超濾反滲透組合工藝在地下水處理中的工程應用

吳越強， 姬克寧

(大慶油田水務公司，黑龍江大慶163450)

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超濾反滲透組合工藝在地下水處理中的工程應用

吳越強， 姬克寧

(大慶油田水務公司，黑龍江大慶163450)

本文分析了預處理-超濾-反滲透工藝處理大慶油田某地區地下水設備的運行情況，并對超濾與反滲透產水勾兌進行了研究，確定了最佳勾兌比例。目前該深度處理站已投入運行，超濾及反滲透產水的指標均完全達到設計要求，且系統運行穩定。經過該工藝處理后，超濾出水濁度≤0.1 NTU,SDI≤2，反滲透出水平均電導率小于15 ms/cm，除鹽率均接近98.7%，反滲透回收率達到75%，超濾產水與反滲透產水2 ∶3勾兌后，水質各項指標均符合《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)，并且主要水質指標遠高于標準值。

超濾； 反滲透； 給水

1 概述

隨著我國經濟的崛起，工業排水污染嚴重、用水量逐年增加、水資源短缺成為發展中亟待解決的問題，隨著新的生活飲用水標準的出臺，傳統工藝處理的自來水水質已經不能滿足要求。膜技術被稱為“二十一世紀的水處理技術”，在污水處理、飲用水處理中具有廣泛的應用前景，尤其是在作為小型水廠處理工藝方面更具有明顯的優勢。目前，膜法在飲用水處理中的應用主要是超濾膜和反滲透膜，由于反滲透系統對進水水質要求較嚴格，實踐證明，只有在采用膜過濾技術的前提下才有可能長期穩定的保持SDI≤2的狀況下，因此通常將超濾過濾技術作為反滲透的預處理。

1.1 項目概述

油田某地區供水管網末端，由于管道二次污染，居民用水濁度高，有異味。為提高居民用水水質，建設深度水處理站。處理站的設計產水量為5 000 m3/d，采用反滲透產水與超濾產水勾兌后再外輸至管網。其中超濾凈產水6 000 m3/d，其中2 000 m3/d直接進入最終產品水箱，另外4 000 m3/d超濾產水作為反滲透的進水，反滲透產水3 000 m3/d，反滲透裝置系統回收率75%。

1.2 設計進出水水質

本工程以年均出水水質檢驗數據中最差水質為限值確定水廠設計進水水質，見表1。設計要求水廠出水水質穩定并優于《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)。

表1 地下水水質情況

2 工藝流程

根據進水水質特點，安裝100 μm自清洗過濾器做為超濾預處理。雖然進水鐵錳含量均不超標，但為防止二價鐵錳氧化形成氧化物污染超濾膜，故本工程采用“錳砂過濾器-自清洗過濾器-超濾-反滲透”雙膜工藝：原水→錳砂濾罐→原水箱→超濾水泵→自清洗過濾器→超濾裝置→超濾產水箱→反滲透供水泵→精密過濾器→反滲透高壓泵→反滲透裝置(一級二段)→清水罐→供水管網。工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Flow chart of process

3 工程設計

錳砂過濾罐+自清洗過濾器作為超濾膜的預處理工藝，超濾膜則作為反滲透膜的預處理工藝，去除水中絕大部分懸浮物和膠體雜質，出水濁度≤0.1 NTU,SDI≤2，保證反滲透進水水質穩定。反滲透膜脫鹽可以達到更高的飲用水標準，出水電導率15 ms/cm。最終產水按照超濾水與反滲水2 ∶3勾兌，這樣既保證水中礦化度要求，又極大地提高了產水水質。同時該工藝具有占地小、產水水質穩定、全自動PLC+上位機控制運行、操作簡單等特點。

3.1 錳砂過濾罐

錳砂濾料中石英砂粒徑宜為0.5～1.2 mm；錳砂粒徑宜為0.6～2.0 mm ；厚度宜為 800～1 200 mm；濾速宜為5～7 m/h。

過濾罐運行一段時間后，濾料頂部會形成一層厚厚的污染物濾餅，影響濾速和產水量，需要定期根據出水壓力的變化進行反沖洗，以保證其正常運行。可以通過壓差進行手動/自動運行和反洗。

3.2 自清洗過濾器

采用濾芯100 μm的自清洗過濾器，共2套，1用1備，單套處理流量為410 m3/h，公稱壓力1.6 MPa。做為超濾裝置的前置預處理工藝設備，過濾器主要去除水中較大的顆粒物質，防止堵塞超濾膜組件。過濾器主要由過濾裝置、清洗系統、壓力表、壓差開關、控制柜等組成。進入過濾器的水流由下而上通過濾芯向外流動，濾后水由過濾器上部排出，固體雜質被截留在濾芯內側。自清洗過濾器采用PLC控制，采用手動/自動兩種模式，自動模式又可采用壓差/時間控制，壓差/時間根據進水水質設定。當收到沖洗信號時，濾芯自動進行沖洗，而無需斷流。

