超濾自動控制系統在中水回用井下改造工程中的應用

孫彩宏　朱家斌

【摘 要】曉明礦按照集團公司要求，遵守國家環保項目的有關規定，為實現污水綜合利用和零排放目標，于2012年底投產建設了一座綜合污水處理廠，集中處理生活污水與工業污水。經過一年的調試與運行，中水指標符合設計要求，但無法達到井下機械設備回用水標準。為解決此問題，根據現有的實際情況和治理目標，在處理工藝上投入超濾自動控制系統，實現中水回用井下，以期取得節能減排的實效。

【關鍵詞】中水；超濾自動控制系統；回用井下

0 引言

現在污水處理廠處理后的中水主要是懸浮物超標，影響井下設備的正常運轉。本文對超濾自動控制系統在中水回用井下改造工程進行了分析和設計，論證了對現有中水進行再處理作為井下機械設備回用水可以實現節能減排的問題，可作為實際工程的參考。

1 超濾自動控制系統原理

超濾處理的目的就是去除水中一些較粗的顆粒和雜質、懸浮物和異味、余氯、有機物、等以及降低水中的硬度。超濾膜最適于處理溶液中溶質的分離和增濃，或采用其他分離技術所難以完成的膠狀懸浮液的分離。[1]每米長的超濾膜絲管壁上約有60億個0.01微米的微孔，其孔徑只允許水分子、水中的有益礦物質和微量元素通過，而最小的細菌的體積都在0.02微米以上，因此，細菌以及比細菌體積大得多的膠體、鐵銹、懸浮物、泥沙、大分子有機物等都能被超濾膜截留下來，從而實現了凈化過程。

超濾自動控制系統采用現場PLC自動控制和遠程計算機控制相結合，實現現場無人值守，集中管理。

2 基礎數據

2.1 中水來源

中水回用井下改造工程的水源主要是工業污水和生活污水處理后的中水。

2.2 處理水量

設計超濾裝置處理能力為1200m3/d，24小時連續、全自動運行。

2.3 出水水質

處理水回用標準：經污水處理廠處理的污水除了達到《城市污水再生利用城市雜用水水質標準》、《城市污水再生利用國家標準》的要求（見表1），還要滿足井下機械設備使用的要求，即濁度低于0.5度。

3 工藝流程及改造設備選型

根據曉明礦現場的實際情況，結合現在成熟的水處理技術，在考慮一次性投入、運行成本及環境保護等綜合因素，特別考慮以超濾為核心的水處理裝置；考慮到生產的可靠性，采用兩套50T/h的超濾水處理裝置，以便一臺檢修，另一臺可繼續產水。全自動運行，無需人員干預。

3.1 工藝流程

清水池→潛水泵→保安過濾器→超濾→輸出水泵→400立水倉 →用戶；井下生產過程中產生的廢水收集后也可以進入超濾進行處理，處理后供給井下使用。

3.2 設備改造選型（單套50T/h）

3.2.1 潛水泵

從清水池抽水，輸出給保安過濾器，該泵變頻控制，恒壓供水。深度處理時主要用于運行時克服超濾裝置的阻力，同時提供足夠的水流量循環，即超濾產生的濃水又回流到清水池。通過進水的低壓控制閥可防止其缺水而空轉。

為了克服超濾系統的阻力，選用泵揚程：35m；流量：100T/h；考慮富裕量需要，則選用泵型號：100WQ100-35-18.5；數量：2臺（一備一用）。

3.2.2 保安過濾器

在超濾裝置前配置5um保安過濾器，以防止雜質顆粒等進入超濾膜，以延長超濾裝置的使用壽命。本系統采用外松內緊式的PP濾芯，水由外向內過濾，可以防止濾芯被堵塞，以延長其使用壽命。上部具有排氣閥，可以防止空氣進入泵而損壞泵，下部具有排污閥，可以隨時排掉截留的雜質。更換周期：0.5～1年。

設計計算：

3.2.3 超濾膜組件

設計兩套50T/h的超濾裝置獨立或并聯運行，同時當兩套裝置的不同部件出現故障時，通過控制切換可立即組合一套裝置運行，保證生產用水。配置在線清洗裝置，不用拆開，可方便地進行清洗。

超濾中空纖維柱式膜過濾是一個壓力驅動的膜分離過程，它能夠將顆粒物質從流體及溶解組份中分離出來。對于膠體、淤泥、藻類、隱孢子蟲、賈地鞭毛蟲、大腸桿菌、細菌和大多數病毒等具有很高的去除率。[2]選用中空纖維柱式膜組件，外壓式，膜材質為聚偏氟乙烯PVDF，選用的膜孔徑為0.45μm的微孔過濾膜，中水初始流量2-7t/h，考慮不利情況和進水溫度影響，選柱式膜組件30只（單套），錯流過濾，濃水回流。

3.2.4 輸出水泵

輸出水泵的作用是為中水回用于井下提供穩定的壓力和水量。本系統配置型號為CDL65-20-1的水泵2臺（一備一用），正常出力為50m3/h，揚程為30米，功率11kW。

3.2.5 超濾清洗裝置

膜運行一段時間后，可能有滋長細菌、結垢等現象，這會造成膜孔堵塞，使產水水量、產水水質下降。清洗超濾裝置包括水反洗、氣洗和藥洗。在超濾裝置正常運行的過程中就需對膜進行水洗和氣洗來恢復其產水能力；而當產水水量或產水水質下降10～15%時，就需對膜進行藥洗來恢復其產水能力。

