反渗透膜在锅炉补给水和冷却水处理中的应用
分割线1. 核电站海水淡化系统
在美国第一次将海水反渗透应用于锅炉给水的例子是太平洋气体和电力 ( PG&E ) 公司的 Diablo Canyong 核电站。该厂的装机容量为2200MW，位于沿太平洋加利福尼亚中部海岸，靠近San Louis Obispo城。该反渗透系统由海德能公司 ( Hydranautics ) 于1985年安装和投入运转，自那时起已连续运行至今。
当海水用于反应器冷却时，需向系统补水以供锅炉及其它用途，如生活用水和消防用水。Diablo 河是主要补水水源，但却不能长年供应。同时，PG&E 选择了海水反渗透脱盐装置作为最佳方案，利用该装置，向该工厂供应补充水。海德能公司做为反渗透装置的供应商，负责提供一套日产水量为2200m3的海水淡化反渗透装置并承担安装、维护及运行服务。
Diablo Canyong核电站反渗透装置设计为两级水处理系统 ( 产水再处理 ) ，其流程如图1、2所示。主要设计参数见表1。
图1 Diablo Canyong核电站反渗透预处理流程
图2 Diablo Canyong核电站反渗透系统
表1 Diablo Canyong核电站反渗透装置设计参数
| 给水 | 水质 | 取水方式 | 温度 |
| 35600 ppm TDS | 由海水吸取 | 10 ℃ | |
| 产品水 | 水质 | 出力 | 水回收率 |
| <350 ppm TDS | 2180 m3/d | 0.45 | |
| 操作条件 | |||
| 第一级压力 | 第一级回收率 | 第二级压力 | 第二级回收率 |
| 70 bar | 50% | 25 bar | 90% |
| 总脱盐率 ＞ 99% | |||
预处理系统包括第一级及第二级压力过滤器、紫外杀菌仪和精密过滤器，海水从进水口泵入水箱。为了改善过滤效果，将凝聚剂和聚合电解质加在第一级过滤器的进口。
将有机阻垢剂加在过滤后的水中以防止钙盐沉积在膜元件表面上。过滤后的水送入紫外杀菌仪和精密过滤器。系统设有间断加氯装置，但必须在把给水送入反渗透系统前用亚硫酸氢钠把余氯还原掉。
采用两级反渗透是为了提高产水的质量和考虑到生产的灵活性。预处理后的海水加压到70bar，并送到第一级海水反渗透系统。该系统的回收率一般为50%，每天生产含盐量小于600ppm TDS的脱盐水2420m3。
Diablo Canyong核电站的第二级反渗透系统是高回收率的脱盐系统。该系统的给水压力为25bar，回收率一般为90%。反渗透系统以第一级产水为其给水，处理能力可达到1550m3/d。苦咸水反渗透系统的产品水含盐量通常小于100ppm。第一级和第二级产水混合后就能生产不同数量和质量的水。该灵活性可允许业主在降低生产的情况下获得高质量的产水，或在设计通量下产出较多的水。
Diablo Canyong核电厂海水反渗透系统的运行是非常成功的。大部分时间工厂无需按每天2180m3出力运行，然而当需要时，也可超过设计出力工作。这是由于两级设计的灵活性所致。
2. 锅炉冷却水的零排放系统
Bayswater / Liddell 电力联合企业有在南半球最大的反渗透系统。该反渗透系统用于控制一个大型零排放系统的冷却水的化学工况。
Bayswater / Liddell 火力发电厂位于澳大利亚新南威尔士的Hunter Valley，总装机容量为4640 MW，它包括于1971年投产的Liddell电站2000MW ( 4×500MW ) , 和1986年投产的 Bayswater 电站 264MW ( 4×66MW )。该联合企业是世界上最大的零排放水系统之一。
为达到”零排放“，每年必须将大约24000吨的溶解盐从电力联合企业的水系统中除掉。完成该项任务的处理系统实际上是一个设计和操作方面的典范。该水处理系统主要包括以下工艺流程：
