反滲透技術在清江石化除鹽水工藝中的應用

周 健，華 倫

(1.天津科技大學海洋科學與工程學院，天津 300457;2.淮安清江石化有限公司，江蘇 淮安 223002)

0 引言

反滲透除鹽是目前比較成熟的一種水處理技術，廣泛應用于鍋爐補給水處理、工業廢水處理、飲用水處理及海水淡化等方面。反滲透除鹽具有操作簡單、排廢少、不需要再生等優點，但是對運行的條件要求較高，要有配套的預處理設施，以保證反滲透裝置的進水水質符合工藝指標的要求。清江石化的反滲透除鹽水裝置于2006年8月建成投產。裝置主要包括原水的預處理和反滲透脫鹽處理兩個部分，設計制水能力為60m3/h。本裝置選用的是陶氏卷式復合膜。運行4年多來，總體效果較好。

1 陶氏反滲透膜概況

1.1 陶氏反滲透膜元件的結構

陶氏反滲透膜的膜元件為螺旋卷式結構，簡稱卷式結構。它由多葉膜袋組成，每一葉膜袋由兩片正面相背的膜片、置于兩片膜片間的產品水流道和放置在膜表面的湍流網格狀進水流道組成，該膜袋三邊用膠粘劑密封，第四邊開口于有孔的產水收集管上。與其它元件結構，如管式、板式和中空纖維式相比，具有水流分布均勻、耐污染程度高、更換費用低、外部管路簡單、易于清洗維護保養和設計自由度大等許多優點，成為目前主要膜元件結構形式。

陶氏復合結構的膜片，由三層組成，如圖1所示。

圖1 陶氏反滲透膜結構示意圖

(1)聚酯材料增強無紡布，約120μm厚;

(2)聚砜材料多孔中間支撐層，約40μm厚;

(3)聚酰胺材料超薄分離層，約0.2μm厚。

每一層均需根據其功能要求分別優化設計與制造。復合膜的主要結構強度是由無紡布提供的，它具有堅硬、無松散纖維的光滑表面。因超薄分離層直接復合在無紡布上會出現表面不規整及孔隙大等問題，因此通常設計多孔中間支撐結構并在無紡布上預先涂布一層高透水性微孔聚砜作為支撐層，其孔徑約為150埃。超薄分離層是反滲透和納濾過程中真正具有分離作用的功能層，陶氏(FILMTECTM)反滲透膜片與其它品牌的產品相比，具有交聯度高，功能分離層更厚，且厚度更均勻、無針孔等優點，其高交聯度決定了膜片具有極高的物理強度和抗化學生物降解的性能。

陶氏膜元件由美國FilmTec公司生產。具有膜片無補丁，脫鹽層厚，可采用無機酸堿強烈清洗等優點。組裝方式采用全自動的元件組裝技術，成品無需通水檢驗?？蓮V泛應用于各行各業所需高純度水的制備。

2 清江石化反滲透脫鹽工藝設計

2.1 工藝原理

清江石化反滲透除鹽水處理部分共有11支FBR壓力外殼，每支裝BW30－400(玻璃鋼纏繞標準低壓苦咸水反滲透膜元件)膜元件6只，共裝66支。

反滲透除鹽水裝置是利用滲透與反滲透的原理，來實現水與溶解性鹽及分子量大于100的有機物的分離，如圖2所示，隨著水的流動，鹽水液面升高而產生壓力，當壓力P足夠用來阻止水繼續向鹽水流入時，滲透處于平衡狀態，此時的壓力P0為濃溶液的滲透壓力。當在鹽水一側加壓，并大于滲透壓時，鹽水中的水分就會從鹽水一側透過半透膜滲透至淡水一側，產水即為除鹽水。反滲透可以去除水中98%以上的膠體、微生物、微粒、有機物及一些溶解性物質。

圖2 反滲透技術原理圖

2.2 工藝控制參數

2.2.1 反滲透膜系統的回收率和脫鹽率

反滲透系統的淡水產出過程，也是對系統給水的濃縮過程。濃縮倍數與系統收率之間呈函數關系:濃縮倍數≈1/(1－系統收率)。例如，系統收率達到0.75時，給水被濃縮了約4倍。由于高倍濃縮將使濃水中的難溶鹽飽和析出，給水中的難溶鹽含量決定了系統的最高收率。盡管在給水中投加阻垢劑可以緩解濃水的結垢趨勢，進而提高系統的收率水平，但阻垢劑作用的飽和仍使系統收率限制在一定水平，該收率水平稱為難溶鹽極限收率。

除難溶鹽的影響之外，系統收率還受到濃差極化度的限制。濃差極化度系指溶質的膜表面濃度與水體平均濃度之比，與元件給水流量及濃淡水流量比相關，且該極化度存在1.2的上限數值。

回收率 =(產品水流量 /給水流量 )×100%

脫鹽率 =［(給水鹽濃度－產品水鹽濃度)/給水鹽濃度］×100%

反滲透系統中，回收率的提高有利于減少濃水的排放量，節約用水?；厥章手饕梢韵聝蓚€因素決定:

(1)進水難溶鹽的濃度:進水在反滲透過程中不斷地得到濃縮，若回收率為50%時，則進水約被濃縮2倍。因此，進水溶液中的難溶性鹽，如碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇等物質就有可能在膜表面上沉積出來。所以，難溶鹽的最大濃度決定了反滲透系統的回收率。

