浸沒式超濾膜在電廠廢水回用中的應用

馮暨偉

(華電水務膜分離科技(天津)有限公司，天津 300143)

0 引言

內蒙古華電烏達熱電有限公司(以下簡稱烏達熱電)位于內蒙古自治區烏海市內，全廠水源原設計為近河道的自備井地下水。由于近年來內蒙古自治區不斷提升環保指標要求，烏達熱電需停止使用地下水作為全廠水源，生產用水水源改為當地市政污水廠達標排放水，黃河水作為備用水源，生活用水水源改為市政自來水。由于市政污水處理廠提供水源為低污染類水源，有機物含量較高，為了節約用水，考慮新建規模為97 m3/h的冷卻塔排污水回收系統。同時，考慮到系統運行安全和遠期擴建需要，設計建設3套每套出力為49 m3/h的循環冷卻水回收系統，正常運行2套，循環備用1套。市政污水處理廠提供水源通過該回收系統處理后，作為電廠生水補充水源回用到電廠生產用水中。

表1 水質一覽

注：①全硬度以CaCO3計；②全堿度以CaCO3計；③ GB/T 50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》循環冷卻水系統補充水水質指標要求；④換熱器為銅合金換熱器時。

1 水質分析

烏達熱電水源由近河道地下水改為市政污水廠達標排放水，水源類型由水質優異的地下水調整為受污染的回用水，使整個電廠水處理系統都面臨較大的運行風險，因此，需要根據水源特性，選擇有針對性的工藝應對方案。項目配套的市政污水處理廠水源水質和循環水排污水回用取水點采樣水質見表1。由表1可見，循環排污水水質由于其濃縮倍率提升，表現為堿度、硬度、氯離子等增加，同時水中有機污染物指標化學需氧量(COD)也相應增高[1-2]。在分析水源水質時，應重點考慮控制有機污染物，減少對反滲透膜造成的污染。綜合目前成熟的應用工藝技術，選擇機械加速澄清池和超濾的組合工藝作為反滲透預處理工藝，通過投加藥劑使污染物通過團聚和分子鍵橋聯、靜電吸附等作用[3-4]，形成穩定的礬花沉淀下來，依靠超濾技術將水中不易沉降的懸浮物進一步除去。

2 工藝流程

根據循環水排污水水質特點，重點控制其懸浮物和有機污染物，通過比較確定工藝流程為“機械加速澄清池+浸沒式超濾+反滲透系統”，具體如圖1所示。其中，超濾組件選用HFS-30型浸沒式中空纖維超濾膜元件。

圖1 循環冷卻排污水回用流程

物質、大直徑懸浮物膠體等。機械加速澄清池具有處理效果較穩定、適應性較強的特點，常作為電廠原水預處理工藝，但其運行操作有較高技術要求，加藥量、藥劑類型、水溫、藻類、攪拌器轉速等都會影響出水效果，甚至會出現礬花無法沉降的“翻池”現象，造成出水水質超標。

浸沒式超濾膜是將膜組件放置在膜池中，通過負壓抽吸或虹吸自流方式過濾水，通常用于原水水質波動較大的中水回用或已有濾池改造項目上。由于開放式的膜池結構，使其具有進水水質要求較寬松、耐沖擊負荷能力強、對預處理的要求較低等特點[5]；同時，具有出水水質穩定、占地面積小、運行成本低等優勢，可用于反滲透前處理，去除膠體、濁度、細菌、病毒等，達到反滲透系統進水水質要求。浸沒式超濾對預處理的要求較低、耐沖擊負荷能力強，因此，應用于污染較嚴重的水質處理和規模較大的工程時，更具優勢。

反滲透技術主要用于除鹽，需要對反滲透膜的進水污染指數(SDI)、進水濁度進行控制，通常要求SDI不高于4，濁度不高于0.2 NTU。反滲透前的預處理效果越好，出水水質越穩定，反滲透膜運行越穩定。

