一體化凈水裝置在水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

王 磊，李建波

(威海恒邦化工有限公司 山東威海 264501)

脫鹽水是指利用水處理工藝除去懸浮物、膠體以及無(wú)機(jī)陽(yáng)離子、陰離子等水中雜質(zhì)后所得到的成品水。嚴(yán)格意義上的脫鹽水意味著水中鹽類(lèi)被全部去除干凈，但由于技術(shù)方面的原因及制水成本上的考慮，根據(jù)不同用途，允許脫鹽水中含有微量雜質(zhì)。

不同的水處理工藝對(duì)裝置的進(jìn)水水質(zhì)有不同的要求，而進(jìn)水水質(zhì)直接影響脫鹽水的質(zhì)量。由于受環(huán)境變化、水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化、泥沙淤積等因素的影響，原有預(yù)處理裝置的處理能力已無(wú)法滿足后續(xù)超濾、反滲透等裝置的進(jìn)水要求，故考慮對(duì)進(jìn)水進(jìn)行深度預(yù)處理。

一體化凈水裝置將沉降反應(yīng)、斜管重力沉降、無(wú)閥過(guò)濾3個(gè)部分進(jìn)行了有效結(jié)合，提升了沉降和過(guò)濾效率，其出水水質(zhì)最優(yōu)可達(dá)到《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ/T 206—2005)和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的要求。一體化凈水裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、運(yùn)行成本低，有效解決了水質(zhì)變差帶來(lái)的問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)脫鹽水裝置進(jìn)水的深度預(yù)處理[1]。

1 水處理系統(tǒng)簡(jiǎn)介

(1) 脫鹽水處理工藝流程

該水處理系統(tǒng)以多介質(zhì)過(guò)濾器與超濾裝置為預(yù)處理系統(tǒng)，反滲透裝置進(jìn)行初級(jí)除鹽處理，混合離子交換器(混床裝置)進(jìn)行最終的除鹽處理，其工藝流程如圖1所示。

圖1 初始脫鹽水處理工藝流程

(2) 多介質(zhì)過(guò)濾器

多介質(zhì)過(guò)濾器主要是利用石英砂(粒徑0.45～0.60 mm)、無(wú)煙煤(粒徑0.80～1.20 mm)濾除加藥后形成的礬花和原水帶入的顆粒物，并保證原水經(jīng)預(yù)處理后的淤泥密度指數(shù)SDI≤4.0，以滿足后續(xù)超濾和反滲透裝置對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的要求。

(3) 超濾裝置

超濾裝置是利用膜分離原理，使用絲徑為0.80 mm(內(nèi)徑)/1.30 mm(外徑)、厚度1 μm、孔隙孔徑0.001～0.100 μm的生物超濾膜，在外界推動(dòng)力(壓力)的作用下截留水中的膠體顆粒，使水和小的溶質(zhì)離子透過(guò)膜，達(dá)到對(duì)反滲透裝置進(jìn)水進(jìn)一步凈化處理的目的。

(4) 反滲透裝置

反滲透裝置以壓力差為推動(dòng)力，對(duì)膜一側(cè)施加壓力，當(dāng)壓力超過(guò)溶劑的滲透壓時(shí)，溶劑便會(huì)逆著自然滲透的方向作反向滲透，從而在膜的低壓側(cè)得到透過(guò)的溶劑(滲透液)，高壓側(cè)得到濃縮的溶液(濃縮液)。為防止反滲透裝置濃水側(cè)出現(xiàn)結(jié)垢等問(wèn)題，前置了加藥系統(tǒng)及5U前置過(guò)濾器。

(5) 混床裝置

經(jīng)反滲透裝置處理的工藝水通過(guò)裝有氫型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂(001x7)和氫氧型陰離子交換樹(shù)脂(201x7)的混床裝置除去水中的陰、陽(yáng)離子，以達(dá)到電導(dǎo)率≤0.2 μS/cm、w(SiO2)≤20 μg/L的脫鹽水指標(biāo)要求。

2 水處理系統(tǒng)存在的問(wèn)題及原因分析

2.1 存在的問(wèn)題

該水處理系統(tǒng)(70 m3/h)于2010年投入使用，初期運(yùn)行情況良好，產(chǎn)水率在75%以上。隨著裝置運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)水率逐漸降低，至2018年夏季下降至50%以下。