- 传统的石灰软化
- 双介质过滤
- 用离子交换法降低碱度
- 反渗透
- 曝晒蒸发池
- 蒸汽压缩蒸发器
Bayswater / Liddell 电厂冷却废水处理系统的示意流程见图3。两台大型抛物面的湿式冷却塔用于冷却发电站的冷凝器。由于水的蒸发和泄露损失，将会增加冷却水主回路的总含盐量，因而必须补充新水和将部分循环冷却水脱盐，以保持主冷却水回路的适当化学工况。冷却塔中的水化学成分最大级限值见表2。
图3 Bayswater 电厂冷却水处理系统
表2 冷却水极限值
| pH值 | 朗格利尔指数 | 钙（mg/l） | 硫酸盐（mg/l） | 硅（mg/l） | TDS（mg/l） | |
| 极限值 | 7~8.5 | 1 | 170 | 1200 | 150 | 2500 |
冷却水控制系统的主要设备为采用弱酸离子交换器降低碱度和使用石灰软化及反渗透降低总含盐量。此外，从每个主要流程中来的浓缩水或排水在一个公共的水回收厂进行处理。水回收厂由蒸汽压缩蒸发器和曝晒池组成。
2.1 降低总含盐量系统的设计
本论文将着重论述反渗透系统的设计和操作问题。该系统用于控制冷却水回路的旁流处理中的总溶解固形物(TDS)的含量。脱盐系统的流程主要包括石灰软化澄清池，过滤器和反渗透设备。
反渗透系统前的预处理为传统的石灰/苏打软化澄清池，共有四台设备，每台出力为每小时400m3。采用添加石灰和苏打粉进行部分软化。总硬度大约降低60%，二氧化硅大约降低50%。氧化铁在澄清设备中作为助凝剂。澄清池的出水用双介质过滤器进行过滤，除掉悬浮物。进入过滤器之前要添加硫酸，将pH值降至7左右。
过滤后的水集中到清水池内，再泵入反渗透系统。化学处理包括加阻垢剂、加酸和氯，以控制膜的潜在生物污堵。Bayswater / Liddell 厂的反渗透系统由八个系列组成，每个系列的给水流量为185m3/h。每个系列的排列为16—8—4，使用168个海德能公司生产的8540-MSY-CAB2型的醋酸纤维膜。每台设备的设计回收率为82.5%。产品水流量为152m3/h，浓水流量为33m3/h。运行时设备回收率为75~90%。该系统选用了醋酸纤维膜是因为它的耐氯性能好和许多废水处理系统中得到证实的耐污染性强。
醋酸纤维膜的耐氯性能对系统十分重要，因为该系统的进水水质与在北美的许多地方相类似，水源的生物活性较高。运行结果表明，在 Bayswater / Liddell 厂的反渗透系统从来未出现过生物污堵问题。
2.2 反渗透系统的性能
反渗透系统对TDS的去除率极好。运行初期的脱率约为99%，比预计的要好。该厂10多年的运行情况均优于预想。这10多年中更换了两次反渗透膜，也好于预计的更换次数。反渗透系统的给水量一般均在规定范围之内，给水的TDS的平均值为2200ppm。产品水水质由TDS小于100ppm逐渐增加到膜更换前的约250ppm。当八台设备均运行时浓水总流量为每小时260m3，浓水中TDS含量超过10000ppm。通过反渗透系统去除掉的总盐量每天超过60吨，每年超过2万吨。
3. 锅炉补给水系统
1989年在美国中西部的一个热电厂中投运了锅炉补给水处理装置，其产水供应操作压力为52kg/cm2的锅炉，由于工厂规模的不断扩大，对纯水的需求已增至目前的410m3/h。早在1989年计划对装置增容时，设备工程师们就开始考虑是选用阴阳床系统还是选用反渗透系统，并对反渗透与离子交换法进行了详细对比(表3)。对比结果表明，反渗透系统与阴阳床系统相比，其产水水质相当，设备投资相当，而运行费用降低一半左右，并且不需要使用大量的有害化学物质，加上考虑到市政当局对离子交换再生废液处理及排放的限制，厂方最终选用了海德能公司的反渗透系统，并于1993 / 1994年进行了一次较大的设备扩容，新增产水量290m3/h。
