馮暨偉

(華電水務(wù)膜分離科技(天津)有限公司，天津 300143)

0 引言

內(nèi)蒙古華電烏達(dá)熱電有限公司(以下簡稱烏達(dá)熱電)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市內(nèi)，全廠水源原設(shè)計為近河道的自備井地下水。由于近年來內(nèi)蒙古自治區(qū)不斷提升環(huán)保指標(biāo)要求，烏達(dá)熱電需停止使用地下水作為全廠水源，生產(chǎn)用水水源改為當(dāng)?shù)厥姓鬯畯S達(dá)標(biāo)排放水，黃河水作為備用水源，生活用水水源改為市政自來水。由于市政污水處理廠提供水源為低污染類水源，有機(jī)物含量較高，為了節(jié)約用水，考慮新建規(guī)模為97 m3/h的冷卻塔排污水回收系統(tǒng)。同時，考慮到系統(tǒng)運行安全和遠(yuǎn)期擴(kuò)建需要，設(shè)計建設(shè)3套每套出力為49 m3/h的循環(huán)冷卻水回收系統(tǒng)，正常運行2套，循環(huán)備用1套。市政污水處理廠提供水源通過該回收系統(tǒng)處理后，作為電廠生水補(bǔ)充水源回用到電廠生產(chǎn)用水中。

表1 水質(zhì)一覽

注：①全硬度以CaCO3計；②全堿度以CaCO3計；③ GB/T 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水水質(zhì)指標(biāo)要求；④換熱器為銅合金換熱器時。

1 水質(zhì)分析

烏達(dá)熱電水源由近河道地下水改為市政污水廠達(dá)標(biāo)排放水，水源類型由水質(zhì)優(yōu)異的地下水調(diào)整為受污染的回用水，使整個電廠水處理系統(tǒng)都面臨較大的運行風(fēng)險，因此，需要根據(jù)水源特性，選擇有針對性的工藝應(yīng)對方案。項目配套的市政污水處理廠水源水質(zhì)和循環(huán)水排污水回用取水點采樣水質(zhì)見表1。由表1可見，循環(huán)排污水水質(zhì)由于其濃縮倍率提升，表現(xiàn)為堿度、硬度、氯離子等增加，同時水中有機(jī)污染物指標(biāo)化學(xué)需氧量(COD)也相應(yīng)增高[1-2]。在分析水源水質(zhì)時，應(yīng)重點考慮控制有機(jī)污染物，減少對反滲透膜造成的污染。綜合目前成熟的應(yīng)用工藝技術(shù)，選擇機(jī)械加速澄清池和超濾的組合工藝作為反滲透預(yù)處理工藝，通過投加藥劑使污染物通過團(tuán)聚和分子鍵橋聯(lián)、靜電吸附等作用[3-4]，形成穩(wěn)定的礬花沉淀下來，依靠超濾技術(shù)將水中不易沉降的懸浮物進(jìn)一步除去。

2 工藝流程

根據(jù)循環(huán)水排污水水質(zhì)特點，重點控制其懸浮物和有機(jī)污染物，通過比較確定工藝流程為“機(jī)械加速澄清池+浸沒式超濾+反滲透系統(tǒng)”，具體如圖1所示。其中，超濾組件選用HFS-30型浸沒式中空纖維超濾膜元件。

圖1 循環(huán)冷卻排污水回用流程

物質(zhì)、大直徑懸浮物膠體等。機(jī)械加速澄清池具有處理效果較穩(wěn)定、適應(yīng)性較強(qiáng)的特點，常作為電廠原水預(yù)處理工藝，但其運行操作有較高技術(shù)要求，加藥量、藥劑類型、水溫、藻類、攪拌器轉(zhuǎn)速等都會影響出水效果，甚至?xí)霈F(xiàn)礬花無法沉降的“翻池”現(xiàn)象，造成出水水質(zhì)超標(biāo)。

浸沒式超濾膜是將膜組件放置在膜池中，通過負(fù)壓抽吸或虹吸自流方式過濾水，通常用于原水水質(zhì)波動較大的中水回用或已有濾池改造項目上。由于開放式的膜池結(jié)構(gòu)，使其具有進(jìn)水水質(zhì)要求較寬松、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、對預(yù)處理的要求較低等特點[5]；同時，具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、占地面積小、運行成本低等優(yōu)勢，可用于反滲透前處理，去除膠體、濁度、細(xì)菌、病毒等，達(dá)到反滲透系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)要求。浸沒式超濾對預(yù)處理的要求較低、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，因此，應(yīng)用于污染較嚴(yán)重的水質(zhì)處理和規(guī)模較大的工程時，更具優(yōu)勢。

反滲透技術(shù)主要用于除鹽，需要對反滲透膜的進(jìn)水污染指數(shù)(SDI)、進(jìn)水濁度進(jìn)行控制，通常要求SDI不高于4，濁度不高于0.2 NTU。反滲透前的預(yù)處理效果越好，出水水質(zhì)越穩(wěn)定，反滲透膜運行越穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 浸沒式產(chǎn)品特點

