雙膜法中水廠反滲透系統運行分析

王金龍

(青島錦龍弘業環保有限公司,山東青島 266555)

反滲透工藝是最常用的脫鹽技術。隨著國家對于水資源回用的進一步重視,反滲透應用場景及規模將進一步擴大。工程實踐中,各水廠反滲透膜性能及壽命存在較大差異,雖然水質、預處理流程、膜材質等影響較大,但也與運行方法密切相關。尤其以中水源為原水的雙膜工藝,運行更為復雜,受進水水質及水質變化影響更大,更需要提出優化措施予以應對,確保膜性能的維持。青島某中水源雙膜工藝設計產水量為2萬m3/d,以污水廠出水為原水,工藝流程為高密度沉淀池→超濾→反滲透,脫鹽水用于供給周邊工業企業[1-2]。本文分析了中水源雙膜水廠反滲透4年運行效果,提出了優化運行維持膜性能并延緩膜性能衰減的工程措施,旨在為反滲透工藝的運行提供參考。

1 材料與方法

1.1 反滲透系統概況

反滲透系統設計5組,單組產水量為181.5 m3/h,每組39支壓力容器,分兩段,排列比為26∶13,每個壓力容器內裝有7支反滲透膜,5組共計1 365支膜。反滲透膜型號為BW30XFR-400/34,運行壓力為1.5～2.5 MPa,回收率為72%,單支膜的膜面積為37 m2,產水膜通量(MF)為17.96 L/(m2·h)。反滲透給水泵5用1庫備,單臺設計流量為252 m3/h,揚程為45 m;反滲透高壓泵5臺,單臺設計流量為252 m3/h,揚程為170 m;一級反滲透段間增壓泵5臺,單臺設計流量為128 m3/h,揚程為45 m;一級反滲透沖洗泵1用1庫備,單臺設計流量為130 m3/h,揚程為40 m。各水泵均為臥式離心泵。阻垢劑采用母管投加,還原劑與反滲透一一對應投加。系統的主要藥劑,如阻垢劑、還原劑、非氧化殺菌劑均采用國產品牌。非氧化殺菌劑采用溴類、異噻唑啉酮類兩種,定期交替使用。清洗采用常規方法并根據現場優化。反滲透進水水質如表1所示。

表1 反滲透進水水質Tab.1 Influent Quality of Reverse Osmosis

1.2 在線維護性清洗

反滲透系統在線清洗除按照一般的要求達到清洗條件需及時清洗以外,一般1.5～2.0個月也需要進行維護性在線清洗。當運行時間較長時,壓差上升或產水量降低幅度較小,說明系統已出現輕度污染,在系統運行負荷不高時,進行在線維護性清洗,即降低清洗加藥量、清洗時間,尤其pH值應控制在11.0左右,如表2所示。

表2 清洗藥劑量對比Tab.2 Comparison of Cleaning Dose

1.3 分析測試方法與主要符號

氧化還原電位(ORP)、電導率采用在線儀表測定,分別為哈希的P33A1NN+RD1R5、C33A1NN+3422B3A;其余指標均采用國標法測定。阻垢劑性能測試根據《水處理劑阻垢性能的測定 碳酸鈣沉積法》(GB/T 16632—2008)。

主要術語符號包括脫鹽率(desalination rate,DR)、標準化脫鹽率(standardized desalination rate,SDR)(膜元件在標準狀態下測定的DR)、膜壓差(membrane pressure drop,MPD)、MF、標準化膜通量(standardized membrane flux,SMF)(膜元件在標準狀態下測定的MF)、標準化膜通量保持率(standardized membrane flux retention rate,RR)、進水壓力增長倍數(PR),部分指標計算如式(1)～式(6)。

(1)

ΔP1=Pinf-P1

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

其中:NRR——RR的值;

ASMF——當年SMF均值,L/(m2·h·MPa);

ASMF0——初始SMF,L/(m2·h·MPa);

ΔP1——一段壓差,MPa;

Pinf——進水壓力,MPa;

P1——一段壓力,MPa;

PPR——PR的值;

Pave——當年進水壓力均值,MPa;

P0——進水壓力初始值,MPa;

SSDR——SDR的值,工程中采用膜初始運行時的100 d數據平均值作為初始值;

CTDS——溶解性總固體質量濃度,mg/L;

