内压式超滤膜与外压式超滤膜的工程应用分析比较

杜娟

（山钢股份有限公司济南分公司，济南　250101）

施工、设备与材料

内压式超滤膜与外压式超滤膜的工程应用分析比较

杜娟

（山钢股份有限公司济南分公司，济南250101）

根据内压式超滤膜和外压式超滤膜组件在冶金污水回用处理工程中的实际应用，从运行参数、出水水质、清洗周期等方面对两者进行了综合分析比较，同时分析了超滤膜污染的成因、工艺优化采取的措施。结果表明，外压式超滤膜跨膜压差的稳定性和产水透过率优于内压式超滤膜，2种膜的产水水质接近，外压式超滤膜的化学清洗周期是内压式超滤膜的3倍，外压式超滤膜更适用于大流量冶金污水反渗透脱盐的预处理。

内压式；外压式；冶金污水；超滤；反渗透

在冶金污水处理中，当污水净化水含盐量无法满足企业供水系统或用水单元要求时，需进行脱盐处理。超滤膜因具有能耗低、单级分离效率高、过程简单、出水水质高等优点，广泛应用于反渗透脱盐的预处理［1-2］。

济钢综合污水处理回用工程采用超滤和反渗透脱盐处理冶金污水，回用于生产系统作为循环水系统补充水，在系统中以内压式超滤设备作为反渗透的预处理工艺［3］。在实际运行中，七孔内压式超滤膜的处理效果达不到设计要求，超滤膜平均跨膜压差高、污堵速度快、产水率降低、化学清洗周期短，影响了反渗透设备的正常运行和系统稳定。为了解决上述工艺处理中存在的问题，在该系统中增设了2套外压式超滤装置。本文对内压式超滤膜与外压式超滤膜的出水水质、清洗周期、跨膜压差、产水透过率等参数进行分析比较，为超滤工艺在冶金行业综合污水处理回用中的应用提供参考。

1　污水回用处理工艺流程

1.1预处理工艺

济钢综合污水处理回用工程于2007年底投产运行，设计处理污水量为3.34万t/d。污水主要来源于各浊环水系统的排污水，主要污染物为硬度、油、重金属、有机物等。预处理系统采用高密池混凝沉淀和V型滤池过滤方法，通过混凝沉淀和过滤等物化处理去除污水中悬浮物、硬度、重金属、腐殖酸、油类及部分不溶性CODCr等物质，使预处理后水质达到双膜法处理进水水质要求。中水进入超滤的水质监测数据如表1所示。

表1　超滤进水水质Tab.1　Inf1uent water qua1ity of u1trafitration

1.2超滤处理工艺

预处理后中水送入除盐水站，除盐水系统有6套内压式超滤装置，每套52支膜组件，单套超滤最大净产水量为164 m3/h，2013年增加2套外压式超滤装置，每套70支膜组件，单套超滤最大净产水量为200 m3/h。工艺流程如图1所示。

图1　超滤工艺流程Fig.1　U1trafi1tration f1ow

1.3内压式超滤膜与外压式超滤膜组件

内压式、外压式超滤膜组件的主要设计参数如表2所示。

表2　内压式超滤膜与外压式超滤膜性能参数Tab.2　Performance parameters of interna1 pressure and externa1 pressure u1trafi1tration membrane

2　内压式超滤膜与外压式超滤膜组件应用比较

通过实际运行，对内压式超滤膜与外压式超滤膜组件的性能、产水水质进行评价，主要性能包括跨膜压差、产水量及产水透过率、清洗周期，产水水质包括出水浊度、SDI值、CODCr去除率。

2.1运行参数对比

选取内压式超滤与外压式超滤装置在稳定运行期的参数进行比较。2组膜组件运行方式均采用错流过滤，控制产水率为90%左右。常规反洗基本相同，为每运行30min进行30 s下排反洗和上排反洗，化学加强反洗为每10个周期进行1次盐酸加强反洗，盐酸质量分数为30%，投加量为400～500mg/L，每10个周期进行1次氢氧化钠加强反洗，氢氧化钠质量分数为30%，投加量为50～100mg/L。2组膜组件运行差别在于外压式超滤装置在每个运行周期后增加了1次30 s的气洗。内压式与外压式超滤装置运行结果如表3所示。