3.3 超濾系統

超濾膜裝置共3套，單套裝置出水90 m3/h。膜系統設計總進水量為6 360 m3/d，凈產水量6 000 m3/d，產水率94.4%。由于原水為地下水，最低水溫7℃，考慮溫度對超濾膜產水量影響，膜通量最終確定51.5 L/(m2·h)。

超濾膜采用美國科氏TAGAR-10072特種改性聚砜膜(PS)材質的中空纖維膜元件，單根膜絲外徑0.9 mm,內徑1.2 mm，單支膜面積89.1 m2(871 ft2)。膜材料親水耐酸堿，抗微生物污染能力強，超濾膜運行方式采用內壓全流過濾，中空纖維膜過濾孔徑為0.02 μm。這種微小的孔徑幾乎可以去除水中所有懸浮物或膠狀顆粒物，包括賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲，同時還可去除相當一部分自由懸浮或附著在顆粒物上的病毒[1]。超濾膜工作一定時間后采用物理反沖洗結合化學清洗去除膜絲內部截留污染物。設計每支膜組件物理反沖洗周期30～60 min,每次反沖洗持續時間約55 s。化學清洗分為維護性清洗及恢復性清洗。維護性清洗設計每日1次，每次5 min；恢復性清洗時間周期為1～2個月，可根據跨膜壓差進行調整。

3.4 反滲透系統

(1)精密保安過濾器

保安過濾器作為反滲透膜系統的保護裝置，為了保證反滲透膜元件不被懸浮物質損壞，在反滲透之前需要設置精密保安過濾器，濾芯采用過濾精度為5 μm的過濾器，材質為PP棉，單套處理流量為90 m3/h。運行壓差大于0.1 MPa更換濾芯(一般為3～6個月)。

(2)反滲透膜組件

反滲透膜采用美國DOW公司LE-440i低壓低能耗元件，材質為聚酰胺復合材料，膜面積為45 m2(440 ft2)/根。采用6芯裝維賽博300psi反滲透膜殼。本系統反滲透共2套，單套產水水量為65 m3/h，每套裝置安裝15支膜殼，單支膜殼內填裝6支模組件。系統按照一級兩段2 ∶1排列，設計平均通量17.76 L/(m2·h)，設計回收率75%。

(3)阻垢劑加藥系統

為了防止反滲透膜元件的濃水側出現固體結晶析出，損壞膜元件的性能，在水進入反滲透系統前需要加入阻垢劑，分散水中的難溶性無機鹽，阻止或干擾難溶性無機鹽在其表面的沉淀。阻垢劑采用JESDE YF-760反滲透膜專用井水阻垢劑。通過藥劑專用軟件計算，當LSI值為2.9左右時，阻垢劑投加量為3.3 mg/L。實際運行按照計算添加量投加。

4 工藝運行結果分析

4.1 超濾系統

超濾系統現已穩定運行3個月，超濾系統凈產水量6 000 m3/d,系統運行壓力0.12～0.13 MPa,跨膜壓差調試完畢后基本穩定在0.05 MPa，根據調試期間設備運行數據，確定系統物理反洗周期為45 min,CEB反洗周期為7 d。出水水質見表2。

(1)超濾膜對CODMn去除率僅為15%左右，由于超濾膜膜絲平均過濾孔徑0.02 μm，截留分子量在100 000 Dal，可截留絕大部分懸浮物及膠質，但對溶于水的小分子(小于100 000 Dal)有機物無法截留。因此超濾膜對CODMn去除率很低。對于原水CODMn較高的水質，可通過活性炭過濾器、保安過濾器以及投加PAM藥劑加強預處理對原水懸浮物及膠質的去除，降低超濾膜的負荷，延長超濾膜反洗時間提高超濾膜產水率。

(2)超濾進水濁度在0.34，出水濁度保持在0.08，超濾膜對濁度的去除率為90%。對于原水為地表水，進水濁度在3～5 NTU，超濾對濁度的去除率會更高，可達到98%～99%。