Q——產水量,m3/h;

T——溫度校正系數;

Cave——進水與濃水間平均質量濃度,mg/L;

Qe——標準化產水量,L/(m2·h);

QSMF——SMF的值,L/(m2·h·MPa);

ΔPe——標準化壓降,MPa;

Pe——標準條件下的驅動壓力,MPa;

Pact——實際驅動壓力,MPa,工程中采用膜初始運行時的100 d數據平均值作為初始值。

2 反滲透系統運行效果

以系統剛運行100 d數據作為初始值,SMF為85.82 L/(m2·h·MPa),SDR為98.7%,MPD為0.08 MPa。系統自2017年初開始運行,已穩定運行4年。期間進水電導率呈季節性波動,夏季進水電導率相對較低,為1 600～3 500 μS/cm;冬季進水電導率相對較高且波動大,為3 000～5 500 μS/cm。低溫是運行難點,且低溫季節進水電導率高,相關數據更具有代表性,故選取各年冬季水溫＜20 ℃時的數據進行分析。對系統SDR和DR進行比較,結果如圖1所示。

圖1 反滲透SDR和DRFig.1 SDR and DR of Reverse Osmosis

SDR均值能夠整體反映系統的膜性能變化情況。由圖1 可知,運行4年,系統SDR均值呈現先快速降低而后平穩降低的趨勢。新膜投入使用后,2017年SDR降低0.2%,屬于正常降幅。2018年夏天系統SDR開始迅速下降,SDR最低降至98.0%,經排查確認為自控程序問題,優化程序后SDR逐步恢復,但2018年SDR仍降至98.2%,相比初始降低了0.5%。2018年的SDR穩定性較差,箱體較長,且比DR箱體長,顯示出系統脫鹽性能實質性下降。2019年系統SDR均值為98.0%,較初始降低了0.7%,但下降趨勢已得到緩解,箱體縮短。2020年SDR均值為97.9%,較初始降低0.8%,相比前一年僅降低0.1%,箱體進一步縮短,SDR已趨于穩定。運行4年,SDR均值平均年下降0.2%。2018年系統出現DR問題后,雖逐步恢復,但后續反滲透化學清洗時,系統DR波動較大,運行約1周時間會恢復穩定。

用戶對用水電導率的要求較高,要求出水電導率＜150 μS/cm。進水受季節影響較大,雖然全年電導率平均值僅為3 100 μS/cm,但冬季進水電導率98%保證率可達4 000 μS/cm。系統設計進水電導率＜4 200 μS/cm,DR需維持在96.4%以上。鑒于保證穩定供水的要求,應同時分析98%保證率時系統DR的情況。系統初始98%保證率DR為98.4%,始終處于下降趨勢,至2020年降至97.4%,4年平均每年降幅為0.25%。2020年系統DR箱體比SDR箱體長,主要是進水電導率波動較大所致。系統已經穩定運行4年,按SDR及98%保證率DR降低變化趨勢預測,系統DR降至96.4%以下將至少可累計使用7年,顯示出較長的膜運行平均壽命,系統運行良好。馬麗媛等[3]運行以市政污水為水源的雙膜水廠,反滲透DR經過3年從98.0%降至88.0%,更換新膜僅半年DR即下降5%。與之相比,本項目DR下降緩慢,顯示出更好的膜脫鹽性能。

系統SMF和MF、進水壓力和一段壓差分別如圖2、圖3 所示。2017年SMF均值為(54.30±13.12) L/(m2·h·MPa),RR為63.3%,且整體波動較大,主要是系統剛運行,加藥控制不精準,導致膜出現鋁膠體污染。在線清洗后,SMF波動較剛運行時大幅降低。2018年SMF均值為(48.00±5.90) L/(m2·h·MPa),RR為55.9%,由于系統內污染物累積,SMF繼續下降,但系統穩定性得以提高。由于反滲透系統各壓力容器為7支膜,在線清洗效果不理想,2019年逐步離線清洗,效果顯著,SMF逐年上升,至2020年均值已恢復至(54.08±9.43) L/(m2·h·MPa),RR為63.0%,幾乎恢復至2017年水平。雖然離線清洗能夠較好地恢復SMF,但是穩定性較之前相比變差,顯示2020年SMF箱體較長。SMF的下降,意味著系統能耗的增加,從進水壓力變化看更加顯著。