(1) 淤泥密度指數(shù)SDI

SDI是水質(zhì)指標(biāo)的重要參數(shù)之一,代表了水中顆粒、膠體和其他能堵塞各種水凈化設(shè)備的物質(zhì)的含量。系統(tǒng)初始原水經(jīng)過(guò)多介質(zhì)過(guò)濾器處理后，產(chǎn)水SDI值已高至無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)。

(2) 系統(tǒng)產(chǎn)水率

超濾及反滲透裝置進(jìn)水端壓力高于正常運(yùn)行指標(biāo)且裝置產(chǎn)水率低，超濾裝置的膜件進(jìn)出口管道在投用殺菌劑、阻垢劑的情況下依然存在大量青苔。

(3) 系統(tǒng)穩(wěn)定性

由于該水處理系統(tǒng)各裝置的進(jìn)水壓力高，導(dǎo)致超濾和反滲透裝置的膜件中間部位經(jīng)常發(fā)生爆裂，膜件使用壽命縮短，運(yùn)行費(fèi)用明顯上升。

2.2 原因分析

針對(duì)水處理系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)水質(zhì)、裝置運(yùn)行原理等分析，初步確定原因如下。

(1) 水處理系統(tǒng)采用的原水屬于河道和淺層地表水，隨著周?chē)h(huán)境、河道淤積等情況的逐漸變化，其有機(jī)物、微生物、微細(xì)泥沙等含量上升，致使SDI值居高不下。

(2) 在水質(zhì)轉(zhuǎn)差的情況下，多介質(zhì)過(guò)濾器無(wú)法截留微生物及細(xì)微物質(zhì)，導(dǎo)致其進(jìn)入超濾裝置，造成微生物孳生并堵塞微孔等，使超濾裝置運(yùn)行周期縮短、產(chǎn)水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，間接造成后續(xù)反滲透裝置等產(chǎn)水率降低。

要想解決水處理系統(tǒng)存在的問(wèn)題，應(yīng)從改善原始水質(zhì)入手，即設(shè)置前置的深度原水預(yù)處理裝置，以提高多介質(zhì)過(guò)濾器的預(yù)處理效果。

3 一體化凈水裝置的應(yīng)用

一體化凈水裝置集絮凝、沉降、排污、自動(dòng)反沖洗等功能于一體，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(圖2)、安裝方便等特點(diǎn)，可對(duì)河道和淺層地表水進(jìn)行強(qiáng)化預(yù)處理，確保原水中的懸浮物及其他影響后續(xù)水處理設(shè)施正常運(yùn)行的物質(zhì)被去除，出水指標(biāo)達(dá)到原水處理系統(tǒng)的入水要求。一體化凈水裝置有效利用了水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)高差，使原水經(jīng)過(guò)自流進(jìn)入該裝置，凈化處理的產(chǎn)水同樣自流返回水箱，過(guò)程中無(wú)需增設(shè)任何動(dòng)力設(shè)備和操作人員。引入一體化凈水裝置后的脫鹽水處理工藝流程如圖3所示。

圖2 一體化凈水裝置結(jié)構(gòu)示意

圖3 引入一體化凈水裝置后的脫鹽水處理工藝流程

(1) 管道混合器

聚合氯化鋁、聚丙烯酰胺等高效絮凝劑與原水在管道混合器內(nèi)充分混合，在多級(jí)強(qiáng)烈微旋渦條件下進(jìn)入混凝反應(yīng)室，發(fā)生高速分解混合反應(yīng)，以此加強(qiáng)后續(xù)的沉降和過(guò)濾效果。

(2) 斜管沉降分離

利用斜管沉降器停留時(shí)間長(zhǎng)、沉降面積大、沉降時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)充分混凝的水與絮凝劑在斜管沉淀反應(yīng)室內(nèi)使大粒徑物質(zhì)得到初步分離。

(3) 重力過(guò)濾器

重力過(guò)濾器由中間水箱、U形管、過(guò)濾室、清水箱、虹吸管等組成。經(jīng)斜管沉淀反應(yīng)室澄清的水依次通過(guò)中間水箱、U形管進(jìn)入過(guò)濾室，水自上而下通過(guò)濾料層，依靠濾料的接觸凝聚和機(jī)械篩除作用，清除水中細(xì)小顆粒，得到的清水進(jìn)入清水箱，作為下游裝置的入水。當(dāng)運(yùn)行一段時(shí)間后濾料層阻力上升至一定數(shù)值，由于虹吸管的存在，清水箱內(nèi)的清水將對(duì)重力過(guò)濾器進(jìn)行反洗，直至虹吸被破壞，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

