超滤在海水淡化系统中的应用

纪伟光，李 琪，高顺明 ，张逸明

（1.华电青岛发电有限公司，山东 青岛 266031；2.诺芮特净化系统（上海）有限公司，上海）

0 引言

我国沿海地区是经济发展最活跃的区域，但是淡水资源相对匮乏，这成为制约经济较快地持续发展的瓶颈之一。在建、新建、已建的沿海地区发电与供热企业，在解决企业用水问题时，越来越多地将目光汇聚在海水淡化技术上。国家建设部也正在拟定《火力发电企业海水淡化设计规范》，由山东省质量技术监督局于2009年2月23日发布、并于2009年3月1日实施的 《火力发电厂反渗透海水淡化装置设计导则》，规范了火力发电厂反渗透海水淡化装置设计的一般原则和方法，为沿海地区火力发电与供热企业采用反渗透海水淡化技术的制水工艺系统设计，提供了运行安全、技术经济合理、易于操作和维护及环境保护等诸多方面的标准与要求。国际上，目前商业运作与投产的海水淡化制水工艺方法主要有膜法和热法。

膜法海水淡化制水工艺中应用最广泛、技术相对成熟的是海水反渗透（SWRO）法，而选择合理的预处理工艺，是预防海水反渗透膜元件污染，保证海水反渗透安全、稳定、连续运行的决定性因素之一。超滤技术是近几年我国水务行业迅速发展起来的反渗透膜法的预处理技术，克服了传统预处理制水工艺中出水水质不稳定、出水水质不合格等诸多不足，能够保证海水反渗透系统的进水水质标准要求，具有安全、稳定、自动控制连续运行的特点。

目前，我国国内多个沿海发电与供热企业，已经采用超滤膜和海水反渗透膜结合的双膜法海水淡化制水工艺制取供热与机组用水，其中包括目前总装机容量为4×300MW的华电青岛发电有限公司。

1 超滤（UF）系统的结构特点和系统设计

华电青岛发电有限公司海水淡化制水工艺系统中，按照设计制取淡水量为2×145 m3/h，设计超滤系统总产水量为750 m3/h，分两期建造，每期设计产水量均为375 m3/h。该公司在工程投标前选择了3种超滤膜元件进行中试，根据中试结果最终选择XIGA超滤膜，一种布置方式为卧式的超滤膜元件。

表1为中试期间的海水水质的部分分析指标，此海水经杀菌、混凝、沉淀后，作为超滤系统的进水。

超滤系统运行参数的选择，主要参考表1中海水水质的部分分析指标和中试试验结果。按照设计要求，超滤主体构架安装在海水淡化车间二楼，一楼为海水反渗透系统、混床和各种工艺泵房。其中超滤系统的进水采用母管制，每期超滤分为A、B两组，每组在运行、反洗、化学加强反洗（CEB）方式是相互独立的。按照设计产水量要求，超滤一期和二期共使用208支超滤膜元件。

表1 海水水质

1.1 超滤运行工艺

XIGA膜超滤系统采用全流过滤模式，其运行工艺逻辑步序主要包括：过滤、反洗、化学加强反洗三个过程，超滤系统的运行方式采用全自动，其运行中采用的工艺泵也都是变频设计，降低运行人员操作和维护工作量的同时，也对超滤的稳定、连续运行起到保护作用。

超滤系统的运行工艺逻辑步序见图1。

图1 三个主要流程组成的运行逻辑步序

从表1海水水质表中可以看出，海水中钙和镁离子含量较高，同时海水里面的微生物尤其藻类生长和繁殖能力很强，这样超滤膜表面容易形成两类污染：盐类结垢和生物有机污染。XIGA超滤运行工艺中，快捷有效的化学加强反洗过程能够及时有效地去除这两类膜污染，并能基本恢复超滤产水量至设计值。

化学加强反洗使用变频反洗泵，由加药泵注入的浓度为31%的HCl或浓度为10%的NaOCl，进入装有超滤膜元件的压力容器中，此时加药的反洗流量为普通反洗流量的一半，以保证有效加药浓度及定量控制加药量；注入装有超滤膜元件的压力容器的化学药剂达到要求浓度，即HCl达到pH=2或NaOCl达到200mg/L后进行浸泡，浸泡时间为600 s。在浸泡期间，化学药剂将普通水力反洗不能去除的污染物自膜元件表面和膜丝过滤孔中溶解与剥离。浸泡完成后，通过再次反洗将药液与溶解、剥离的污染物冲出超滤装置，超滤膜元件性能再次恢复到正常水平。整个化学加强反洗过程的操作控制方式，是通过运行控制室的上位机进行全自动控制。

1.2 超滤（UF）和预处理工艺流程

经海水升压泵提升的海水，先进行杀菌、混凝、沉淀至集水池，然后进入超滤系统。

图2为超滤和预处理系统工艺流程。

图2 超滤和预处理工艺流程

1.3 超滤（UF）主体构架

一期超滤于2006年11月完成安装调试和试运行后，开始正式运行。二期超滤在设计初期，结合一期超滤因膜组主体框架结构设计存在不足而引起的布水不均现象，对二期超滤的膜组主体框架结构进行改进，避免一期超滤的主体框架结构存在设计不足的问题。二期超滤于2008年1月完成安装调试和试运行后，开始正式运行。一期和二期的超滤主体构架设计的差异见表2。一期和二期的超滤设备外形对比见图3，压力容器进水接口对比见图4。

