精制稀土瓷砂濾料廠家陶瓷超濾膜在電廠化學水處理系統(tǒng)改造中的應用

　　精制稀土瓷砂濾料生產(chǎn)廠家陶瓷超濾膜在電廠化學水處理系統(tǒng)改造中的應用。本文介紹了CM大面積塊片式陶瓷超濾膜在電廠化學水處理系統(tǒng)的中試和應用情況。中試結果表明，對于經(jīng)混凝過濾預處理后的河水，CM陶瓷超濾膜可在333L/(m2·h)高運行通量和50min過濾時間下穩(wěn)定運行;對于未預處理的河水，陶瓷超濾膜也實現(xiàn)了原水直接過濾下穩(wěn)定運行。超濾改造時采用CM-151TM陶瓷超濾膜替換原有機中空纖維膜，CM陶瓷超濾膜的實際運行通量高于260 L/(m2·h)，反洗水量和化學加強反洗(CEB)頻率較原有機超濾膜減半，濁度< 0.1NTU，SDI<2，完全滿足后續(xù)反滲透系統(tǒng)的進水要求。

　　浙江某熱電聯(lián)產(chǎn)電廠取長江支流作為循環(huán)冷卻水和鍋爐補給水水源，設有化學水處理系統(tǒng)對河水進行深度處理。其處理工藝流程為原水加藥、混凝澄清、多介質(zhì)過濾、超濾、除鹽(含反滲透)和酸堿再生。

　　此系統(tǒng)原采用外壓式中空纖維有機超濾膜作為反滲透裝置的前端工藝，運行一段時間后出現(xiàn)斷絲、污堵和出水SDI過高的問題，導致后續(xù)反滲透系統(tǒng)難以穩(wěn)定運行，進而對整個電廠的正常生產(chǎn)造成很大風險。該電廠嘗試過多種措施后，決定采用CM-151TM大面積塊片式陶瓷超濾膜替換有機超濾膜。筆者對陶瓷超濾膜的特性、中試數(shù)據(jù)和工程運行效果進行了討論。

　　一、項目介紹

　　01原水水質(zhì)

　　化學水處理系統(tǒng)原水取自河水，由于河道流經(jīng)工業(yè)區(qū)且注入海水，水質(zhì)波動較大，具體水質(zhì)見表1。原水經(jīng)處理后達到該電廠對循環(huán)冷卻水用水和鍋爐補給水的水質(zhì)要求。

　　表1 原水水質(zhì)

　　02預處理工藝

　　化學水處理系統(tǒng)反滲透前的預處理工藝為河水→混凝澄清→多介質(zhì)過濾器→網(wǎng)式過濾器→超濾。其中混凝澄清池處投加PAC(10 mg/L)和NaClO(1 mg/L)。

　　有機超濾膜是電廠化學水處理系統(tǒng)全(雙)膜分離技術中預脫鹽系統(tǒng)的核心，在實際使用中產(chǎn)水水質(zhì)不滿足要求、斷絲等問題屢有報導。在該項目中，原有機超濾系統(tǒng)運行一段時間后出現(xiàn)斷絲和污堵，單套產(chǎn)水量由90 m3/h降至45 m3/h且出水SDI高達4~5，導致后續(xù)的反滲透系統(tǒng)難以穩(wěn)定運行。為解決此問題，該電廠曾使用新的同品牌有機超濾膜對舊膜進行全部更換，但更換后的新膜出現(xiàn)了同樣問題。之后業(yè)主嘗試在多介質(zhì)過濾器進水投加高分子絮凝劑，以提高處理效果。此措施增加了額外的藥劑費用，但仍無法為反滲透系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定地提供SDI合格的進水。筆者在現(xiàn)場進行的中試證實陶瓷超濾膜可在超預期的高達333 L/(m2·h)通量下穩(wěn)定運行。

