双膜法中水厂反渗透系统运行分析

王金龙

(青岛锦龙弘业环保有限公司,山东青岛 266555)

反渗透工艺是最常用的脱盐技术。随着国家对于水资源回用的进一步重视,反渗透应用场景及规模将进一步扩大。工程实践中,各水厂反渗透膜性能及寿命存在较大差异,虽然水质、预处理流程、膜材质等影响较大,但也与运行方法密切相关。尤其以中水源为原水的双膜工艺,运行更为复杂,受进水水质及水质变化影响更大,更需要提出优化措施予以应对,确保膜性能的维持。青岛某中水源双膜工艺设计产水量为2万m3/d,以污水厂出水为原水,工艺流程为高密度沉淀池→超滤→反渗透,脱盐水用于供给周边工业企业[1-2]。本文分析了中水源双膜水厂反渗透4年运行效果,提出了优化运行维持膜性能并延缓膜性能衰减的工程措施,旨在为反渗透工艺的运行提供参考。

1 材料与方法

1.1 反渗透系统概况

反渗透系统设计5组,单组产水量为181.5 m3/h,每组39支压力容器,分两段,排列比为26∶13,每个压力容器内装有7支反渗透膜,5组共计1 365支膜。反渗透膜型号为BW30XFR-400/34,运行压力为1.5～2.5 MPa,回收率为72%,单支膜的膜面积为37 m2,产水膜通量(MF)为17.96 L/(m2·h)。反渗透给水泵5用1库备,单台设计流量为252 m3/h,扬程为45 m;反渗透高压泵5台,单台设计流量为252 m3/h,扬程为170 m;一级反渗透段间增压泵5台,单台设计流量为128 m3/h,扬程为45 m;一级反渗透冲洗泵1用1库备,单台设计流量为130 m3/h,扬程为40 m。各水泵均为卧式离心泵。阻垢剂采用母管投加,还原剂与反渗透一一对应投加。系统的主要药剂,如阻垢剂、还原剂、非氧化杀菌剂均采用国产品牌。非氧化杀菌剂采用溴类、异噻唑啉酮类两种,定期交替使用。清洗采用常规方法并根据现场优化。反渗透进水水质如表1所示。

表1 反渗透进水水质Tab.1 Influent Quality of Reverse Osmosis

1.2 在线维护性清洗

反渗透系统在线清洗除按照一般的要求达到清洗条件需及时清洗以外,一般1.5～2.0个月也需要进行维护性在线清洗。当运行时间较长时,压差上升或产水量降低幅度较小,说明系统已出现轻度污染,在系统运行负荷不高时,进行在线维护性清洗,即降低清洗加药量、清洗时间,尤其pH值应控制在11.0左右,如表2所示。

表2 清洗药剂量对比Tab.2 Comparison of Cleaning Dose

1.3 分析测试方法与主要符号

氧化还原电位(ORP)、电导率采用在线仪表测定,分别为哈希的P33A1NN+RD1R5、C33A1NN+3422B3A;其余指标均采用国标法测定。阻垢剂性能测试根据《水处理剂阻垢性能的测定 碳酸钙沉积法》(GB/T 16632—2008)。

主要术语符号包括脱盐率(desalination rate,DR)、标准化脱盐率(standardized desalination rate,SDR)(膜元件在标准状态下测定的DR)、膜压差(membrane pressure drop,MPD)、MF、标准化膜通量(standardized membrane flux,SMF)(膜元件在标准状态下测定的MF)、标准化膜通量保持率(standardized membrane flux retention rate,RR)、进水压力增长倍数(PR),部分指标计算如式(1)～式(6)。

(1)

ΔP1=Pinf-P1

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

其中:NRR——RR的值;

ASMF——当年SMF均值,L/(m2·h·MPa);

ASMF0——初始SMF,L/(m2·h·MPa);

ΔP1——一段压差,MPa;

Pinf——进水压力,MPa;

P1——一段压力,MPa;

PPR——PR的值;

Pave——当年进水压力均值,MPa;

P0——进水压力初始值,MPa;

