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采用新的前处理法和改进膜性能

发布时间：2010/11/12 阅读次数：2916 字体大小: 【小】【中】【大】

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常规的前处理工序

　　进行前处理的目的是希望通过这一工序降低进水的污染物含量，提高进水水质，使给水水质能够保证膜元件的长期、稳定性能。在海水淡化系统中，膜污染现象会日益严重，其原因主要是因为在进水中存在着胶体和颗粒物质、溶解有机物以及细菌的滋长。在苦咸水淡化系统中位于尾部的膜元件上偶然能发现无机物形成的垢，但对大多数海水淡化系统不会出现这一，同样，由于较低的回收率以及高离子强度和低浓度的碳酸氢根离子，因此浓水中也非常不易形成难溶盐的沉淀，由于颗粒、有机物及微生物生长而引起的膜污染通常位于系统前部的膜元件上，根据6、7的观点，由于离子强度高，产品水通量大的原因，而加快了胶体污染现象的发生。海水中的高离子强度会减少胶体颗粒及颗粒与膜表面之间的相互排斥力，另外由于渗透水所形成的垂直于膜表面的驱动力将使胶体颗粒和有机大分子沉积在膜表面间隙形成污染层。当系统的进水源是海水时，由于水中离子强度高，同时又有胶体及溶解有机物的存在，因而即使在低通量时膜污染的速度也要比系统净化苦咸水时快得多。因为膜受到了污染，使其水通量和盐透过率均受到，当污染情况严重时，水通量降低，在这种情况下，要想使产水量达到设计要求，就必须增加进水压力。一般情况下，盐的透过率也会同步增加，而最终造成产水含盐量增高。颗粒或微生物等污染的最终结果是进水渠道阻塞和压力损失增加。

　　通常SDI(Silt Density Index)值是对进水质量和系统前处理工序的效果进行检测的一个标准。SDI值主要用来检测某一孔径膜对水的过滤能力。一般情况下使用孔径为0.45微米的膜，SDI值是进水质量的相对值，从这个数值中，并不能明确看出膜污染速度或对膜性能造成的影响等情况。大多数膜生产的厂家对SDI的数值作了规定，即上限为4-5，为了保持膜性能的稳定，SDI平均值应低于3。

　　图5列出了以地表水为水源的常规前处理系统的工艺流程。该流程包括在原水中间断加入游离氯。并维持残余氯浓度为0.5-1.0ppm，另外还应加入絮凝剂和凝聚剂，加入絮凝后的胶体物质经过二级压力多介质过滤器除去。这种二级过滤器第一级为粗过滤，第二级为精过滤，采用这种二级过滤的，即使在反洗时或者在由于季节变化而导致生水水质变坏时也可保证RO给水水质/如图5所示，当进水经过二级过滤器，到达保安过滤器前，需在进水中添加阻垢剂和亚硫酸氢钠。实验证明：图5中所示的前处理工艺对于降低原水SDI值是有效的，在原水的SDI值大得不可测出时，经上述工艺处理后SDI值能达到2-3。实际上，无论所使用的前处理工艺如何，大多数海水淡化设备都能使进水质量达到上述SDI值（8、9、10）。但是，由介质过滤器和保安过滤器组成的常规前处理装置对阻挡胶体和悬浮颗粒的能力是不确定的，经过前处理后得到的进水质量，受一些特定因素的影响很大。当某一过滤器反洗时，其余运行中的过滤器的过滤速度比正常使用时的速度快，这样就增加了穿透的可能性。在反洗之后的滤饼形成期，高浓度的胶体颗粒可随过滤水排出来，这就是为什么在敞口取水的海水淡化系统中平均水通量限制在8gfd的原因。

　　膜前处理工艺

　　曾经有文献（10、11）提出过利用膜处理作为前处理的一部分。用超滤膜和微滤膜能够产出比常规前处理法（介质过滤器和保安过滤器）产出质量要好的多的进水，但是一般来说，卷式超滤膜元件不适合处理污染严重的地表水。UF元件不能在高水通量条件下工作，否则膜表面会严重污染或进水渠道被阻塞。高的横向进水速度可以减少浓差极化，但最终造成功率损耗增大，膜需要经常清洗，清洗过程也很麻烦，且不能有效恢复产水通量。最近提出了一种新的微滤和超滤技术——大直径中空纤维结构。膜孔径为0.7—0.9mm，膜材质为聚丙烯、磺化聚醚砜或醋酸纤维，有些元件将进水——渗透水的方向设计成由外向内，有些则相反。

　　新型用中空纤维设备具有二个新颖的性能：

　　1.可自动、频繁脉冲式冲洗中空纤维管（有些型号采用反洗），其特点是通过短时间的停运，来保持稳定的产水通量。

　　2.可在一很低的横流速度下工作，甚至可以在单向流动状态下工作（全流过滤）。

　　与常规过滤器因反洗而出现的停运时间相比，这种脉冲式冲洗的停运时间非常短。并且频繁的脉冲冲洗可使水通量保持稳定，这种设备的进水压力为1—2巴，当操作降低进水压力，降低横向流速或采用全流过滤时，系统回收率高，能耗低（能耗约为0.1kwh/m³）。膜的类型有二种：一种是微滤膜（额定孔径为0.2微米），另一种是超滤膜（截流分子量为100,000-200,000道尔顿），中空纤维超滤膜组件尺寸一般为：长度在100-130cm之间，直径在20-32cm之间。该膜用于实际净化系统中时，单支膜元件的产水量为30-150m³/天。中空纤维膜技术已经用于处理以地表水为水源的饮用水净化工艺之中。该技术与常规工艺相比，具有标准化设计、投入少、产出多、无需连续加入化学药品、只需有限劳动力等优点，以上优点都是说的外在因素，更主要的是膜技术的内在优点，即在进水和透过水之间存在的膜分离层，可以使胶体颗粒和细菌减少几个数量级，提高了净化水的质量。

