管式超滤膜在反渗透浓水处理中的应用

陶正兴 (中电环保股份有限公司，江苏 南京 211102)

0 引言

随着环保政策的收紧，废水排放要求越来越高，对于反渗透浓水处理要求较高，反渗透浓水由于具有高TDS、高悬浮物、高COD等特性，逐渐成为水处理的难点。反渗透浓水处理中预处理好坏直接影响后端系统的运行。

近年来管式超滤膜由于其独特的优势，在反渗透浓水预处理中逐渐应用起来，其优势主要在于：(1)可同时除去钙、镁、钡、锶等所有二价阳离子和二氧化硅，基本完全消除针对RO或蒸发器系统的无机致垢成分；(2)不需沉淀和预过滤，可直接进行过滤实现固体颗粒和液体的分离，水中污染物不需要沉淀就能有效去除；(3)可在高pH条件下持续运行(pH大于10)，因此更能保证有效去除钙镁硅沉淀，和锶、钡等有结垢倾向的离子成分；(4)采用大流量错流过滤，水流切向高速流过膜表面，在过滤的同时还有冲刷清洁膜表面的作用，污染物不易累积，膜面不易污染；(5)产水浊度<1 NTU，可以有效保护反渗透。

文章通过对某废水处理系统中管式超滤膜的工程设计和运行数据进行分析，为工程后续的运行提供理论依据，为以后的工程设计提供基本参数。

1 工程概况

1.1 工程简介

本项目进水水源为反渗透浓水，反渗透处理原水为经过BAF生物滤池和石灰软化澄清池处理后的循环水站排污和脱盐水站浓排水等综合废水。

1.2 工艺流程

本项目反渗透浓水要求零排放，从反渗透浓水水质可知，如表1所示。水质中钙镁硬度较高，COD较高，悬浮物较高，水质较差，考虑系统占地紧张，结合后端进水水质要求，为确保系统能更安全稳定运行，前段考虑设置管式超滤膜，整个系统采用“管式超滤膜+浓水反渗透+高压反渗透+蒸发结晶”流程，后端反渗透系统运行的好坏很大程度上取决于管式超滤膜的设计和运行好坏。

表1 设计进水水质

1.3 管式超滤膜系统设计

管式超滤膜系统由沉淀池、管式超滤膜、清洗系统和其他配套设备组成。(1)沉淀池。沉淀池设置在管式超滤膜前段，可接收不断被管式膜浓缩的污水，保持污泥浓度达到最佳状态。通过在沉淀池里面加PAM、PAC、纯碱和NaOH药剂，对来水中硬度和悬浮物进行一定的去除。沉淀池主要尺寸为16.8 ×8.4 ×6.4 m，池体设置搅拌机、刮泥机和排泥泵。沉淀池到管式膜之间设置循环泵，将污泥进行循环，保持管式超滤膜表面流速，维持一定的冲刷力度，可以确保管式膜能稳定运行。循环泵设置变频控制。循环泵的流量为240 m3/h，扬程为0.7 MPa；(2)管式超滤膜。管式超滤膜是整个系统的重要部分。它主要用于去除水质中悬浮物、部分钙镁硬度等，确保后端反渗透膜系统进水水质，确保整个工艺能稳定、可靠、安全的运行。本系统共设置2套，单套产水量为60 m³/h。管式膜，采用特里高管式膜，膜材质为PVDF，单支膜面积为67.3 m2，每列管式超滤膜装置由6支膜串联组成。膜表面循环流速为3～5 m/s。系统采用湍流错流的运行方式，设计通量为150 L/m2h；(3)清洗系统。本系统考虑采用次氯酸钠对膜进行清洗，设置清洗箱和清洗泵各1台。清洗箱容积为5 m3；清水泵的流量为160 m3/h，扬程为0.35 MPa。清洗周期≥1个月。当运行压差超过压差值或者产水量下降时，系统要进行清洗。系统冲洗采用反渗透产水，通过对管式超滤膜产水端进行冲洗。

