超滤技术在处理黄河水上的应用
分割线黄河下游地区以黄河水为原水,制备锅炉补给水时,常规的“多介质过滤+活性炭”预处理工 艺往往不能满足反渗透进水要求,造成反渗透清洗频繁。本文通过中试考察了中空纤维超滤作为反渗透预处理,在处理黄河水时的技术参数和综合性能。结果表明,超滤产水水质大大优于常规处理工艺,且试验期间超滤膜未出现污堵和通量下降的现象。证明超滤作为反渗透的预处理工艺是可行可靠的。
1. 前言
近些年随着我国工业化和城市化的进程,大量的工业和生活污染物排放到环境中,给水体带来越来越严重的污染。恶化的水质危及工业生产和人们的健康,增加了整个社会获取水资源的成本。黄河就是其中一个实例。在黄河下游地区,建有许多套反渗透脱盐系统。这些系统以黄河水为原水,基本上采用“多介质过滤+活性炭”作为反渗透预处理工艺。但是最近调查发现,在很多系统中,该常规预处理工艺的处理效果往往达不到设计要求,出水SDI 值偏高。结果带来保安过滤器滤芯更换频繁,反渗透膜清洗周期缩短等诸多问题,大大缩短了反渗透膜的寿命,增加了系统的运行维护成本。
济南金鸡岭热源厂现有的310m3/h锅炉补给水系统于2002年8月将水源由地下水更换为黄河水后,也出现了类似的问题。反渗透膜的清洗周期由5个月缩短到1个月,同时出现了产水量下降的困扰。为了解决上述问题,金鸡岭热源厂借鉴废水回用和循环水零排放设计中采用的超滤技术,考虑以超滤做为反渗透的预处理来替代常规的“多介质过滤+活性炭”工艺。慎重起见,以黄河水为原水进行了为期两周的中试,以验证超滤工艺的可靠性并据此提出工程设计参数。
2. 超滤膜分离技术
膜分离技术是一大类技术的总称。和水处理有关的主要包括微滤、超滤、钠滤和反渗透等几类。这些膜分离产品均是利用特殊制造的多孔材料的拦截能力,以物理截留的方式去除水中一定颗粒大小的杂质。其过滤的精度和滤膜本身的孔径大小有关。通常习惯把孔径较大的称为微滤(Microfiltration),而较小的称为超滤( Ultrafiltration),而“孔径”更小则是钠滤和反渗透。
这些分离膜的“孔径”和分离的对象如下表和下图所示:
微滤 | 超滤 | 纳滤 | 反渗透 | |
---|---|---|---|---|
膜孔径 | 0.05~2.0μm | 0.001~0.1μm | <0.02μm | <10A |
操作压力 | 0.35~2.1bar | 1.0~5.25bar | 3.5~8.75bar | 7.0~42.0bar 56~84bar(海水) |
上图显示了水中各种杂质的大小和去除它们所使用的分离方法。反渗透主要用来去除水中溶解的无机盐;而超滤则可以去除病毒、大分子物质、胶体等;微滤一般能够去除水中的细菌、灰尘,具有很好的除浊效果。这些都是传统的过滤(如砂滤、多介质过 滤等)无法实现的。
超滤膜分离产品从形式上分为中空纤维、管式、卷式、平板式等;从材质上分PP、PE、PS、PVDF、PAN等多种。这些膜产品能够具备优异的分离能力,是和它的结构及材料密不可分的。下面几张图显示了聚合物膜材料的结构。
超滤膜属于非对称的结构, 即包括致密的皮层(真正起分离作用) 和多孔的支撑层。 这种结构既保证了良好的分离效果,又提高了膜通量,降低运行能耗,并抗污堵。这些因素使得膜产品最终能够实现大工业化的应用。目前在青岛、山西等地多个热电厂的锅 炉给水系统中已经成功采用超滤做为反渗透的预处理。
膜分离产品最近受到了市场的高度关注,这是因为它具有如下的优点:对杂质的去除效率高,产水水质大大好于传统方法;大大减少化学药剂的使用,避免二次污染;系统易于自动化,可靠性高。运行简易,设施只有开启,关闭两档;占地面积小;与常规水处理系统费用相当。
3. 试验结果
3.1 原水水质
试验原水为经自来水厂处理的黄河水,取自金鸡岭热源厂化水车间生水池。其主要水质指标如下:
项目 | 单位 | 分析结果 | 项目 | 单位 | 分析结果 |
---|---|---|---|---|---|