HFS-30型浸沒式膜產(chǎn)品是一種具有內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)型浸沒式中空纖維膜產(chǎn)品，可應(yīng)用在浸沒式超濾和膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝中。

浸沒式超濾系統(tǒng)流程如圖2所示，其工作方式為HFS-30膜箱直接浸沒在曝氣池中，或?qū)⒛は溲b于單獨的膜池中。多個膜箱并排排布在一起形成一個膜列，直接與出水母管連接，出水母管再透過產(chǎn)水泵將過濾水抽出，在運行過程中通過鼓風(fēng)機(jī)曝氣，使得氣泡上升沖刷超濾膜表面，減少膜表面污染物附著。該項目所采用的浸沒式超濾膜產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格見表2。

3.2 烏達(dá)熱電水源切換超濾設(shè)計參數(shù)

浸沒式超濾用于循環(huán)水排污水回收利用，設(shè)置為3個系列單元，每個系列單元都能單獨運行，也可以同時運行，系統(tǒng)凈出力3×75 m3/h，2用1備。表3為超濾系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，膜凈通量為35 L/h，回收率不低于90%。浸沒式超濾系統(tǒng)共采用222支HFS-30浸沒式超濾膜片，膜池為防腐處理鋼結(jié)構(gòu)，共3個膜池，每個膜池設(shè)置1個膜框架單元，每個單元安裝74片浸沒式超濾膜片。

圖2 浸沒式超濾流程

項目典型值膜材料聚偏氟乙烯(PVDF)膜元件結(jié)構(gòu)方式帶襯簾式膜膜平均孔徑/μm<0.04膜元件表面積/m230最大透膜壓差/kPa80一般操作透膜壓差/kPa7～50最大反洗透膜壓差/kPa69最大操作溫度/℃40.0產(chǎn)水懸浮物/(mg·L-1)<1產(chǎn)水濁度/NTU≤0.2

3.3 浸沒式超濾系統(tǒng)運行參數(shù)

浸沒式超濾系統(tǒng)的運行分為產(chǎn)水、反洗、化學(xué)加強(qiáng)洗和化學(xué)清洗幾個部分。其中，日常制水過程中按照“產(chǎn)水+反洗”運行，固定間隔時間進(jìn)行化學(xué)加強(qiáng)洗，當(dāng)化學(xué)加強(qiáng)洗無法保證運行跨膜壓差在50 kPa以內(nèi)運行或每3個月到期時，需要進(jìn)行離線化學(xué)清洗。浸沒式超濾膜是將超濾膜置于構(gòu)筑物內(nèi)，污水進(jìn)入構(gòu)筑物后接觸到超濾膜外表面，超濾膜通過膜抽吸水泵的作用，將清水透過膜孔進(jìn)入膜管內(nèi)側(cè)從而分離出來，將污水中的顆粒物、污染物截留在水中。系統(tǒng)運行一定時間后，需要程序控制對膜組件進(jìn)行反沖洗。反沖洗的主要目的是，防止?jié)B濾液中的污染物在膜表面沉積，利用清水反向沖洗，使膜外表面的污染物質(zhì)剝落下來。一般每次反洗時長為0.5～1.0 min，超濾膜每過濾15.0～30.0 min進(jìn)行一次反洗。反洗時曝氣風(fēng)機(jī)同時啟動，對膜絲表面進(jìn)行空氣擦洗，清除表面附著的污染物。為保持膜的長期運行，需要定期對膜進(jìn)行短期的化學(xué)加藥浸泡，減緩膜表面的污染。通常為1～3天1次，每次30.0 min，可以根據(jù)污染物的不同選擇不同的清洗劑。為保持膜的性能，膜組件應(yīng)該定期進(jìn)行化學(xué)清洗，一般推薦3個月進(jìn)行1次化學(xué)清洗。浸沒式超濾膜系統(tǒng)詳細(xì)運行參數(shù)見表4。

表3 浸沒式超濾系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

表4 浸沒式超濾膜系統(tǒng)詳細(xì)運行參數(shù)

4 運行分析

系統(tǒng)自2016年10月正式投運，至今已超過1年，運行效果良好，出水水質(zhì)穩(wěn)定，確保了后續(xù)工藝系統(tǒng)的安全運行。

4.1 進(jìn)水溫度變化

在浸沒式超濾裝置運行時，記錄超濾進(jìn)水溫度，由于循環(huán)排污水經(jīng)過自然冷卻后水溫基本上維持在20.0 ℃左右，水溫隨季節(jié)性變化有一定同向趨勢(如圖3所示)，溫度波動范圍為11.5～28.7 ℃。

