超滤反渗透组合工艺在地下水处理中的工程应用

吴越强， 姬克宁

(大庆油田水务公司，黑龙江大庆163450)



超滤反渗透组合工艺在地下水处理中的工程应用

吴越强， 姬克宁

(大庆油田水务公司，黑龙江大庆163450)

本文分析了预处理-超滤-反渗透工艺处理大庆油田某地区地下水设备的运行情况，并对超滤与反渗透产水勾兑进行了研究，确定了最佳勾兑比例。目前该深度处理站已投入运行，超滤及反渗透产水的指标均完全达到设计要求，且系统运行稳定。经过该工艺处理后，超滤出水浊度≤0.1 NTU,SDI≤2，反渗透出水平均电导率小于15 ms/cm，除盐率均接近98.7%，反渗透回收率达到75%，超滤产水与反渗透产水2 ∶3勾兑后，水质各项指标均符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)，并且主要水质指标远高于标准值。

超滤； 反渗透； 给水

1 概述

随着我国经济的崛起，工业排水污染严重、用水量逐年增加、水资源短缺成为发展中亟待解决的问题，随着新的生活饮用水标准的出台，传统工艺处理的自来水水质已经不能满足要求。膜技术被称为“二十一世纪的水处理技术”，在污水处理、饮用水处理中具有广泛的应用前景，尤其是在作为小型水厂处理工艺方面更具有明显的优势。目前，膜法在饮用水处理中的应用主要是超滤膜和反渗透膜，由于反渗透系统对进水水质要求较严格，实践证明，只有在采用膜过滤技术的前提下才有可能长期稳定的保持SDI≤2的状况下，因此通常将超滤过滤技术作为反渗透的预处理。

1.1 项目概述

油田某地区供水管网末端，由于管道二次污染，居民用水浊度高，有异味。为提高居民用水水质，建设深度水处理站。处理站的设计产水量为5 000 m3/d，采用反渗透产水与超滤产水勾兑后再外输至管网。其中超滤净产水6 000 m3/d，其中2 000 m3/d直接进入最终产品水箱，另外4 000 m3/d超滤产水作为反渗透的进水，反渗透产水3 000 m3/d，反渗透装置系统回收率75%。

1.2 设计进出水水质

本工程以年均出水水质检验数据中最差水质为限值确定水厂设计进水水质，见表1。设计要求水厂出水水质稳定并优于《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)。

表1 地下水水质情况

2 工艺流程

根据进水水质特点，安装100 μm自清洗过滤器做为超滤预处理。虽然进水铁锰含量均不超标，但为防止二价铁锰氧化形成氧化物污染超滤膜，故本工程采用“锰砂过滤器-自清洗过滤器-超滤-反渗透”双膜工艺：原水→锰砂滤罐→原水箱→超滤水泵→自清洗过滤器→超滤装置→超滤产水箱→反渗透供水泵→精密过滤器→反渗透高压泵→反渗透装置(一级二段)→清水罐→供水管网。工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程Fig.1 Flow chart of process

3 工程设计

锰砂过滤罐+自清洗过滤器作为超滤膜的预处理工艺，超滤膜则作为反渗透膜的预处理工艺，去除水中绝大部分悬浮物和胶体杂质，出水浊度≤0.1 NTU,SDI≤2，保证反渗透进水水质稳定。反渗透膜脱盐可以达到更高的饮用水标准，出水电导率15 ms/cm。最终产水按照超滤水与反渗水2 ∶3勾兑，这样既保证水中矿化度要求，又极大地提高了产水水质。同时该工艺具有占地小、产水水质稳定、全自动PLC+上位机控制运行、操作简单等特点。

3.1 锰砂过滤罐

锰砂滤料中石英砂粒径宜为0.5～1.2 mm；锰砂粒径宜为0.6～2.0 mm ；厚度宜为 800～1 200 mm；滤速宜为5～7 m/h。

过滤罐运行一段时间后，滤料顶部会形成一层厚厚的污染物滤饼，影响滤速和产水量，需要定期根据出水压力的变化进行反冲洗，以保证其正常运行。可以通过压差进行手动/自动运行和反洗。

3.2 自清洗过滤器

采用滤芯100 μm的自清洗过滤器，共2套，1用1备，单套处理流量为410 m3/h，公称压力1.6 MPa。做为超滤装置的前置预处理工艺设备，过滤器主要去除水中较大的颗粒物质，防止堵塞超滤膜组件。过滤器主要由过滤装置、清洗系统、压力表、压差开关、控制柜等组成。进入过滤器的水流由下而上通过滤芯向外流动，滤后水由过滤器上部排出，固体杂质被截留在滤芯内侧。自清洗过滤器采用PLC控制，采用手动/自动两种模式，自动模式又可采用压差/时间控制，压差/时间根据进水水质设定。当收到冲洗信号时，滤芯自动进行冲洗，而无需断流。