表3 反渗透系统与阴阳床系统的比较(290m3/h)
| 比较项目 | 反渗透系统 | 阴阳床系统 |
|---|---|---|
| 设备费 | ||
| 四组反渗透装置 | 830000 | |
| 一个570m3的储水箱 | 200000 | |
| 一个反渗透清洗滑架 | 25000 | |
| 五组阴阳床 | 800000 | |
| 一组化学药品存贮系统 | 150000 | |
| 一组中和系统 | 80000 | |
| 设备总投资 | 1055000 | 1030000 |
| 单位产水量设备费 | $0.57/ 加仑.天 ( 约合RMB29500元/m3.h) | $0.56/ 加仑.天 ( 约合RMB28800元/m3.h) |
| 年运行费用 | ||
| 电费 ( 8美分/kwh ) | 152000 | 27000 |
| 阻垢剂 ( 1.65美元/磅 ) | 27000 | |
| 硫酸 ( 4美分/磅 ) | 101000 | |
| 氢氧化钠 ( 8美分/磅 ) | 202000 | |
| 年运行费用 | 170000 | 330000 |
| 每1000加仑产水的运行成本 | $0.25 ( 约合RMB0.535元/m3) | $0.49 ( 约合RMB1.049元/m3) |
图4为两种方案的主要流程，在反渗透设计方案中使用了四套反渗透装置，每套装置出力为系统总出力的25% ( 72.5m3/h )，同时还配有一容积为570m3的储水箱，该储水箱可贮存8个小时的供水，表3-2给出反渗透装置三年后的运行参数。
图4 反渗透系统与阴阳床系统流程
在离子交换方案里使用了5套阴阳床系统，每套出力为系统总出力的25%，并带有酸碱贮存系统及再生废液中和系统。由于阴阳床需要频繁再生，因而设计时使用了5套装置。
直到1994年为止，反渗透装置的运行极好，一年中只进行一次化学清洗，而且这种清洗并非出于系统本身的需要，只是作为一个日常工作来完成，但在1994年系统扩容后出现了一些问题。由于现存的水并不能满足水量要求，因而在新的蓄水层中钻探了新的水井，新水井深大约为515m，但由于井水水质不好，这些井却成了结垢和污堵的根源，更令人难以置信的是，这些井水还是细菌的来源，从而造成预处理及反渗透系统的严重生物污染，曾经考虑对这些井水进行加氯处理，但由于这些井水中含有大量的溶解铁离子，如果用氯气氧化时它们就会转化成胶体铁，而这些胶体铁是现存的多介质过滤器所无法去除的，由于还没有一种非氧化性杀菌剂已得到FDA的同意可使用在食品工艺中，因而也排除了使用非氧化杀菌剂的可能。还由于系统中使用了聚丙烯酰胺，因而高的铁含量也引起了RO膜的聚合物污染；同时新井水中钡含量过高，超出了阻垢剂的有效阻垢范围，因而不能不在运行操作时降低RO系统水回收率。为了最终解决上述所有问题，对预处理设备作了一系列的改造，这些改造主要包括使用石灰软化以减少钡、铁的含量并杀灭细菌，有时也使用FDA同意的带有阻垢剂特性的铁分散剂。在系统投运初期由于运行人员缺乏训练，也曾出现一系列问题，如预处理系统故障，或由于未作运行数据标准化因而不能尽早发现污染趋势而造成系统污堵，或者反渗透系统误操作等等。随着运行管理水平的提高，这些问题逐步得到了改善，目前该厂反渗透系统运行正常。
4. 结束语
锅炉给水和冷却处理中的反渗透膜技术应用已经日益普及，它可给用户带来巨大经济效益和社会效益。上述三个典型系统的长期运行结果表明，只要设计和操作维护适当，反渗透系统是可以连续稳定运行的，今日的膜技术已经能够满足大型锅炉水处理系统要求的可靠性和耐久性。
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