SSDR——SDR的值,工程中采用膜初始运行时的100 d数据平均值作为初始值;

CTDS——溶解性总固体质量浓度,mg/L;

Q——产水量,m3/h;

T——温度校正系数;

Cave——进水与浓水间平均质量浓度,mg/L;

Qe——标准化产水量,L/(m2·h);

QSMF——SMF的值,L/(m2·h·MPa);

ΔPe——标准化压降,MPa;

Pe——标准条件下的驱动压力,MPa;

Pact——实际驱动压力,MPa,工程中采用膜初始运行时的100 d数据平均值作为初始值。

2 反渗透系统运行效果

以系统刚运行100 d数据作为初始值,SMF为85.82 L/(m2·h·MPa),SDR为98.7%,MPD为0.08 MPa。系统自2017年初开始运行,已稳定运行4年。期间进水电导率呈季节性波动,夏季进水电导率相对较低,为1 600～3 500 μS/cm;冬季进水电导率相对较高且波动大,为3 000～5 500 μS/cm。低温是运行难点,且低温季节进水电导率高,相关数据更具有代表性,故选取各年冬季水温＜20 ℃时的数据进行分析。对系统SDR和DR进行比较,结果如图1所示。

图1 反渗透SDR和DRFig.1 SDR and DR of Reverse Osmosis

SDR均值能够整体反映系统的膜性能变化情况。由图1 可知,运行4年,系统SDR均值呈现先快速降低而后平稳降低的趋势。新膜投入使用后,2017年SDR降低0.2%,属于正常降幅。2018年夏天系统SDR开始迅速下降,SDR最低降至98.0%,经排查确认为自控程序问题,优化程序后SDR逐步恢复,但2018年SDR仍降至98.2%,相比初始降低了0.5%。2018年的SDR稳定性较差,箱体较长,且比DR箱体长,显示出系统脱盐性能实质性下降。2019年系统SDR均值为98.0%,较初始降低了0.7%,但下降趋势已得到缓解,箱体缩短。2020年SDR均值为97.9%,较初始降低0.8%,相比前一年仅降低0.1%,箱体进一步缩短,SDR已趋于稳定。运行4年,SDR均值平均年下降0.2%。2018年系统出现DR问题后,虽逐步恢复,但后续反渗透化学清洗时,系统DR波动较大,运行约1周时间会恢复稳定。

用户对用水电导率的要求较高,要求出水电导率＜150 μS/cm。进水受季节影响较大,虽然全年电导率平均值仅为3 100 μS/cm,但冬季进水电导率98%保证率可达4 000 μS/cm。系统设计进水电导率＜4 200 μS/cm,DR需维持在96.4%以上。鉴于保证稳定供水的要求,应同时分析98%保证率时系统DR的情况。系统初始98%保证率DR为98.4%,始终处于下降趋势,至2020年降至97.4%,4年平均每年降幅为0.25%。2020年系统DR箱体比SDR箱体长,主要是进水电导率波动较大所致。系统已经稳定运行4年,按SDR及98%保证率DR降低变化趋势预测,系统DR降至96.4%以下将至少可累计使用7年,显示出较长的膜运行平均寿命,系统运行良好。马丽媛等[3]运行以市政污水为水源的双膜水厂,反渗透DR经过3年从98.0%降至88.0%,更换新膜仅半年DR即下降5%。与之相比,本项目DR下降缓慢,显示出更好的膜脱盐性能。

系统SMF和MF、进水压力和一段压差分别如图2、图3 所示。2017年SMF均值为(54.30±13.12) L/(m2·h·MPa),RR为63.3%,且整体波动较大,主要是系统刚运行,加药控制不精准,导致膜出现铝胶体污染。在线清洗后,SMF波动较刚运行时大幅降低。2018年SMF均值为(48.00±5.90) L/(m2·h·MPa),RR为55.9%,由于系统内污染物累积,SMF继续下降,但系统稳定性得以提高。由于反渗透系统各压力容器为7支膜,在线清洗效果不理想,2019年逐步离线清洗,效果显著,SMF逐年上升,至2020年均值已恢复至(54.08±9.43) L/(m2·h·MPa),RR为63.0%,几乎恢复至2017年水平。虽然离线清洗能够较好地恢复SMF,但是稳定性较之前相比变差,显示2020年SMF箱体较长。SMF的下降,意味着系统能耗的增加,从进水压力变化看更加显著。