3.3 超滤系统

超滤膜装置共3套，单套装置出水90 m3/h。膜系统设计总进水量为6 360 m3/d，净产水量6 000 m3/d，产水率94.4%。由于原水为地下水，最低水温7℃，考虑温度对超滤膜产水量影响，膜通量最终确定51.5 L/(m2·h)。

超滤膜采用美国科氏TAGAR-10072特种改性聚砜膜(PS)材质的中空纤维膜元件，单根膜丝外径0.9 mm,内径1.2 mm，单支膜面积89.1 m2(871 ft2)。膜材料亲水耐酸碱，抗微生物污染能力强，超滤膜运行方式采用内压全流过滤，中空纤维膜过滤孔径为0.02 μm。这种微小的孔径几乎可以去除水中所有悬浮物或胶状颗粒物，包括贾第鞭毛虫和隐孢子虫，同时还可去除相当一部分自由悬浮或附着在颗粒物上的病毒[1]。超滤膜工作一定时间后采用物理反冲洗结合化学清洗去除膜丝内部截留污染物。设计每支膜组件物理反冲洗周期30～60 min,每次反冲洗持续时间约55 s。化学清洗分为维护性清洗及恢复性清洗。维护性清洗设计每日1次，每次5 min；恢复性清洗时间周期为1～2个月，可根据跨膜压差进行调整。

3.4 反渗透系统

(1)精密保安过滤器

保安过滤器作为反渗透膜系统的保护装置，为了保证反渗透膜元件不被悬浮物质损坏，在反渗透之前需要设置精密保安过滤器，滤芯采用过滤精度为5 μm的过滤器，材质为PP棉，单套处理流量为90 m3/h。运行压差大于0.1 MPa更换滤芯(一般为3～6个月)。

(2)反渗透膜组件

反渗透膜采用美国DOW公司LE-440i低压低能耗元件，材质为聚酰胺复合材料，膜面积为45 m2(440 ft2)/根。采用6芯装维赛博300psi反渗透膜壳。本系统反渗透共2套，单套产水水量为65 m3/h，每套装置安装15支膜壳，单支膜壳内填装6支模组件。系统按照一级两段2 ∶1排列，设计平均通量17.76 L/(m2·h)，设计回收率75%。

(3)阻垢剂加药系统

为了防止反渗透膜元件的浓水侧出现固体结晶析出，损坏膜元件的性能，在水进入反渗透系统前需要加入阻垢剂，分散水中的难溶性无机盐，阻止或干扰难溶性无机盐在其表面的沉淀。阻垢剂采用JESDE YF-760反渗透膜专用井水阻垢剂。通过药剂专用软件计算，当LSI值为2.9左右时，阻垢剂投加量为3.3 mg/L。实际运行按照计算添加量投加。

4 工艺运行结果分析

4.1 超滤系统

超滤系统现已稳定运行3个月，超滤系统净产水量6 000 m3/d,系统运行压力0.12～0.13 MPa,跨膜压差调试完毕后基本稳定在0.05 MPa，根据调试期间设备运行数据，确定系统物理反洗周期为45 min,CEB反洗周期为7 d。出水水质见表2。

(1)超滤膜对CODMn去除率仅为15%左右，由于超滤膜膜丝平均过滤孔径0.02 μm，截留分子量在100 000 Dal，可截留绝大部分悬浮物及胶质，但对溶于水的小分子(小于100 000 Dal)有机物无法截留。因此超滤膜对CODMn去除率很低。对于原水CODMn较高的水质，可通过活性炭过滤器、保安过滤器以及投加PAM药剂加强预处理对原水悬浮物及胶质的去除，降低超滤膜的负荷，延长超滤膜反洗时间提高超滤膜产水率。

(2)超滤进水浊度在0.34，出水浊度保持在0.08，超滤膜对浊度的去除率为90%。对于原水为地表水，进水浊度在3～5 NTU，超滤对浊度的去除率会更高，可达到98%～99%。