　　03CM陶瓷超濾膜CM陶瓷超濾膜斷面呈多孔性不對稱結構，支撐層材料采用三氧化二鋁(A2O3)，過濾層材料為α型三氧化二鋁，經(jīng)高溫燒結緊密熔合在一起。形成的膜孔徑穩(wěn)定在30 nm范圍內(nèi)，孔徑分布非常均勻，具有更為狹窄集中的正態(tài)分布曲線。膜材質(zhì)采用無機陶瓷材料，具有更好的親水性和更高的過濾通量，而陶瓷本身的機械強度和化學穩(wěn)定性，使得陶瓷超濾膜在耐壓、耐溫、耐腐蝕性、耐油性、耐化學清洗等方面均優(yōu)于有機中空纖維超濾膜。

　　CM陶瓷超濾膜與有機中空纖維超濾膜的性能對比見文獻。

　　04中試設備及運行參數(shù)

　　中試分3個測試階段，見"5 存在問題與討論"。中試設備采用納諾斯通水務公司一體化實驗裝置。其中陶瓷超濾膜元件的膜面積為3m2，過濾精度為30nm，過濾周期30~60 min，反洗時間40 s。

　　05存在問題與討論

　　(1)階段1：河水經(jīng)混凝澄清和多介質(zhì)過濾器后進入陶瓷超濾膜，運行通量為300~330 L/(m2·h)。此階段CM陶瓷超濾膜的運行效果見圖1。

　　圖1 階段1跨膜壓差及運行通量

　　首先測試目標運行通量300 L/(m2·h)(共13 d)，過濾周期為30 min，陶瓷超濾膜進水PAC投加量為1.4 mg/L。由圖1可見，跨膜壓差在0.04~0.08 MPa呈現(xiàn)周期性變化，且后期跨膜壓差(0.04~0.06 MPa)明顯低于前期跨膜壓差，這主要是因為后期采取了優(yōu)化措施，如調(diào)整化學加強反洗(CEB)參數(shù)設置等。此組運行數(shù)據(jù)證實陶瓷超濾膜在目標通量300 L/(m2·h)下運行穩(wěn)定。之后提高運行通量至316 L/(m2·h)，可見在7d的運行時間內(nèi)，跨膜壓差在更平穩(wěn)和收窄的區(qū)間有規(guī)律變化，陶瓷超濾膜的運行很穩(wěn)定。進一步提升運行通量至330 L/(m2·h)并運行5 d，陶瓷超濾膜依然運行穩(wěn)定。

　　(2)調(diào)整過濾時間，運行通量為316~333 L/(m2·h)，結合階段1數(shù)據(jù)，沿用階段1的預處理工藝(混凝澄清和多介質(zhì)過濾)開展了過濾時間的優(yōu)化測試，結果見圖2。

　　圖2 階段2跨膜壓差及運行通量

　　從圖2可知，在316、333 L/(m2·h)的運行通量下，過濾時間分別調(diào)整為40、50 min，跨膜壓差的變化趨勢依然平穩(wěn)和規(guī)律(0.04~0.06 MPa)。在333 L/(m2·h)的運行通量下繼續(xù)延長過濾時間至60 min，跨膜壓差略有上升，后期(延長CEB周期)上升趨勢較為明顯，但仍能在CEB清洗后恢復良好。

　　(3)河水直接進入陶瓷超濾膜，運行通量167~366 L/(m2·h)。此階段將不經(jīng)混凝澄清和多介質(zhì)過濾器預處理的河水直接進入陶瓷超濾膜，進一步驗證陶瓷超濾膜的抗污染性和清洗恢復性。過濾時間30min，PAC加藥量8mg/L，運行4d，運行數(shù)據(jù)見圖3。

　　圖3 階段3跨膜壓差及運行通量

　　在167、250 L/(m2·h)的運行通量下，跨膜壓差分別在0.02~0.03、0.03~0.04 MPa區(qū)間波動，陶瓷超濾膜運行平穩(wěn)。運行通量提升至330 L/(m2·h)，跨膜壓差波動加大;至366 L/(m2·h)后，跨膜壓差波動則進一步加大，但均能在CEB后恢復至接近起始值。陶瓷超濾膜的抗污染性和清洗恢復性得到驗證。同時，河水不經(jīng)預處理直接進陶瓷超濾膜的可行性也得到驗證，建議運行通量不高于250 L/(m2·h)。整個中試期間無需進行恢復性化學清洗(CIP)。