表2 一期和二期的超滤主体框架结构设计对比表

2 超滤的系统运行状况分析

2.1 混凝沉淀之聚合氯化铝（PAC）加药量的影响

图3 一期和二期超滤的外形对比

图4 一期与二期的超滤膜压力容器进水口结构对比

海水的混凝沉淀处理采用平流式反应沉淀池，其池体内部没有设计任何机械动力设备，这样直接避免了因海水而引起的腐蚀问题。聚合氯化铝的加药量依据海水潮汐、过往船只以及风、雨、雪天气引起的海水浊度的变化而变化，也根据平流式反应沉淀池的进水流量的变化而变化，加药量过多和过少均会引起平流式反应沉淀池出水浊度增加，从而引起超滤（UF）跨膜压差快速升高，因此最终确定聚合氯化铝加药量在3.5～4.3 mg/L，出水浊度≤2.0 NTU，保证超滤的进水水质标准要求。

2.2 超滤主体构架不同对超滤运行的影响

超滤设备管道布置方式和压力容器进水口的布局与设置对超滤系统的运行有着直接的影响。一期超滤膜组的管道走向以及主体构架设计导致虹吸现象严重，易在膜设备管路中吸入空气，致膜元件断丝率较高，产水水质下降，直接影响后续海水反渗透系统的正常运行。二期超滤因改变管道走向与主体构架设计，自调试、运行至今，没有发生因膜元件断丝而造成产水水质超过海水反渗透进水标准要求的现象。一期与二期的超滤运行参数见表3。

表3 一期和二期的超滤运行参数

由于一期超滤的膜压力容器两端进水、反洗排放侧各只有一个进、出水口，造成进水水流与反洗水流，特别是反洗水流进入压力容器后分布不均，膜元件端面接近压力容器顶部的部分存在死角，污染物不易被冲出膜丝，造成实际膜过滤面积下降，运行周期内超滤跨膜压差升高较快。而二期的超滤膜压力容器两端进水/反洗排放侧各有三个进、出水口，水流分布均匀。在解决了上述问题之后，超滤运行周期内其跨膜压差明显降低。在超滤跨膜压差升高后，化学加强反洗CEB-NaOCl与CEB-HCl能够有效地降低跨膜压差，保证超滤稳定运行。化学加强反洗前后一期超滤-A和二期超滤-A的跨膜压差和进水流量见表4。

表4 化学加强反洗前后一期超滤和二期超滤的跨膜压差和进水流量

2.3 超滤产水水质

一期超滤调试、试运、运行初期，在海水反渗透进水管取样检测的SDI（15）大多是≥3.00，偶尔甚至≥5.00，这样导致海水反渗透的保安过滤器很快被污堵，至其压差≥1.00 bar，从而缩短了海水反渗透的运行周期。但是从一期超滤的产水管取样口直接检测的超滤产水SDI（15）通常都是≤3.00，通过分析判断，认为是超滤的产水进入内壁喷涂环氧漆的碳钢材质超滤产水箱后，受到不同程度的污染，即这些污染物混入了超滤产水中一同进入海水反渗透的保安过滤器。经过对超滤产水箱内部检查，发现超滤产水箱内壁喷涂的环氧漆面已被海水严重腐蚀而剥离，尤其是超滤产水箱整个底部锈迹斑斑，这样被海水腐蚀而剥离的油漆和铁锈一并混入超滤产水后使海水反渗透的进水水质达不到标准要求，之后改变了超滤产水箱内部的防腐工艺，采用工艺为5油3布玻璃钢防腐层后上述问题得到解决。

一期超滤与二期超滤的产水水质在没有膜元件断丝的情况下非常稳定，超滤产水管取样口取样检测产水浊度一般≤0.10NTU，SDI （15）≤3.00，超滤产水箱内部防腐问题彻底解决后，在海水反渗透进水管取样检测的SDI（15）≤3.00。但是，一期超滤曾因设计的管道走向和主体构架不合理，导致超滤的完整性检测不合格即膜元件断丝率较高，以致超滤产水水质达不到海水反渗透进水水质标准要求，影响了海水反渗透的安全、经济运行。

在一期超滤的膜元件中出现极少量断丝后，先用压缩空气检测出单支膜元件上的断裂膜丝，再使用专用膜针堵塞该断裂膜丝的两端，将其隔离。由于一支膜元件内装有11 000多根膜丝，极少量的断裂膜丝堵塞后，提高了该膜元件的产水水质质量，不会对单支膜元件的产水量产生影响。

2.4 超滤系统停机期间维护

停机期间维护的目的是防止一般微生物的滋生与繁殖。超滤系统停运后，用超滤的产水分别做化学加强反洗CEB-HCl与CEB-NaClO各一次；如果超滤系统停机时间在7日以内，每日用除盐水冲洗各10min；如果超滤系统停机时间在8～30日之间，则使用超滤化学清洗系统向超滤系统的压力容器内注入浓度为1.0%的亚硫酸氢钠的保护液进行保护。

2.5 海水反渗透运行情况

超滤稳定的出水水质延长了海水反渗透的化学清洗周期。海水反渗透进水压力范围一般在47.0～63.0 bar之间，浓水压力范围一般在46.0～62.0 bar，所生产的淡水量范围一般85～145 m3/h，其循环化学清洗周期一般为3～5个月。总之，海水反渗透的各种运行工况基本符合设计标准要求。

3 结语

华电青岛发电有限公司的双膜法海水淡化工艺系统处理海水，自2006年11月开始调试至今的安全、稳定、连续运行，与对预处理系统、超滤系统的科学选型与合理设计是密不可分的。超滤系统不仅满足了海水反渗透高质高量的设计进水要求标准，而且其运行成本低廉，检修维护简便。超滤设备构架的合理设计可以有效防止虹吸、布水不均、气水混合现象，有效地降低膜元件的断丝率，从而使超滤系统的稳定运行保持连续性，并进一步保证后续海水反渗透运行地安全、稳定、连续性。