反滲透前置過濾的優化改造方案

劉心純，王國蓉

(中國華電集團公司望亭發電廠，江蘇 蘇州 215155)

1 原水水質和前處理裝置簡介

某發電廠補給水水源采用太湖水，有機物含量高，水質受季節周期性影響較大。該廠除鹽水處理系統由原水預處理系統(斜管反應沉淀池+濾池)，接預脫鹽系統(超濾裝置+反滲透裝置)，后接一級除鹽系統和混床二級除鹽系統。該廠補給水設計供水量達900 t/h。

通常，在反滲透前處理工藝中[1]，每套反滲透系統均應配置前置過濾器，起到對滲透膜和高壓泵的保護作用。反滲透前處理工藝可防止可能存在的懸浮顆粒和有機物對反滲透膜表面造成的劃傷和污堵，從而防止反滲透膜損壞，是反滲透設備最后一道前處理環節。由于原水預處理只能去除較大的懸浮顆粒和膠體，大部分有機物、微生物仍依靠反滲透去除。

2 原反滲透前處理系統運行的狀況

該廠一期反滲透的前置過濾系統主要由三組過濾器組成，如圖1所示：超濾產水箱—濾芯式前置過濾器—反滲透高壓泵—反滲透膜組件—預脫鹽水箱。系統管以一一對應的單元制管道連接。該系統于2012年11月投產，額定制水量為450 t/h。

圖1 一期反滲透系統單一系列組成

2.1 前置過濾器濾芯更換頻繁

由于原水水質受季節影響較大，夏季水體中微生物滋生快，反滲透前置過濾器濾芯污堵快。污堵會造成：壓差迅速增大，濾芯使用周期短、消耗量極大；檢修更換耗時耗力，反滲透運行維護成本高。以一期反滲透過濾器A為例(如圖2所示)：從2013年6月至2014年6月，夏季水溫(冬季8～10° C；夏季25～30° C)升高，反滲透進水電導(冬季450 μS/cm；夏季650 μS /cm)也大幅上升，濾芯的濾水量顯著下降，全年呈季節性變化明顯。

圖2 濾芯更換時間與制水量關系圖

由上圖可見，2013年9月至次年5月，單臺過濾器的周期濾水量在40 000～140 000噸；6月至9月的夏季周期濾水量大幅降至10 000噸左右，由此可見，前置過濾器的運行受水質影響很大，濾芯的頻繁更換造成較大的成本消耗和勞動強度。

2.2 前置過濾器壓差制約產水量

根據季節的變換，原水情況不同，一般以3～8天為周期，濾芯前后壓力差就會超過0.07 MPa(控制壓差設計值)。這意味著濾芯已形成污堵，反滲透一段進水壓力低，系統進水量嚴重低于設計值。另外，更換濾芯需將前置過濾器退出運行，無法實現連續生產，影響反滲透產水量。

2.3 前置過濾器污堵增加清洗頻次

在前置過濾器頻繁失效狀況下，往往導致超壓差運行，甚至造成濾芯嚴重損壞，引起短流，這種狀況的常態化將加速形成反滲透系統的一段膜的污堵。一期反滲透系統自投運后，通常每3～5個月進行化學清洗，能基本保證反滲透膜流量、壓差和各項產水性能都在可控范圍內。 但自2014年夏季開始，反滲透膜的狀況開始惡化，一段膜壓差上升非常快，運行中可達到0.65 MPa。至2015年，清洗已不能解決問題，清洗后投運壓差已有0.35 MPa(控制標準為小于0.35 MPa)，因此不得不進行部分一段膜的更換，才使各參數重新恢復正常范圍內。

以上運行狀況嚴重影響反滲透膜的安全穩定運行，成為制約除鹽水產量的瓶頸。同時該電廠供熱改造后，各機組補水量日益增大，化學制水的供應存在不穩定的隱患。

3 反滲透前處理優化方案

針對上述運行中存在的情況，反滲透前置過濾的有效作用和穩定運行，成為解決問題的關鍵。2014年底，因供水量需要增加，該廠另行選址新建二期反滲透系統，吸取原系統運行經驗，對新建前置過濾系統的布置進行了一定的改進：單一系列濾芯過濾器前增設袋式過濾器；系統管道改為母管布置；較反滲透主體設備多預留一系列過濾器形成N+1模式的前置過濾系統。