　　中試期間陶瓷超濾膜的進、產(chǎn)水濁度見圖4。

　　圖4 陶瓷超濾膜進、產(chǎn)水濁度

　　由圖4可見，預處理后陶瓷超濾膜的進水濁度在0.2~0.4 NTU之間波動，產(chǎn)水濁度則在0.046~0.093 NTU之間，穩(wěn)定<0.1 NTU，優(yōu)于后續(xù)反滲透系統(tǒng)對進水濁度的要求。

　　二、工程應用及運行情況介紹在滿足項目經(jīng)濟性要求的前提下，最終選擇260 L/(m2·h)的運行通量作為設計值對原有機超濾系統(tǒng)進行改造。改造項目采用納諾斯通水務第3代CM-151TM超濾膜組件，改造后的陶瓷膜超濾系統(tǒng)與原有機超濾系統(tǒng)的主要參數(shù)對比見表2。

　　表2 原有機超濾系統(tǒng)與改造后陶瓷膜超濾系統(tǒng)對比

　　原單套有機超濾需28支膜，由于運行通量大幅提高，改造后單套僅需14支CM-151TM陶瓷超濾膜。改造過程充分利用原有設施，原有機超濾系統(tǒng)的進水泵、自清洗過濾器、反洗水泵及CEB系統(tǒng)都繼續(xù)使用。改造僅涉及原膜組架上的少量管路，即將原有膜組架上的PVC管路改造成適應陶瓷超濾膜，并與原閥組管道和原主管相連接。

　　該改造項目于2017年12月完成調(diào)試，至今穩(wěn)定運行，持續(xù)提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)水，SDI<2、濁度<0.1 NTU。4套陶瓷膜超濾裝置中的1#裝置運行1個月的跨膜壓差數(shù)據(jù)見圖5。

　　圖5 1#陶瓷超濾膜裝置實際運行跨膜壓差

　　圖5表明，陶瓷膜超濾系統(tǒng)的跨膜壓差主要在0.04~0.07 MPa波動，不超過0.1 MPa，運行穩(wěn)定。改造后不需向多介質(zhì)過濾器進水額外投加高分子絮凝劑。此外，陶瓷膜超濾系統(tǒng)的反洗水量和CEB頻率均降為原有機超濾系統(tǒng)的50%，且CIP周期>2個月，大幅節(jié)省藥劑費用并降低運行費用，提高了系統(tǒng)回收率.

　　三、結論(1)河水經(jīng)混凝澄清、多介質(zhì)過濾器處理并投加1.4 mg/L PAC后進入陶瓷超濾膜，陶瓷超濾膜在運行通量300~330 L/(m2·h)下運行平穩(wěn)(過濾時間30 min)。

　　(2)中試階段2陶瓷超濾膜在333 L/(m2·h)的運行通量和50 min過濾時間下運行穩(wěn)定，僅在333 L/(m2·h)運行通量、過濾時間60 min和延長CEB周期的工況下跨膜壓差上升較為明顯，但仍能在CEB清洗后恢復良好。

　　(3)河水直接進入陶瓷超濾膜的可行性得到驗證，建議運行通量不高于250 L/(m2·h)。

　　(4)用陶瓷超濾膜對原有機超濾膜系統(tǒng)進行改造，改造工程量小，原配套系統(tǒng)和設施得到充分利用。實際運行通量高于260 L/(m2·h)，反洗水量和CEB頻率減半，且不需向多介質(zhì)過濾器進水額外投加高分子絮凝劑，節(jié)省藥劑費用和運行費用，系統(tǒng)回收率提高。

　　(5)陶瓷超濾膜中試及實際運行產(chǎn)水持續(xù)、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)，濁度<0.1 NTU，SDI<2，完全滿足后續(xù)反滲透系統(tǒng)的進水要求。該項目為陶瓷超濾膜在類似水處理中的推廣應用提供了借鑒。

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