圖3 反滲透進水壓力和一段壓差Fig.3 Inlet Pressure and First Section Differential Pressure of Reverse Osmosis

進水壓力和一段壓差均呈現先上升后下降趨勢。2017年,進水壓力均值由初始的0.99 MPa上升至1.16 MPa,PR約為1.17,一段壓差增長了0.07 MPa,增長了近1倍。而2018年進水壓力均值增加較少,主要是總體供水量減少所致,但一段壓差繼續增長。雖然2019年開始離線清洗,SMF得以快速恢復,但由于供水量較大,提高了進水壓力加大產水,對應的一段壓差開始下降,已降至2017年水平。一段反滲透主要受膠體有機物、細菌污染,殺菌、清洗后壓差逐步恢復。2020年得益于離線清洗,進水壓力進一步降至1.19 MPa,PR約為1.20,一段壓差與初始值相比僅增大62.5%,低于2017年運行第一年水平。2020年進水壓力箱體較長,主要是離線清洗前后,進水壓力波動較大導致。經檢測,系統二段壓差一直穩定在(0.11±0.02) MPa,無波動。

與其他類似水廠對比,結果如表3所示。威海中水回用單位,與污水廠為同一單位運行,出水水質相對較好;反滲透使用4～5年,DR降至95%左右;運行第4年需更換系統約30%的反滲透膜,第5～6年各更換剩余的35%,平均膜壽命在5年。淄博中水回用單位,反滲透一般使用3年,全部更換后DR降至85%。本廠與對比水廠相比,工藝類似,但進水水質更差,但不論是膜平均壽命(預期壽命)、SDR(98%保證率)、RR均遠優于其他水廠,顯示出更好的運行質量。

表3 不同水廠反滲透膜性能比較Tab.3 Comparison of Reverse Osmosis Membrane Performance among Different WTPs

3 反滲透運行工程經驗總結

3.1 自控程序優化

2018年夏季出現了DR大幅降低的情況,檢查了壓力容器進水端蓋及密封圈機械損壞等情況,排除密封不嚴的可能性。進一步檢測各壓力容器DR,并進行探針測試,測定壓力容器內各支膜的DR,如圖4 所示。從結果可知,一段壓力容器DR正常,可以排除化學清洗造成不可逆膜損傷或進水水質問題;二段壓力容器DR顯著下降,且越靠近濃度水端的膜,DR下降越顯著,懷疑是濃水端背壓導致。系統自控程序中,有一段為“開高壓泵→高壓泵達到運行設定值→關濃水排放閥→關不合格產水排放閥”。此步序能保證系統剛運行時,進水壓力不足、電導率較高的產水排放,不影響產品水池內的水質。但在不合格產水閥門關閉瞬間,反滲透產水分兩路,即一段進水端產水側和二段濃水端產水側,且壓力前者高后者低,出現輕微“水錘”現象。長時間運行,導致濃水端末端膜產生背壓現象,DR顯著降低。將自控第二段程序優化為“關濃水排放閥→關不合格產水排放閥→開高壓泵→高壓泵達到運行設定值”,防止背壓。程序調整后,DR逐步恢復,但仍受到了不可逆損傷,較之前有所降低,不符合要求時僅能進行膜更換。

圖4 反滲透各支膜DRFig.4 DR of Each Branch Membrane of Reverse Osmosis

3.2 藥劑控制

運行初期,反滲透系統的阻垢劑及殺菌劑均使用進口品牌藥劑。為節約運行成本,對比了國產藥劑與進口藥劑的效果,如表4、表5所示。阻垢小試試驗表明,幾組藥劑的阻垢性能為C＞;D＞;B＞;A,國產阻垢劑能夠滿足運行要求。廠內于2019年開始更換國產藥劑,已使用2年,系統運行未受藥劑更換影響,大大節約了運行費用。阻垢劑一般加藥量為3 mg/L,若原水電導率及Ca2+、Mg2+含量不高時,可適當降低加藥量,以節約藥劑成本。