(3)超滤系统进水SDI在2.8，产水SDI在1.9，做为反渗透的预处理，超滤出水可保证反渗透系统稳定运行。

表2 超滤出水水质

温度与流量关系见表3，可看出：温度对超滤膜影响较大，超滤膜运行在反洗周期45 min,CEB周期在72 h，TMP稳定在0.05 MPa；在8.7 ℃时，超滤膜进水压力为0.11 MPa,流量为88 m3/h，温度在11.3时，超滤膜进水压力为0.11 MPa，流量为93 m3/h。平均温度升高1℃，流量约增加2%。这是因为超滤膜材质对水温敏感，温度升高，在水的粘性降低，超滤膜孔径的随温度的增大，导致在恒压情况下，超滤膜通量增加，产水量也随之升高。因此在超滤膜应用中应注意温度对超滤膜产水量的影响，本项目原水为地下水，水温温差较小(7～12 ℃)，在原水采用地表水的北方地区，水温温差会达到近20 ℃，对超滤膜的产水量会产生很大影响，应采用最低温度下超滤膜的运行通量，这样方可保证运行至最低温度时产水量能达到设计值。

表3 温度与流量关系

4.2 反渗透系统

表4为反渗透系统产水量及出水水质，表5为除盐率与温度关系，可看出：

进水温度对反渗透的影响较为显著，由于本项目原水为地下水，进水含盐量稳定，温差变化小，但温度的变化也相应带来膜通量、产水量、除盐率的些微变化。随着温度的升高，反渗透系统产水量增加，运行压力降低，除盐率降低。这是因为温度上升时水分子的粘度下降，扩散能力增加，同时盐透过膜的扩散速率也加快，导致脱盐率降低。此外，进水含盐量、回收率也会对通量产生影响。因此当反渗透进水水温温差较大，应考虑温度对系统产水量及除盐率的影响。

表4 产水量及出水水质

表5 温度与除盐率关系

各勾兑比例下的出水水质见表6。对比各勾兑水质检测数据，所有勾兑水样细菌4项及其它指标均合格，并且勾兑水浊度、氟化物、砷、总溶解性固体和总硬度等主要水质指标远优于《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)。

综合分析各勾兑水质指标得出，随着超滤产水勾兑比例的降低，浊度、砷、氟化物、硬度等指标均呈下降趋势；其中2 ∶3勾兑比例水质中浊度0.06 NTU，砷含量0.004 mg/L，氟化物含量0.38 mg/L，总溶解性固体363 mg/L，总硬度100.1 mg/L。综合指标优于其它水质，因此选定超滤与反渗透比例为2 ∶3，既能达到各项水质标准，又能保留水中矿化度，使居民饮用安全优质水得到保障。

表6 勾兑比例及出水水质

5 结论

①采用预处理-超滤-反渗透工艺处理大庆油田采油五厂地区地下水，超滤出水浊度≤0.1NTU,反渗透出水平均电导率小于15ms/cm，反渗透回收率达到75%，除盐率均接近98.7%。

②超滤膜和反渗透膜对水温变化敏感，通量与水温基本呈正比线性关系，工程设计时要考虑低温对设计通量的影响，保证低温产水量能达到设计值。

③通过超滤产水与反渗透产水勾兑比例的研究，超滤与反渗透产水勾兑供水方案可行，勾兑后各项水质指标均符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)。主要水质指标远高于国标标准值，这为采用勾兑水供水，通过较低的设备投资及低成本运行，使居民饮水水质进一步提高提供了借鉴经验。

[1] 王磊，福士宪一. 运行条件对超滤膜污染的影响[J]. 中国给水排水，2001，17(10)：1-3.

[2] 张静.北小河污水厂反渗透膜系统的调试运行和保存[J]. 中国给水排水，2010，26(2)：96.

Application of ultrafiltration reverse osmosis combination process in groundwater treatment

Wu Yueqiang, Ji Kening

(DaqingOilFieldWaterCo.,Daqing163450,China)

The operation of groundwater equipment of Daqing Oil Field by pretreatment, ultrafiltration (UF) and reverse osmosis (RO) technology was analyzed, the production blending of UF and RO water was studied and the optimal blending ratio was determined. At present the advanced treatment station has been put into operation, the indexes of finished water of UF and RO could meet the design requirements completely and the system was stable. The outflow of UF was less than 0.1 NTU, SDI≤2，the average conductivity was less than 15 ms/cm, the desalination rate was close to 98.7%, the recovery rate of RO could reach 75% after the process. After blending 2 ∶3 of UF finished water and RO finished water, the water quality could meet the requirement ofStandardsforDrinkingWaterQuality(GB 5749-2006), and the main water quality indicators are much better than the standard values.

UF; RO; water supply

TU991.263

B

1673-9353(2016)05-0034-05

10.3969/j.issn.1673-9353.2016.05.008

吴越强(1971- )， 男， 本科， 高级工程师。主要研究方向为含油污水处理和生活给水深度处理。E-mail：wuyueqiang@cnpc.com.cn

2016-09-14