3 系統設計

3.1 浸沒式產品特點

HFS-30型浸沒式膜產品是一種具有內部支撐結構的加強型浸沒式中空纖維膜產品，可應用在浸沒式超濾和膜生物反應器(MBR)工藝中。

浸沒式超濾系統流程如圖2所示，其工作方式為HFS-30膜箱直接浸沒在曝氣池中，或將膜箱裝于單獨的膜池中。多個膜箱并排排布在一起形成一個膜列，直接與出水母管連接，出水母管再透過產水泵將過濾水抽出，在運行過程中通過鼓風機曝氣，使得氣泡上升沖刷超濾膜表面，減少膜表面污染物附著。該項目所采用的浸沒式超濾膜產品技術規格見表2。

3.2 烏達熱電水源切換超濾設計參數

浸沒式超濾用于循環水排污水回收利用，設置為3個系列單元，每個系列單元都能單獨運行，也可以同時運行，系統凈出力3×75 m3/h，2用1備。表3為超濾系統的設計參數，膜凈通量為35 L/h，回收率不低于90%。浸沒式超濾系統共采用222支HFS-30浸沒式超濾膜片，膜池為防腐處理鋼結構，共3個膜池，每個膜池設置1個膜框架單元，每個單元安裝74片浸沒式超濾膜片。

圖2 浸沒式超濾流程

項目典型值膜材料聚偏氟乙烯(PVDF)膜元件結構方式帶襯簾式膜膜平均孔徑/μm<0.04膜元件表面積/m230最大透膜壓差/kPa80一般操作透膜壓差/kPa7～50最大反洗透膜壓差/kPa69最大操作溫度/℃40.0產水懸浮物/(mg·L-1)<1產水濁度/NTU≤0.2

3.3 浸沒式超濾系統運行參數

浸沒式超濾系統的運行分為產水、反洗、化學加強洗和化學清洗幾個部分。其中，日常制水過程中按照“產水+反洗”運行，固定間隔時間進行化學加強洗，當化學加強洗無法保證運行跨膜壓差在50 kPa以內運行或每3個月到期時，需要進行離線化學清洗。浸沒式超濾膜是將超濾膜置于構筑物內，污水進入構筑物后接觸到超濾膜外表面，超濾膜通過膜抽吸水泵的作用，將清水透過膜孔進入膜管內側從而分離出來，將污水中的顆粒物、污染物截留在水中。系統運行一定時間后，需要程序控制對膜組件進行反沖洗。反沖洗的主要目的是，防止滲濾液中的污染物在膜表面沉積，利用清水反向沖洗，使膜外表面的污染物質剝落下來。一般每次反洗時長為0.5～1.0 min，超濾膜每過濾15.0～30.0 min進行一次反洗。反洗時曝氣風機同時啟動，對膜絲表面進行空氣擦洗，清除表面附著的污染物。為保持膜的長期運行，需要定期對膜進行短期的化學加藥浸泡，減緩膜表面的污染。通常為1～3天1次，每次30.0 min，可以根據污染物的不同選擇不同的清洗劑。為保持膜的性能，膜組件應該定期進行化學清洗，一般推薦3個月進行1次化學清洗。浸沒式超濾膜系統詳細運行參數見表4。

表3 浸沒式超濾系統設計參數

表4 浸沒式超濾膜系統詳細運行參數

4 運行分析

系統自2016年10月正式投運，至今已超過1年，運行效果良好，出水水質穩定，確保了后續工藝系統的安全運行。

4.1 進水溫度變化

在浸沒式超濾裝置運行時，記錄超濾進水溫度，由于循環排污水經過自然冷卻后水溫基本上維持在20.0 ℃左右，水溫隨季節性變化有一定同向趨勢(如圖3所示)，溫度波動范圍為11.5～28.7 ℃。