(4) 虹吸反洗原理：①過(guò)濾室中濾料阻力不斷上升，通過(guò)U形管的配水透過(guò)濾料所需要的壓力逐漸增大，若此壓力超過(guò)中間水箱的靜壓，進(jìn)水將不再透過(guò)濾料，水位會(huì)上升至虹吸管的上升管；②當(dāng)上升管的水位升至輔助管的管口時(shí)，水進(jìn)入虹吸輔助管口落下，水流帶走空氣，真空度增大，下降管中的液面不斷上升，直至上升管與下降管中的水面接觸，產(chǎn)生連續(xù)虹吸作用；③在虹吸作用下，過(guò)濾室中的濾料上部壓力驟降，下部清水區(qū)中的清水逆向穿過(guò)濾板進(jìn)入濾料層對(duì)濾料進(jìn)行反沖洗，清水箱中清水液位下降；④當(dāng)清水箱中的水位下降至虹吸破壞管管口時(shí)，氣體進(jìn)入虹吸破壞管，虹吸真空被破壞，反洗結(jié)束，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

4 運(yùn)行效果

4.1 多介質(zhì)過(guò)濾器產(chǎn)水的SDI變化情況

一體化凈水裝置投入運(yùn)行后，多介質(zhì)過(guò)濾器產(chǎn)水的SDI值和SDI變化趨勢(shì)如表1和圖4所示。

表1 多介質(zhì)過(guò)濾器產(chǎn)水的SDI值

編號(hào)SDI(max)SDI(min)15.965.4225.685.3535.425.2945.415.2455.474.9865.324.8275.424.8285.384.7395.534.85105.244.53115.124.50124.934.09134.244.01

從表1數(shù)據(jù)并結(jié)合圖4變化趨勢(shì)可知，多介質(zhì)過(guò)濾器產(chǎn)水的SDI值由一體化凈水裝置投運(yùn)前的過(guò)高無(wú)法檢測(cè)變?yōu)榭蓽y(cè)，且SDI值隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明該裝置對(duì)懸浮物、淤泥等截留效果較好。

圖4 多介質(zhì)過(guò)濾器產(chǎn)水的SDI值變化趨勢(shì)

4.2 超濾和反滲透裝置入水壓力變化情況

一體化凈水裝置投入運(yùn)行后，超濾和反滲透裝置入水壓力變化情況如表2和圖5所示。

從表2數(shù)據(jù)并結(jié)合圖5變化趨勢(shì)可知：在一體化凈水裝置投用前，隨著懸浮物、淤泥等物質(zhì)的截留效果變差，超濾和反滲透膜件出現(xiàn)堵塞，導(dǎo)致超濾和反滲透裝置的進(jìn)水壓力呈上升趨勢(shì)；而一體化凈水裝置投用后，截留效果增強(qiáng)，加之加強(qiáng)對(duì)超濾和反滲透膜件的反洗，使得堵塞情況改善，超濾裝置的進(jìn)水壓力基本趨于穩(wěn)定，而反滲透裝置的進(jìn)水壓力呈下降趨勢(shì)，有效延長(zhǎng)了膜件的運(yùn)行周期。

表2 超濾和反滲透裝置入水壓力變化情況

序號(hào)入水壓力/MPa超濾裝置反滲透裝置10.200.0720.210.0730.210.0940.230.1050.260.1260.260.1770.280.1980.260.1890.260.16100.250.14

圖5 超濾和反滲透裝置入水壓力變化趨勢(shì)

4.3 注意事項(xiàng)

一體化凈水裝置主要是利用斜管沉降及重力沉降的方式強(qiáng)化水處理效果，其產(chǎn)水量的主要影響因素在于系統(tǒng)是否通暢以及過(guò)濾介質(zhì)的反洗潔凈度。該裝置利用虹吸原理實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)反清洗，若虹吸裝置維護(hù)不到位會(huì)發(fā)生頻繁反洗[2]，造成產(chǎn)水量降低，甚至無(wú)水產(chǎn)出。