K+ | mg/L | 3.46 | Cl- | mg/L | 105 |
Na+ | mg/L | 91.5 | SO42- | mg/L | 96.29 |
Ca2+ | mg/L | 43.4 | NO3- | mg/L | 24 |
Mg+ | mg/L | 26.2 | HCO3- | mmol/L | 4.9 |
Fe3+ | mg/L | 0.067 | 胶体硅 | mg/L | 14.75 |
Ba2+ | mg/L | 0.026 | 活性硅 | mg/L | 20.63 |
Sr2+ | mg/L | 0.18 | 溶解固形物 | mg/L | 609.2 |
CODMn | mg/L | 0.64 | |||
pH | 7.5 |
3.2 试验装置及试验流程
试验装置采用欧美环境工程公司一体化的集装箱式中试装置,紧凑布置了φ750多介质过滤器、φ750活性炭过滤器、超滤装置一套、反渗透装置一套、EDI装置一套。以及辅助的自动控制系统、输送系统及在线仪表。其中超滤使用的是OMEXELLTM SFP 2660超滤元件,该产品是欧美环境工程公司为废水处理和反渗透预处理而设计、制造的,采用改性的PVDF材质,耐污染、抗氧化性较好。
试验以黄河水为原水,比较了常规“多介质过滤+活性炭”工艺和超滤工艺对浊度、SDI的去除效果,并评价了超滤膜通量的变化情况。其中原水在进入多介质过滤器前加入了10ppmPAC做为混凝剂;而原水不加任何药剂直接进入超滤。
试验中超滤的产水量为5m3/h。超滤装置采用4支OMEXELLTM-SFP 2660 超滤膜,全自动运行。每支膜运行30分钟反洗一次,反洗时间1分钟(包括浓排时间),反洗水流量2m3/h。每支膜运行12小时气洗一次,气洗强度7Nm3/h。
3.3 常规预处理工艺和超滤的比较
3.3.1 浊度去除
下图显示了常规预处理和超滤对浊度的去除效果比较。
从图中可以看到,超滤出水的浊度平均在0.2NTU左右,而传统预处理的出水浊度在0.6NTU左右。超滤的除浊效果较好。
3.3.2 SDI
SDI(污泥密度指数,或称污染指数)是反渗透系统中,用来衡量反渗透进水水质的一个重要指标。现有锅炉补给水系统使用的黄河水水质较差,SDI15无法检测。如下图所示,经过常规预处理工艺后,SDI15大部分时间 4~5左右,最低达到3,最高则超过6。这表明“多介质过滤+活性炭”工艺在处理该水源时,存在一定的缺陷:效果不稳定且SDI15超标。这与目前金鸡岭热源厂现有系统的症状是一致的。
而经过超滤后,SDI15则稳定保持在0.5以下。这样的处理效果给下游反渗透膜提供了最大限度的保护,将大大延长反渗透膜的清洗周期和寿命。
3.4 超滤的抗污堵性
超滤的产水水质是超滤性能的一个重要方面,另一个重要方面则是超滤的抗污堵性能。这是超滤大规模应用更令人关注的特性。
试验期间在保持超滤产水量恒定的情况下,记录了超滤进出水的压差变化。如上图所示,超滤投入运行后,在前80小时,膜两侧的压差总体趋势逐步上升,在随后的200多小时时间里,压差则趋于稳定。这一过程是水中的杂质在新的超滤膜表面积累并形成“凝胶层”的过程。一旦凝胶层建立,膜通量的下降就趋于平缓,并逐步达到稳态。图中的曲线恰当地反映了这一过程。表明在试验期间膜的污堵情况十分轻微。
4. 结论
通过中试及对中试过程的数据分析可以得出以下结论。
1.超滤作为反渗透的预处理,以济南地区黄河水作为原水,在技术上是可行的;
2.“多介质过滤器+活性炭过滤器”的常规预处理工艺,处理黄河水,其产水的SDI15难以控制在4以下,有时甚至超过5、6,不利于对反渗透膜的保护;
3.试验期间超滤产水的SDI15在0.5以下,远远优于常规工艺。
4.试验期间超滤膜基本没有出现通量不可恢复性下降的情况,表现了良好的抗污堵性能。
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