(2)膜元件的最低濃水流速:為了獲得最佳的膜元件性能，同時，也是為了防止濃差極化，必須維持膜元件的最低濃水流速。

2.2.2 進出水水質

卷式復合膜對進水水質的要求，見表1。

表1 卷式復合膜對進水水質的要求

對出水水質的要求見表2。

表2 反滲透脫鹽水裝置各段指標要求

2.3 工藝流程

反滲透裝置工藝流程如圖3所示。

圖3 反滲通裝置工藝流程圖

3 運行中存在的問題

3.1 清洗周期短

在正常運行一段時間后，反滲透膜元件會受到在給水中可能存在的懸浮物質或難溶物質的污染，在正常操作的條件下，當反滲透裝置的產水量下降10%，膜脫鹽率下降10%，或者進出口壓差增大15%時，說明膜已經受到污染。為了恢復良好的膜透水率和脫鹽性能，需要對膜進行清洗，按照設計清洗周期為3個月一次，實際生產中因膜的使用時間長、壓降升高快、膜污染較快，必須1個月在線清洗一次。經清洗后，反滲透膜系統雖能不同程度恢復，但膜污染現象易反彈，造成膜清洗頻率高，清洗工作量大。

3.2 制水比居高不下

裝置投產三年后，發現反滲透制水比居高不下，如表3所示。膜進水SDI值一直維持在5～6，超出反滲透膜進水SDI≤5的要求，反滲透膜污染較快，導致周期制水量下降和膜前壓力升高，而膜前壓力高又增加電耗;頻繁清洗，增加水耗。

表3 2009年10月SDI數據統計表

根據表3繪制SDI折線，如圖4所示。

圖4 SDI折線圖

表4反映了清江石化除鹽水反滲透裝置的制水比超指標月份較多。

表4 2009年4月～2010年3月制水比統計表

根據表4繪制制水比折線，如圖5所示:

圖5 制水比折線圖

3.3 其他問題

裝置在操作過程中，保安過濾器濾芯也需要頻繁更換，增加濾芯消耗;產水量滿足不了生產需要，對公司正常生產造成威脅;初級濾池藻類繁殖旺盛，藻類死亡后變成粘泥，污染了水質。

4 改進措施

4.1 調整反滲透膜清洗方案

當反滲透裝置的產水量下降10%(在同溫度和壓力下)、產水脫鹽率下降10%、壓降增加15%，這三種現象如有一種出現，立即進行化學清洗，這樣既避免膜污染積累，又可減輕膜清洗的難度。另一方面，根據污染情況及時調整清洗方案，以避免造成膜清洗困難或膜的損傷情況的出現。在借鑒已有企業成功經驗的基礎上，摸索出適合我廠膜裝置污染的清洗方案:先用1%EDTA－4Na，0.1%NaOH，0.025%十二烷基磺酸鈉清洗液堿洗;再用0.2%鹽酸酸洗;配合NaHSO3和非氧化性殺菌劑進行殺菌處理，在清洗的過程中適當采用脈沖水流。

4.2 向多介質過濾器中添加石英砂，更換活性碳過濾器中的活性碳

多介質過濾器和活性碳過濾器皆有使用壽命，通過4年的運行觀察，活性碳過濾器失去了去除COD的能力，如表5所示。

表5 2010年5月活性碳過濾器進出口水COD抽樣數據統計

實行向多介質過濾器中添加石英砂和定期更換活性碳過濾器中的活性碳，解決了進水的過濾質量問題，出口COD明顯下降，如表6所示。

表6 2010年10月活性碳過濾器進出口水COD抽樣數據統計

4.3 更換保安過濾器濾芯

保安過濾器具有除去細小雜質顆粒的功能。保安過濾器投產時使用的是線繞式濾芯，在膜壓升高、查找原因時發現:濾芯上的線絲會隨水一起流入反滲透膜，阻塞膜通道，增加反滲透膜進出口壓差，增加高壓泵的電耗。經過調研和分析比較，換成了熔噴式濾芯。熔噴式濾芯具有價格低廉、截留效果好等優點，但是接口安裝困難，很容易裝歪，使部分水不經過濾芯而直接進入膜，從而增加膜壓，造成電耗高，影響水質。后來換成一種進口濾芯，運行證明它具有截留效果好、容易安裝等特點，可以重復使用至少兩次，但是價格比較高。同時通過利用廢棄遮流板做蓋板遮蔽陽光，破壞藻類繁殖，解決了藻類繁殖問題。

4.4 增加一臺換熱器，在水進膜之前換熱到較佳溫度范圍

反滲透膜產水能力與膜的溫度有較大關系，在生產過程中為了盡可能減少其他因素的影響，滿足除鹽水正常供給，需要保證膜進水溫度在15℃以上，但為了盡可能地降低加熱而增加的成本，水溫不宜加熱太高，保證膜進水溫度在大于15℃左右即可滿足生產需要。

反滲透裝置進水的最佳溫度是25℃左右。原裝置到了冬季，進水溫度有時只有(5～7)℃，反滲透的產水量只有32 m3/h左右，因濃水側要保證一定的透水量，故濃水排放量在18 m3/h左右，產水率只有64%左右，因此水耗較高，電耗也高。通過對反滲透膜裝置進水口增加換熱設施，保證反滲透裝置進水溫度穩定在25℃左右，使產水量達到56m3/h左右，當濃水量同樣在19m3/h時，產水率在74.67%，大大減少了水耗和電單耗，保證了產水量。

5 結論

在反滲透脫鹽水裝置的使用過程中，針對存在的問題，采取相應的改進措施，減輕了反滲透膜的污染程度，降低了膜的清洗頻次和制水比耗，保證了反滲透系統滿足正常生產的需要，降低了生產成本，經濟效益顯著提高。

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