表3　内压式、外压式超滤装置运行参数Tab.3　Operating parameters of interna1 pressure and externa1 pressure u1trafi1tration devices

从运行情况看，在基本相同的运行模式下，内压式超滤的运行跨膜压差自0.04 MPa上升到0.10 MPa的时间为12～15 d，相应外压式超滤膜为40～45 d，外压式超滤膜跨膜压差上升速度慢；内压式超滤膜的在线化学清洗频率几乎是外压式超滤膜的3倍。这表明外压膜的抗污染性能较好，常规的反洗能较好地保证膜受污染程度处在较低的状态［4］。

产水透过率为膜通量与跨膜压差的比值，是衡量超滤膜组件产水经济性的一个重要指标。45 d的内压式超滤膜组件与外压式超滤膜组件产水透过率计算数据对比如图2所示。

图2　内压、外压超滤膜产水透过率Fig.2　Produced water permeabi1ity of interna1 pressure and externa1 pressure u1trafi1tration membrane

从图2可以看出，外压式超滤膜组件的产水透过率较内压式的稳定，外压式超滤膜产水透过率平均为1 195 L/（m2·h·MPa），内压式超滤膜产水透过率为831 L/（m2·h·MPa），外压式超滤膜产水透过率高于内压式超滤膜44%。内压式超滤膜相比外压式超滤膜污染严重，需要频繁地化学清洗才能稳定运行，而苛刻和频繁的化学清洗损伤膜，运行和操作费用增加［5］。膜污染与污染物在膜表面及膜孔径内的附着情况有关，在常规在线反洗和加强反洗相同的条件下，外压式超滤膜在反洗时膜表面及膜孔内所吸附的污染物更易脱离滤膜，同时外压式超滤装置增加的压缩空气气洗有助于此过程的进行，从而使膜通量在较长时间内稳定。

2.2产水水质对比

2.2.1产水浊度

污水中含有悬浮物、无机物、微生物和胶体等物质，因此，浊度是反映产水水质的重要指标，内压式、外压式超滤膜出水浊度如图3所示。

图3　内压式、外压式超滤膜出水浊度Fig.3　Eff1uent water turbidity of interna1 pressure and externa1 pressure u1trafi1tration membrane

从图3可以看出，超滤进水浊度为3.9～6.5 NTU，平均浊度为5.02 NTU，内压式超滤膜出水浊度为0.6～3.2 NTU，平均浊度为1.56 NTU，外压式超滤膜出水浊度为1.2～3.4 NTU，平均浊度为1.95 NTU，内压式超滤膜和外压式超滤膜对浊度的平均去除率分别为69%和61%。

2.2.2出水SDI值

反渗透污染指数（SDI）是衡量反渗透进水水质的一个重要指标，内压式、外压式超滤膜产水SDI值如图4所示。

图4　内压式、外压式超滤膜产水SDI值Fig.4　Produced water SDI va1ue of interna1 pressure and externa1 pressure u1trafi1tration membrane

从图4可以看出，内压式超滤膜产水SDI平均值为2.46，波动范围为1.6～3.8，外压式超滤膜产水SDI平均值为2.63，波动范围为1.7～3.6。受冶金污水预处理水质波动的影响，内压式、外压式超滤膜出水SDI值的波动都较为明显。内压式、外压式超滤膜产水水质比较接近，SDI值均小于4，按照反渗透系统进水SDI值小于3的标准，产水合格率都在70%左右。从反渗透系统运行情况看，反渗透保安过滤器滤芯的更换周期为2个月左右，反渗透系统每3个月左右进行1次化学清洗，2种超滤产水基本满足反渗透进水SDI值的要求。

2.3化学清洗次数对比

冶金行业的浊环水系统的排污水水质复杂，波动性大，超滤膜通量下降主要是由于膜污染造成的。通过对超滤设备的清洗记录进行统计，单台内压式超滤膜平均化学清洗次数为28次/a，外压式超滤膜平均化学清洗次数为10次/a。外压式超滤膜的化学清洗周期是内压式超滤膜的3倍，其抗污染性能优于内压式超滤膜。通过对超滤膜污堵物取样分析，2种超滤膜截留的污染物成分基本相同，其中有机物的质量分数为20.33%，钙的质量分数为27.2%，铁类物质也较多，证明主要是胶体、细菌、微生物以及无机盐类结垢造成膜的污堵。针对污堵物，采取了酸洗、碱洗、氧化剂清洗的化学清洗方案，酸洗去除污堵无机物尤其是铁胶体的效果比较明显，碱洗和氧化剂清洗去除截留在超滤膜膜孔内的有机物，并杀死细菌［6］。