表4 不同阻垢劑效果對比Tab.4 Effects Comparison of Different Scale Inhibitors

表5 不同殺菌劑效果對比Tab.5 Effects Comparison of Different Fungicides

對于預處理良好的反滲透系統,控菌是確保運行穩定的第一要務,一旦出現微生物污染并形成生物膜,難以恢復。張子瀟等[4]認為,非氧化殺菌劑每周投加2次時,反滲透月標準化產水量下降得到極大緩解。本項目采用沖擊式殺菌和清洗水箱殺菌兩種模式,每3 d殺菌1次,按照2次清洗水箱殺菌、1次沖擊式殺菌方式交替進行。沖擊式殺菌,每3 d殺菌1次,夏季120 mg/L,冬季100 mg/L,沖洗殺菌20 min+浸泡40 min+沖洗殺菌20 min+清水沖洗。清洗水箱殺菌,夏季1 000 mg/L,冬季600～800 mg/L,一段二段分開殺菌同時進藥,先二段殺菌1.0 h,再一段殺菌1.5 h,殺菌后沖洗干凈。清洗水箱殺菌濃度高、流量大,殺菌效果好。沖擊式殺菌,可將保安過濾器一同殺菌。殺菌小試結果如表5所示,幾組藥劑的滅菌效果為c＞;b＞;d＞;a＞;e,顯示溴類殺菌劑效果顯著優于異噻唑啉酮,且國產藥劑與進口藥劑無顯著性差別,與薛偉等[5]研究結果一致。日常殺菌劑均用國產藥劑,使用溴類殺菌劑2～3個月后,更換為異噻唑啉酮殺菌劑,殺菌2～3次,同時提高異噻唑啉酮殺菌劑質量分數為30%,防止細菌產生抗性。若細菌數量降低,減少殺菌劑濃度而不降低殺菌頻率。若細菌數量仍較高,在超濾產水池投加異噻唑啉酮殺菌劑3～5 mg/L,每次殺菌4 h左右,2～3 d殺一次。

3.3 膜更換探討

膜更換的考量點主要有3個方面:產水量和DR、運行電耗、膜更換費用。當產水量和DR不能滿足供水要求時,只能換膜;但本項目此時這兩個指標仍能滿足用戶要求。進一步地,分析延長壽命導致運行費用增加和換膜費用的比較,尋求最優經濟平衡點。能耗主要體現在SMF和進水壓力方面。對于本廠,DR需維持在96.4%以上。經過4年運行,98%保證率時,系統DR從初始的98.4%降至97.4%,4年平均每年降幅為0.25%,系統DR降至96.4%以下前,將至少可累計運行7年;系統RR為63.0%,與運行第一年水平相當,顯示產水量方面較為穩定;MF角度也顯示膜產水能力能夠滿足要求;進水壓力穩定在1.19 MPa,PR約為1.20,一段壓差與初始值相比僅增大62.5%,但也低于第一年水平。反滲透主要能耗是給水泵和高壓泵,給水泵為定頻,相對固定;高壓泵頻率逐年變化如圖5 所示。2017年—2020年,高壓泵頻率分別為37、39、41、42 Hz,若能夠運行8年,預測高壓泵頻率將達到48 Hz,此時電費增幅年費用(相比于第一年)近178萬元。若更換膜預計822萬元,按4年分攤,年費用約為206萬元,且更換后膜電費亦會逐年升高。若從經濟角度考慮,則應盡可能長維持膜壽命,延緩換膜時間,獲得最大的經濟效果。

圖5 高壓泵頻率與電耗關系Fig.5 Relationship between High-Voltage Pump Frequency and Power Consumption

4 結論

1)中水源雙膜工藝反滲透穩定運行4年,膜性能保持良好,SDR均值為97.9%,較初始降低0.8%,平均年下降0.2%;98%保證率時,系統DR從初始的98.4%降至97.4%,平均每年降幅為0.25%;系統RR為63.0%,進水壓力穩定在1.19 MPa,一段壓差相比初始值僅增大62.5%,與運行第一年水平相當,預測膜平均壽命能夠達到7年。

2)通過優化自控程序、嚴格控制進水ORP及總氯、交替采用沖擊式殺菌和清洗水箱殺菌、保持在線維護性清洗等綜合手段,有效維持了膜性能,減緩膜性能衰減,延長膜壽命。

3)工程電耗核算及預測表明,更換膜費用大大超過膜壽命延長增加的電費,應盡可能長維持膜壽命,延緩換膜時間,獲得最大的經濟效果。

4)工程運行實踐表明,國產阻垢劑、非氧化殺菌劑能夠達到進口藥劑相同效果,降低運行費用。