　　中空膜技术已经过了广泛的试验，并且有很多基于微滤的系统已经投入运行，在成功地将中空膜技术于饮用水领域的基础上，正考虑将该技术应用于高污染地表水反渗透系统的预处理，目标之一是城市排水的反渗透处理，这样可以替代既昂贵又困难的传统城市三级污水处理方式，增加反渗透系统的设计水通量，现场试验已进行了二年以上，实验结果证明，这种方法是可行的，同时还可考虑将此工艺应用到大规模水处理设备中去。此方法还可用来对水源为低盐度地表水的净化系统进行RO前处理。其目的之一是希望以此来取代常规的前处理工艺，第二是希望通过添加第二个膜过滤系统（除RO膜之外）来减少渗透水中存在的“热源”，这样就可省掉原来作为消毒用的强氧化剂。实验结果证明了这种结果的可行性。

　　正在设计将UF与RO工艺相结合的大规模水处理系统。将中空纤维膜应用到海水淡化系统的前处理工艺中，似乎是相当好的设计思路。从不多的实验结果来看，采用这种处理方法能够生产出质量很好的RO进水（13），估计中空纤维膜前处理法所需成本与大量使用的常规前处理法（进水源为地表水）的费用差不多。表3中列出了海水淡化RO系统的常规前处理法和中空纤维膜前处理法的操作条件及各项所需费用的对照表，从表中可看出使用中空纤维膜工艺，可简化前处理系统，并且可以减少化学药品的使用量，更主要的是采用此工艺，可省去需向给水中不断添加游离氯的工序，处理后的水胶体浓度很低，但到目前为止，没有足够的实验数据能够表明哪一种中空纤维膜（微滤还是超滤膜），对降低海水净化系统进水中的污染物浓度更有效。超滤膜除截留颗粒外，还可减少海水中一些溶解有机物。即膜的一个新趋势是试图增加卷式复合膜元件的填充密度。（即：增加膜元件的有效面积，提高单支元件的产水量）膜前处理工艺也会随之共同发展，该发展趋势主要依靠设计结构最为合理的膜元件，其中包括降低进水通道的厚度。因为新设计的卷式元件是在进水质量较好的条件下工作，进水本身颗粒物质浓度就很低，所以虽然进水通道比较细，但阻塞的可能性很小，同时降低膜污染的速度，可减少膜的化学清洗频度，大大提高了膜寿命。由于该技术具有上述优点，所以使用该技术即可以减少由于化学清洗所需试剂费用以及投入的人力，同时可以减少由于膜元件损坏、更换而需要的费用。

　　表3 常规前处理法与毛细管膜工艺的情况对照

系统结构	常规前处理法	中空纤维膜前处理法
进水水源	敞口取水	敞口取水
滤网	粗筛	自清洗微筛过滤器，孔径35微米
原水加氯	3ppm	不需要
直流絮凝(连续投入试剂)	5ppm FeCl₃0.2ppm聚合物	不需要
静态混合器	有	没有
胶体过滤设备	二级多介质压力过滤器	单级中空纤维膜超滤：截流分子量150,000-200,000道尔顿
反洗方式及频率	每8小时用空气擦洗和水反洗1次，设备停运15分钟（3.1%）	每15分钟脉冲水反洗1次，设备停运30秒（3.3%）
化学清洗	不需要	每隔4小时用50ppm NaOCl溶液浸泡10分钟，设备停运时间（4.0%）
过滤速度L/m²·小时（gfd）	第一级过滤：6（3.5）第二级过滤：10（6）	100（60）
最大推动压力（巴）	第一级过滤：0.5第二级过滤：0.8	2巴
保安过滤器精度（微米）	5—15	不需要
功耗（kwh/m³）	0.07	0.10
反洗水损失（%）	4（2.5%+1.5%）	5
出水水质SDI	2—3	＜1
除氯，NaHSO₃（ppm）	3	不需要
前处理投资费用（$/m3·天）	100-250	150-300

　　结论

　　从以上的论述，我们了解到要想降低海水除盐设备的费用，就必须提高海水淡化系统的回收率和水通量，而要实现高回收率，高水通量的首要条件是应具有高质量的进水，因此可以说，进水质量好是取得优质净化水的先决条件。为达此目的，我们推荐这种新的中空纤维膜技术，将其应用到进水的前处理工序中，经几种不同工作条件下实验，结果证明是可行的。该技术与常规前处理工艺相比，价格并不昂贵，同时提供了很高的运行可靠性，并且从海水反渗透脱盐系统整体考虑，降低了生产成本。通过前面做的价格、性能比较，可得出这样一个结论：该技术投资费用和运行费用较低，同时由于进水质量较好，系统可在最佳状态下运行，从而可使总的制水成本降低10%左右。

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