3　反渗透装置运行结果

济钢综合污水处理回用工程采用的反渗透膜为美国陶氏化学公司BW30-365FR的抗污染反渗透膜组件。由于超滤单元增加外压式超滤装置，工艺优化后出水水质控制较好（SDI值≤4，浊度≤2 NTU），反渗透装置运行稳定，进水压力为1.0～1.2 MPa，一段压差为0.5～0.8 MPa，二段压差为1.0～1.5 MPa，产水电导率≤60 μS/cm，脱盐率可达到96%以上。

4　结论

通过对冶金污水深度处理中内压式超滤膜和外压式超滤膜的工程应用比较可知，由于2种膜的结构、材质和运行方式不同，外压式超滤膜平均跨膜压差上升速度明显低于内压式超滤膜，平均产水透过率较内压式超滤膜高44%。外压式超滤膜的化学清洗周期是内压式超滤膜的3倍，外压式超滤膜的抗污染性能更好。内压式超滤膜和外压式超滤膜的产水平均SDI值分别为2.46和2.63，对于大流量的冶金污水处理及回用，2种超滤膜基本符合反渗透进水要求。综合以上比较，在冶金污水深度处理中外压式超滤膜的出水效果优于内压式超滤膜。

［1］张垒，薛改凤，鲍俊芳.膜技术在钢铁废水处理及回用中的应用［J］.工业用水与废水，2010，41（1）：19-21.

［2］曾坚贤，叶红齐.超滤分离技术在废水处理中的应用［J］.工业用水与废水，2009，40（2）：1-5.

［3］陆善忠，杨树雄.双膜法在钢铁企业废水回收利用中的应用［J］.给水排水，2008，34（4）：61-64.

［4］钱勤，金洁，汪沛丰.两种内压式超滤膜组件在反渗透预处理中的应用［J］.工业用水与废水，2008，39（3）：91-94.

［5］左滢，沈菊李，吕晓龙，等.超滤膜组件结构与性能研究［J］.水处理技术，2014，40（9）：101-104.

［6］黄翔峰，李光，徐竟成.钢铁企业废水污染物形态分析及混凝深度处理试验研究［J］.四川环境，2007，26（4）：1-4.

Analysis and comparison between internal pressure and external pressure ultrafiltration membrane applied in engineering project

DU Juan
（Jinan Branch of Shandong Iron and Steel Group Company Limited.，Jinan 250101，China）

According to the practica1 app1ication of interna1 pressure and externa1 pressure u1trafi1tration membrane modu1es in meta11urgy wastewater treatment project，the differences between the said two kinds of membrane modu1es were ana1yzed and compared from aspects of operation parameters，eff1uent water qua1ity，c1eaning period and some other factors；meanwhi1e，the causes of u1trafi1tration membrane fou1ing and measures adopted for process optimization were a1so ana1yzed.The resu1ts showed that，the stabi1ity and produced water permeabi1ity of externa1 u1trafi1tration membrane was superior to that of the interna1 pressure membrane，the produced water qua1ity of the said two kinds of membranes was simi1ar.The chemica1 c1eaning period of the externa1 pressure u1trafi1tration membrane was 3 times the period of the interna1 pressure u1trafi1tration membrane.Therefore，externa1 pressure u1trafi1tration membrane is more suitab1e for reverse osmosis desa1ination pretreatment of 1arge f1ow meta11urgy wastewater.

interna1 pressure；externa1 pressure；meta11urgy wastewater；u1trafi1tration；reverse osmosis

X703.1；X756.031

A

1009-2455（2016）03-0045-04

杜娟（1979-），女，山东济南人，工程师，硕士研究生，主要从事钢铁行业工业水处理工作，（电子信箱）154114730@qq.com。

2016-04-07（修回稿）