圖3 進(jìn)水溫度變化趨勢

水溫對運行工況的影響主要體現(xiàn)在，水溫越低，水的黏度越高，造成運行壓力升高，一般運行時，操作壓力控制不變的情況下，僅水溫的變化就會造成膜通量的對應(yīng)變化。一般浸沒式超濾標(biāo)準(zhǔn)運行溫度為25.0 ℃，與之偏差會造成溫度對膜通量的影響，因此，對于膜運行工況的分析，需要進(jìn)行溫度校正后得到標(biāo)準(zhǔn)化運行參數(shù)，本項目的校正系數(shù)為0.46～1.15。

4.2 通量變化(溫度標(biāo)準(zhǔn)化)

本項目日常運行主要為電廠提供備用水源，基本上為單套開啟，剩余2套輪換備用；冬季供熱時，為2套開啟，1套備用。電廠運行主要通過超濾開啟套數(shù)和超濾產(chǎn)水箱進(jìn)行水量調(diào)節(jié)，因此，考察運行數(shù)據(jù)主要研究單套運行通量變化趨勢，并按照溫度校正系數(shù)將通量轉(zhuǎn)換成25.0 ℃標(biāo)準(zhǔn)條件下的標(biāo)準(zhǔn)化通量變化趨勢進(jìn)行研究。浸沒式超濾膜運行通量及標(biāo)準(zhǔn)化通量變化趨勢如圖4所示。

圖4 浸沒式超濾膜運行通量及標(biāo)準(zhǔn)化通量變化趨勢

由圖4可知：隨時間的變化，系統(tǒng)凈通量維持在35 L/h左右；經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后發(fā)現(xiàn)，隨運行時間增加，標(biāo)準(zhǔn)化通量有降低趨勢，但趨勢平緩。因此，可以判斷存在一定量的不可逆膜污染，但其污染量較小，目前的清洗方式有效果。

4.3 跨膜壓差變化

按照“跨膜壓差(TMP)=進(jìn)水壓力-出水壓力”公式計算出跨膜壓差，由于進(jìn)水壓力為零，出水壓力為自吸泵負(fù)壓，故浸沒式超濾膜的跨膜壓差在不考慮液位差和管道損失的情況下，可近似視為自吸泵的運行壓力。對浸沒式超濾跨膜壓差變化趨勢進(jìn)行研究，得出其變化趨勢曲線如圖5所示。

圖5 浸沒式超濾膜跨膜壓差變化趨勢

由圖5可知，跨膜壓差隨系統(tǒng)運行時長增加而增大，經(jīng)過1年的運行數(shù)據(jù)分析，其跨膜壓差基本穩(wěn)定在25 kPa左右，系統(tǒng)運行較穩(wěn)定。

4.4 濁度去除效果

通過對超濾系統(tǒng)進(jìn)水母管濁度和超濾裝置產(chǎn)水濁度對比分析(如圖6所示)，可直觀了解超濾膜濁度去除效果。由圖6可知，超濾系統(tǒng)原水濁度存在一定幅度波動，超濾裝置出水的濁度一般維持在0.1 NTU以下，能很好地滿足反滲透進(jìn)水濁度的要求?？梢钥闯觯瑸V裝置對濁度的去除效果非常明顯，并且在水質(zhì)有波動的情況下，依然能保證水質(zhì)穩(wěn)定。

圖6 浸沒式超濾膜濁度去除效果

4.5 產(chǎn)水SDI變化

浸沒式對超濾膜產(chǎn)水SDI變化趨勢如圖7所示，可以看到，超濾系統(tǒng)出水SDI都在3以下，說明浸沒式超濾應(yīng)用在循環(huán)冷卻排污水回用項目上，可確保產(chǎn)水SDI較為穩(wěn)定，運行可靠。

目前，在反滲透膜的進(jìn)水水質(zhì)要求方面，SDI是個關(guān)鍵指標(biāo)，一般要求小于4即可滿足要求。本項目循環(huán)冷卻排污水經(jīng)過浸沒式超濾膜過濾后，SDI基本上小于3，可滿足進(jìn)入反滲透膜的進(jìn)水SDI要求。

5 結(jié)束語

電廠循環(huán)水綜合利用是目前電廠在減排方面的重點研究領(lǐng)域，本文介紹了HFS-30超濾膜在北方內(nèi)陸地區(qū)電廠實施循環(huán)排污水回用節(jié)水減排項目上的應(yīng)用情況。該項目于2016年8月投入運行至今，水質(zhì)達(dá)標(biāo)，超濾及后續(xù)反滲透系統(tǒng)運行效果良好。從超濾運行數(shù)據(jù)分析，循環(huán)冷卻水排污水溫度變化不大，溫度波動對通量的影響較小，由于水質(zhì)特點，機(jī)械加速澄清池的出水有較大的波動性，雖然超濾進(jìn)水濁度波動較大，但通過浸沒式超濾膜過濾后，能保證出水濁度穩(wěn)定在0.1 NTU以下，SDI維持在3以下。國產(chǎn)浸沒式超濾膜的可靠性在烏達(dá)熱電運行中得到了檢驗，出水水質(zhì)優(yōu)良，過濾效果明顯。

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