方案二,在原水浊度较大时,出水水质不能满足反渗透进水条件。从生产稳定性出发,方案二更好。从经济角度分析,方案一最大限度地利用了原有设备进行改造,节省了资金。方案二则因新增了超滤装置需追加投资240万元。表面上看方案二是增加了费用,但进一步分析,由于超滤良好的过滤性和抗污堵性,可以为反渗透膜提供最大限度的保护,在延长反渗透膜清洗周期的同时还大大延长了它的寿命。此外,超滤膜比反渗透膜易于清洗和恢复,价格也相对低廉,从长远来看则是降低了清洗和维护的费用。综合以上因素最终选用方案二。
2 超滤装置及工艺流程
2.1 超滤装置的选用
选用OMEXELL SFR-2860超滤膜,每套超滤装置产水量100m3/h,共2套,每套采用32根膜组件。需配置反洗,化学清洗,NaClO加药装置各一套。采用PLC程序控制。膜元件主要参数:形式采用外压中空纤维膜,材质为PVDF,公称孔径0. 03μm,膜面积52m2。
2.2 工艺流程
自来水由供水公司接入后,经过砂滤和炭滤预处理后,将可能造成膜损坏的、较大的机械性杂质过滤掉;然后进入超滤装置,大部分的细菌、藻类、胶体物质、大分子有机物和微小(大于0. 025μm)的颗粒物质可以在此去除,超滤产出的水再进入反渗透装置,其流程如下:
自来水———砂滤———炭滤———超滤(新增)———反渗透
3 应用效果
超滤装置自08年投入使用后,一直运行稳定,以08年超滤处理后的水样平均值与自来水水样的平均值做比较,如表3所示。
由以上数据可见,经超滤处理后水样的出水浊度和污染指数的平均值,都有了显著地提高,大大优于反渗透装置的进水要求。水质参数稳定,生产中也没有出现污堵的趋势,表现了良好的抗污堵性,保证了整套系统良好地运行。