圖3 進水溫度變化趨勢

水溫對運行工況的影響主要體現在，水溫越低，水的黏度越高，造成運行壓力升高，一般運行時，操作壓力控制不變的情況下，僅水溫的變化就會造成膜通量的對應變化。一般浸沒式超濾標準運行溫度為25.0 ℃，與之偏差會造成溫度對膜通量的影響，因此，對于膜運行工況的分析，需要進行溫度校正后得到標準化運行參數，本項目的校正系數為0.46～1.15。

4.2 通量變化(溫度標準化)

本項目日常運行主要為電廠提供備用水源，基本上為單套開啟，剩余2套輪換備用；冬季供熱時，為2套開啟，1套備用。電廠運行主要通過超濾開啟套數和超濾產水箱進行水量調節，因此，考察運行數據主要研究單套運行通量變化趨勢，并按照溫度校正系數將通量轉換成25.0 ℃標準條件下的標準化通量變化趨勢進行研究。浸沒式超濾膜運行通量及標準化通量變化趨勢如圖4所示。

圖4 浸沒式超濾膜運行通量及標準化通量變化趨勢

由圖4可知：隨時間的變化，系統凈通量維持在35 L/h左右；經過標準化后發現，隨運行時間增加，標準化通量有降低趨勢，但趨勢平緩。因此，可以判斷存在一定量的不可逆膜污染，但其污染量較小，目前的清洗方式有效果。

4.3 跨膜壓差變化

按照“跨膜壓差(TMP)=進水壓力-出水壓力”公式計算出跨膜壓差，由于進水壓力為零，出水壓力為自吸泵負壓，故浸沒式超濾膜的跨膜壓差在不考慮液位差和管道損失的情況下，可近似視為自吸泵的運行壓力。對浸沒式超濾跨膜壓差變化趨勢進行研究，得出其變化趨勢曲線如圖5所示。

圖5 浸沒式超濾膜跨膜壓差變化趨勢

由圖5可知，跨膜壓差隨系統運行時長增加而增大，經過1年的運行數據分析，其跨膜壓差基本穩定在25 kPa左右，系統運行較穩定。

4.4 濁度去除效果

通過對超濾系統進水母管濁度和超濾裝置產水濁度對比分析(如圖6所示)，可直觀了解超濾膜濁度去除效果。由圖6可知，超濾系統原水濁度存在一定幅度波動，超濾裝置出水的濁度一般維持在0.1 NTU以下，能很好地滿足反滲透進水濁度的要求。可以看出，超濾裝置對濁度的去除效果非常明顯，并且在水質有波動的情況下，依然能保證水質穩定。

圖6 浸沒式超濾膜濁度去除效果

4.5 產水SDI變化

浸沒式對超濾膜產水SDI變化趨勢如圖7所示，可以看到，超濾系統出水SDI都在3以下，說明浸沒式超濾應用在循環冷卻排污水回用項目上，可確保產水SDI較為穩定，運行可靠。

目前，在反滲透膜的進水水質要求方面，SDI是個關鍵指標，一般要求小于4即可滿足要求。本項目循環冷卻排污水經過浸沒式超濾膜過濾后，SDI基本上小于3，可滿足進入反滲透膜的進水SDI要求。

5 結束語

電廠循環水綜合利用是目前電廠在減排方面的重點研究領域，本文介紹了HFS-30超濾膜在北方內陸地區電廠實施循環排污水回用節水減排項目上的應用情況。該項目于2016年8月投入運行至今，水質達標，超濾及后續反滲透系統運行效果良好。從超濾運行數據分析，循環冷卻水排污水溫度變化不大，溫度波動對通量的影響較小，由于水質特點，機械加速澄清池的出水有較大的波動性，雖然超濾進水濁度波動較大，但通過浸沒式超濾膜過濾后，能保證出水濁度穩定在0.1 NTU以下，SDI維持在3以下。國產浸沒式超濾膜的可靠性在烏達熱電運行中得到了檢驗，出水水質優良，過濾效果明顯。

參考文獻：

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