(3)超濾系統進水SDI在2.8，產水SDI在1.9，做為反滲透的預處理，超濾出水可保證反滲透系統穩定運行。

表2 超濾出水水質

溫度與流量關系見表3，可看出：溫度對超濾膜影響較大，超濾膜運行在反洗周期45 min,CEB周期在72 h，TMP穩定在0.05 MPa；在8.7 ℃時，超濾膜進水壓力為0.11 MPa,流量為88 m3/h，溫度在11.3時，超濾膜進水壓力為0.11 MPa，流量為93 m3/h。平均溫度升高1℃，流量約增加2%。這是因為超濾膜材質對水溫敏感，溫度升高，在水的粘性降低，超濾膜孔徑的隨溫度的增大，導致在恒壓情況下，超濾膜通量增加，產水量也隨之升高。因此在超濾膜應用中應注意溫度對超濾膜產水量的影響，本項目原水為地下水，水溫溫差較小(7～12 ℃)，在原水采用地表水的北方地區，水溫溫差會達到近20 ℃，對超濾膜的產水量會產生很大影響，應采用最低溫度下超濾膜的運行通量，這樣方可保證運行至最低溫度時產水量能達到設計值。

表3 溫度與流量關系

4.2 反滲透系統

表4為反滲透系統產水量及出水水質，表5為除鹽率與溫度關系，可看出：

進水溫度對反滲透的影響較為顯著，由于本項目原水為地下水，進水含鹽量穩定，溫差變化小，但溫度的變化也相應帶來膜通量、產水量、除鹽率的些微變化。隨著溫度的升高，反滲透系統產水量增加，運行壓力降低，除鹽率降低。這是因為溫度上升時水分子的粘度下降，擴散能力增加，同時鹽透過膜的擴散速率也加快，導致脫鹽率降低。此外，進水含鹽量、回收率也會對通量產生影響。因此當反滲透進水水溫溫差較大，應考慮溫度對系統產水量及除鹽率的影響。

表4 產水量及出水水質

表5 溫度與除鹽率關系

各勾兌比例下的出水水質見表6。對比各勾兌水質檢測數據，所有勾兌水樣細菌4項及其它指標均合格，并且勾兌水濁度、氟化物、砷、總溶解性固體和總硬度等主要水質指標遠優于《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)。

綜合分析各勾兌水質指標得出，隨著超濾產水勾兌比例的降低，濁度、砷、氟化物、硬度等指標均呈下降趨勢；其中2 ∶3勾兌比例水質中濁度0.06 NTU，砷含量0.004 mg/L，氟化物含量0.38 mg/L，總溶解性固體363 mg/L，總硬度100.1 mg/L。綜合指標優于其它水質，因此選定超濾與反滲透比例為2 ∶3，既能達到各項水質標準，又能保留水中礦化度，使居民飲用安全優質水得到保障。

表6 勾兌比例及出水水質

5 結論

①采用預處理-超濾-反滲透工藝處理大慶油田采油五廠地區地下水，超濾出水濁度≤0.1NTU,反滲透出水平均電導率小于15ms/cm，反滲透回收率達到75%，除鹽率均接近98.7%。

②超濾膜和反滲透膜對水溫變化敏感，通量與水溫基本呈正比線性關系，工程設計時要考慮低溫對設計通量的影響，保證低溫產水量能達到設計值。

③通過超濾產水與反滲透產水勾兌比例的研究，超濾與反滲透產水勾兌供水方案可行，勾兌后各項水質指標均符合《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)。主要水質指標遠高于國標標準值，這為采用勾兌水供水，通過較低的設備投資及低成本運行，使居民飲水水質進一步提高提供了借鑒經驗。

[1] 王磊，福士憲一. 運行條件對超濾膜污染的影響[J]. 中國給水排水，2001，17(10)：1-3.

[2] 張靜.北小河污水廠反滲透膜系統的調試運行和保存[J]. 中國給水排水，2010，26(2)：96.

Application of ultrafiltration reverse osmosis combination process in groundwater treatment

Wu Yueqiang, Ji Kening

(DaqingOilFieldWaterCo.,Daqing163450,China)

The operation of groundwater equipment of Daqing Oil Field by pretreatment, ultrafiltration (UF) and reverse osmosis (RO) technology was analyzed, the production blending of UF and RO water was studied and the optimal blending ratio was determined. At present the advanced treatment station has been put into operation, the indexes of finished water of UF and RO could meet the design requirements completely and the system was stable. The outflow of UF was less than 0.1 NTU, SDI≤2，the average conductivity was less than 15 ms/cm, the desalination rate was close to 98.7%, the recovery rate of RO could reach 75% after the process. After blending 2 ∶3 of UF finished water and RO finished water, the water quality could meet the requirement ofStandardsforDrinkingWaterQuality(GB 5749-2006), and the main water quality indicators are much better than the standard values.

UF; RO; water supply

TU991.263

B

1673-9353(2016)05-0034-05

10.3969/j.issn.1673-9353.2016.05.008

吳越強(1971- )， 男， 本科， 高級工程師。主要研究方向為含油污水處理和生活給水深度處理。E-mail：wuyueqiang@cnpc.com.cn

2016-09-14