3.1 過濾原理

該廠原水水質受季節變化影響較大的原因，主要為太湖水夏季高溫導致的藍藻爆發、有機物與微生物異常滋生。有研究表明，綠藻呈單細胞微球狀，直徑約5～10 μm，藍藻(因呈相連螺旋狀又名螺旋藻)長約300～500 μm。傳統反滲透前置濾芯的過濾精度一般為5 μm，能截留絕大多數有機物、微生物等膠體。 但當大顆粒雜質被大量截留后，濾芯將很快失效。為此在運行生產中，提出了分級過濾、設置梯度精度的想法，將較大顆粒的有機物和微生物等通過更為廉價且易于安裝拆除的過濾設備去除，以減輕濾芯過濾器的運行壓力。

3.2 設備布置

二期工程反滲透系統在原有濾芯式前置過濾器前增設一臺大流量多袋式過濾器，其濾袋的材料主要是較為廉價的無紡布(尼龍)材質、聚丙烯等。濾袋的過濾精度可根據原水水質和運行周期在10～100 μm范圍內選擇，以達到反滲透進水前梯度設置的兩級預過濾的效果。

其次，將原來單元制布置的前置過濾器改為母管布制的方式(如圖3所示)，并且根據反滲透設備的數量，增設一套備用前置過濾設備(G1、G2)，避免更換濾芯或濾袋時，反滲透產水量受到影響。

圖3 二期反滲透系統布置圖

3.3 運行控制

該廠前置過濾器的過濾方式為全流量過濾[2]，即按照濾芯前后的壓力差值來判斷過濾器的運行終點。隨著濾芯表面污染物的增多，濾芯的通水性就會下降，使得過濾速度不能達到設計流速，造成過濾器前后壓差過大。

根據原水中有機物、微生物等膠體顆粒的大小，本次新建二期設備中，增設的濾袋過濾器，過濾精度定為10 μm，過濾壓差控制在0.1 MPa以內；濾芯過濾器，精度為5 μm，運行壓差控制為0.07 MPa。

4 改進后的應用效果

4.1 濾芯更換頻率降低、系統運行成本降低

由于增設了一級濾袋式過濾器，形成梯度排布的兩級預過濾效果：使得大部分的污堵前移，截留至精度更低的袋式過濾器，很大程度緩解后續濾芯過濾器的過濾壓力，有效降低濾芯的更換頻率；濾袋的價格遠低于濾芯，節省耗材費用；濾袋較濾芯過濾器安裝簡單快速，更換方便，工作強度低。

該廠二期反滲透系統于2015年底投入運行。以2016年第三季度為例，一期反滲透過濾器A的濾芯及二期前置過濾器D1、D2的濾袋和濾芯的更換頻率及費用數據比較見表1。反滲透過濾器A三季度共更換濾芯約為30次，所需材料費用為105 000元。前置過濾器D1、D2三季度更換濾袋及濾芯費用為81 000元。單套設備季度節省費用約24 000元。全年6套前置過濾器僅耗材費就可降低近58萬元。

根據統計，與原有前置過濾器相比，濾芯更換周期延長至原來的3倍，綜合考慮濾芯和濾袋價格，原材料成本可節約23%左右。此外，延長更換周期同時也可一定程度地減少所需人力，降低系統運行成本。

表1 一期、二期前置過濾器更換周期及費用比較

4.2 反滲透系統運行穩定連續

N+1模式的前置過濾系統(如反滲透主體為N組，則設置前置過濾器N+1組)避免了改進前過濾器因濾速降低或差壓過高而更換濾芯時，反滲透主體設備需同時退出運行的缺點，保證了主體設備的連續運行，解決了反滲透產水量受制于前置過濾器這一瓶頸問題[3]，可有效靈活地調節反滲透的產水量，達到供需平衡。

4.3 反滲透一段膜的污染程度改善

二期系統在原濾芯過濾器前增加一套濾袋過濾器。實踐表明2015年底運行至今，反滲透進出口壓差可以有效控制在0.35 MPa內，化學清洗次數明顯減少，能長期安全地運行；且清洗后反滲透膜產水量釋放也較為明顯，反滲透產水電導下降。由此可見，前置過濾效果的優化對反滲透一段膜的運行有改善。

5 結論

(1)過濾精度梯度設置的反滲透前置過濾系統能大幅降低濾芯的損耗以及人力的消耗，并且預過濾作用突出。

(2)母管布置的前置過濾系統能使反滲透連續穩定地運行，避免因更換濾芯而降低產水量，保證除鹽水供給。

(3)實踐表明，優化的前置過濾系統，其過濾功能優于傳統前置過濾器，反滲透一段膜污堵的狀況有所改善。

(4)因試驗時間較短，運行效果需在生產實踐中繼續檢驗。