3.2.6 水反洗系統

1）反沖洗水泵一臺，型號為CDL120-20-1，流量100T/h，揚程30m，功率18.5 kW。

2）不銹鋼中間水箱一個（25立），水源來自于超濾裝置凈化后的清水。

3）全自動控制，水反洗時間25秒。

3.2.7 氣洗系統

1）利用壓縮空氣氣洗膜。

2）空氣壓縮機型號為W-0.6/12.5，排氣量0.6m3/min，功率5.5kW。

3）空氣壓縮機配備儲氣罐，容積170L，壓力1MPa。

4）全自動控制，氣洗時間30秒。

3.2.8 藥洗系統

本系統只需將一定量的清洗藥劑加入貯藥箱，啟動藥洗開關即可，這樣方便快捷，省時省事，同時藥洗效果好。根據污染的程度不同，可適當延長藥洗的時間與次數。為了達到最佳的藥洗效果，每套系統的每段超濾膜獨立藥洗，以防止前段的污水污染后一段膜。

藥洗周期：半年左右；每次藥洗時間：4小時左右。

清洗藥劑：檸檬酸或其它藥劑。

稀釋藥劑水源：來自于超濾裝置凈化后的清水。

單支膜需藥洗液體積：輕度污染34L；重度污染：55L。

每次藥洗膜的支數：30支（第一段膜），則藥洗液量：1650L，管路需溶液量按20%計算則總的藥洗溶液量：1980L。

選用貯藥箱規格：2400L；數量：1個。

單支藥洗壓力要求：小于0.4MPa。

單支膜殼的進口流量：6～9.1T/h。

藥洗的最大流量：30～45T/h。

則選用不銹鋼化學藥洗泵的流量：45T/h、泵的揚程：15m、功率：4kW、選用泵型號：CDL16-4、數量：1臺。

3.3 系統儀表設置

超濾裝置產水、超濾后的濃水和水反洗超濾裝置用水裝設電磁流量計；氣洗超濾裝置裝設氣體流量計；保安過濾器進口、超濾后的濃水及水反洗超濾裝置裝設壓力變送器及就地壓力表；中間水箱和貯藥箱裝設液位變送器。

4 控制監測

4.1 儀表

1）按工藝要求，儀表檢測和控制范圍主要是超濾系統的正常運行和清洗，由單獨一套PLC設備完成。

2）加藥量的控制應實現實時自動添加，同時實現手動調節操作的目的。

3）整套超濾系統的具有有關壓力、流量、液位、溫度、分析儀表等測量參數的顯示和報警。

4.2 自控系

1）簡化回流工藝流程如下：

（1）正常運行：V1、V2、V3、源水泵開，其余關。（30分鐘）

（2）氣擦洗水反洗：V4、V6、V7、反洗泵開，其余關。（30秒）

（3）水反洗：V4、V5、V7、反洗泵開，其余關。（25秒）

（4）大流量排污：V1、V7開，其余關。（12-15秒）

2）本系統的控制范圍是超濾系統的自動控制，具體控制項目如下：

（1）超濾進水壓力要求限制低于0.35MPa。

（2）當超濾膜壓差>0.2MPa時，延時5秒，激活報警并超濾裝置停機。

（3）正常運行時，按“正常運行→氣擦洗水反洗→水反洗→大流量排污→正常運行”循環進行，根據超濾膜的污染程度，反洗程序可以重復數次。

（4）程序轉換時需考慮緩沖時間應在實際編寫程序時考慮。

3）設備控制功能：超濾裝置閥門、水泵的控制狀態指示、自動、就地操作指示及連鎖選擇。

4）超濾系統投運、停運、清洗過程狀態顯示。

5）超濾產水、濃水瞬時及累積流量指示。

5 經濟效益分析

中水： 1.15元/t。

工業用電：0.78元/度。

工人工資： 2200 元/月。

管理費：2000*5%=100元/月。

藥劑：60元/kg。

1）電費：57.5 kW×0.78元/度×24h=1076.4元/天

2）藥劑費：72g/天÷1000×60元/kg=4

3）人工費：需增加運行人員3人。（2200+100）元/月×3人÷30天=230元/天

4）折舊費：年折舊費69000元，189.04元/天。

5）運行費用：運行費用為電費、藥劑費、人工費、折舊費的總和。運行費用為1499.76元/天，折合噸水成本為1.25元/m3。

6）總成本：1.15元/t+1.25元/t=2.4元/t

原井下用水量每天約為600m3，自來水費為10元/噸，改造后每年可節約水費：

600m3/天*365天*（10-2.4）元/m3=166.44萬元

超濾處理技術投資約合85萬元，年節約費用166.44萬元，一年即可收回全部投資。

6 結語

為了提高綜合污水處理廠污水回用率、保障井下機械設備的安全運行，采用超濾自動控制系統，可有效地去除現有中水中一些較粗的顆粒和雜質、懸浮物和異味、余氯、有機物、等以及降低水中的硬度，使中水達到井下機械設備回用標準，減少清水的使用量，具有顯著的經濟、社會和環境效益。

【參考文獻】

[1]馮敏.工業水處理技術[M].北京：海洋出版社，1992.

[2]任建新.膜分離技術及其應用[M].北京：化學工業出版社，2003.

[責任編輯：田吉捷]