2 结果

2.1 管式超滤膜运行压差随时间变化

如图2所示。管式超滤膜运行压差是一个动态变化过程，运行压差维持在400～500 kPa，这和来水水质、清洗频率和管式膜自身结构等均有关系。管式超滤膜采用错流式过滤，而且高流速水流(错流流速3～5 m/s)，流体呈现湍流的形态，对膜表面进行一定的冲刷，污染物很难在膜表面停留。即使运行一段时间后污染物附着在膜表面，可以通过反冲洗而脱落。这也是膜运行压差运行稳定的原因之一。虽然管式超滤有耐受高浓度悬浮物进水的特点，但根据工程经验，为了减少膜的清洗频率，需要控制进水的浊度。如果压差过大就需要考虑化学清洗。化学清洗一般以列为单位清洗，也就是一列一列的清洗，单列清洗能够保证系统清洗的比较彻底，而且必须要清洗彻底。如果每次清洗都不彻底，那么污垢就会越积越多，越来越顽强，长期下去会使膜的通量越来越低，到最后就很难清洗干净，即使要清洗干净，也需要花费大量的药剂和时间。根据污染物质选取清洗药剂，对于碳酸钙、铁盐、无机胶体，以及硫酸钡/硫酸钙等难溶性无机盐等，一般采用专用的清洗剂或 pH=2～3 的盐酸、柠檬酸、草酸等溶液；对于脂肪、腐殖酸、有机物、胶体等，一般采用专用清洗剂或 pH=11～12的NaOH溶液；对于蛋白质、多糖、油脂、淀粉等，一般采用0.5%～1.5%的蛋白酶、淀粉酶等；对于细菌、病毒等，一般采用1%左右的双氧水或 200～500 mg/L 的次氯酸钠溶液。

图2 管式超滤膜运行压差随时间变化

2.2 管式超滤膜产水水质随时间变化

如图3所示。管式超滤膜产水COD维持在40 mg/L左右，COD去除率约41%，总硬度维持110 mg/L左右，产水水质基本稳定可靠，运行状况良好，满足反渗透进水水质要求，满足系统设计要求。

图3 管式超滤膜产水水质随时间变化

从运行情况来看，当进水水质有些波动时，管式超滤膜的产水水质基本稳定，膜可以耐较强的水质波动冲击能力。管式膜的耐污染性能与自身的结构有关，该膜被浇铸在多孔材料管的内部。管式膜的流道宽，能耐受更高的污染物。含被过滤物质(固体)的水流透过膜后，透过多孔支撑材料，进入产水侧(水被净化)，被膜截留的固体颗粒在水流的推动下，不会停留在膜的表面，而是在膜表面起到一定的冲刷作用，避免污染物在膜表面停留。与普通的中空纤维超滤不同，管式膜可以承受很高的污泥浓度 2%～5%，也可以耐受较高的pH值。在高pH下，一般在12左右，对镁的去除效果最佳。

3 讨论

通过本系统运行情况可知，管式超滤膜在后续设计和运行时重点需要考虑以下因素。(1)膜通量的选取很关键。通量选取和进水水质有关。水质中盐含量越高，渗透压越高，作用在膜表面的有效驱动力就越小，膜通量会降低；当盐含量大时，浓差极化效应越显著，盐截留率就越低［1-2］。进水中COD含量，尤其有机物含量不能太高，有机物能形成凝胶层附着在膜表面，是影响膜通量，导致膜运行效果差的重要影响因素。因此，当COD高时，为保证系统更好运行，建议适当降低膜通量；(2)膜表面流速。系统运行中膜面流速一般控制在3.0～5.0 m/s。膜面流速直接影响流体的湍流状态，提高膜表面湍流程度，可抑制膜表面浓差极化层形成，进而减缓膜污染。膜面流速直接影响膜面水力状况，可减缓膜表面滤饼层形成，进而影响膜污染过程。［1-3］因此，循环泵的流量选择尤为重要，通过变频调节循环泵流量来调节膜表面流速；(3)膜清洗系统。根据运行情况设置好清洗时间和频率，以及合适的清洗液尤为关键。当发生以下情况需要考虑清洗：一般 1～3 个月建议清洗一次；根据来水情况，系统停机超过 3 天以上，必须进行化学清洗；在系统初次运行前采用水冲洗；当膜系统处理能力达不到设计或运行要求时；膜通量比正常通量下降 20%或膜的压力降比正常高 10%，必需进行化学清洗；为了定性的评估效果，不同清洗药液清洗后的出水通量必须记录，并在使用中进行清洗效果对比。

4 结语

(1)管式超滤膜运行压差、产水水质与进水水质、清洗频率和管式膜自身结构等均有关系。膜通量、表面流速和清洗系统的设计至关重要；(2)管式超滤膜具有宽流道，高耐污染性，通量大等优势，逐渐替代常见沉淀及过滤处理设施，减少处理环节，节省占地，在水质较差的反渗透浓水处理中应用良好；(3)系统采用管式超滤膜，可以软化钙镁离子，耐受很高的污泥浓度和抗水质冲击等特点，产水水质好，可以有效的保护反渗透，确保了系统的运行良好。