图3 反渗透进水压力和一段压差Fig.3 Inlet Pressure and First Section Differential Pressure of Reverse Osmosis

进水压力和一段压差均呈现先上升后下降趋势。2017年,进水压力均值由初始的0.99 MPa上升至1.16 MPa,PR约为1.17,一段压差增长了0.07 MPa,增长了近1倍。而2018年进水压力均值增加较少,主要是总体供水量减少所致,但一段压差继续增长。虽然2019年开始离线清洗,SMF得以快速恢复,但由于供水量较大,提高了进水压力加大产水,对应的一段压差开始下降,已降至2017年水平。一段反渗透主要受胶体有机物、细菌污染,杀菌、清洗后压差逐步恢复。2020年得益于离线清洗,进水压力进一步降至1.19 MPa,PR约为1.20,一段压差与初始值相比仅增大62.5%,低于2017年运行第一年水平。2020年进水压力箱体较长,主要是离线清洗前后,进水压力波动较大导致。经检测,系统二段压差一直稳定在(0.11±0.02) MPa,无波动。

与其他类似水厂对比,结果如表3所示。威海中水回用单位,与污水厂为同一单位运行,出水水质相对较好;反渗透使用4～5年,DR降至95%左右;运行第4年需更换系统约30%的反渗透膜,第5～6年各更换剩余的35%,平均膜寿命在5年。淄博中水回用单位,反渗透一般使用3年,全部更换后DR降至85%。本厂与对比水厂相比,工艺类似,但进水水质更差,但不论是膜平均寿命(预期寿命)、SDR(98%保证率)、RR均远优于其他水厂,显示出更好的运行质量。

表3 不同水厂反渗透膜性能比较Tab.3 Comparison of Reverse Osmosis Membrane Performance among Different WTPs

3 反渗透运行工程经验总结

3.1 自控程序优化

2018年夏季出现了DR大幅降低的情况,检查了压力容器进水端盖及密封圈机械损坏等情况,排除密封不严的可能性。进一步检测各压力容器DR,并进行探针测试,测定压力容器内各支膜的DR,如图4 所示。从结果可知,一段压力容器DR正常,可以排除化学清洗造成不可逆膜损伤或进水水质问题;二段压力容器DR显著下降,且越靠近浓度水端的膜,DR下降越显著,怀疑是浓水端背压导致。系统自控程序中,有一段为“开高压泵→高压泵达到运行设定值→关浓水排放阀→关不合格产水排放阀”。此步序能保证系统刚运行时,进水压力不足、电导率较高的产水排放,不影响产品水池内的水质。但在不合格产水阀门关闭瞬间,反渗透产水分两路,即一段进水端产水侧和二段浓水端产水侧,且压力前者高后者低,出现轻微“水锤”现象。长时间运行,导致浓水端末端膜产生背压现象,DR显著降低。将自控第二段程序优化为“关浓水排放阀→关不合格产水排放阀→开高压泵→高压泵达到运行设定值”,防止背压。程序调整后,DR逐步恢复,但仍受到了不可逆损伤,较之前有所降低,不符合要求时仅能进行膜更换。

图4 反渗透各支膜DRFig.4 DR of Each Branch Membrane of Reverse Osmosis

3.2 药剂控制

运行初期,反渗透系统的阻垢剂及杀菌剂均使用进口品牌药剂。为节约运行成本,对比了国产药剂与进口药剂的效果,如表4、表5所示。阻垢小试试验表明,几组药剂的阻垢性能为C＞;D＞;B＞;A,国产阻垢剂能够满足运行要求。厂内于2019年开始更换国产药剂,已使用2年,系统运行未受药剂更换影响,大大节约了运行费用。阻垢剂一般加药量为3 mg/L,若原水电导率及Ca2+、Mg2+含量不高时,可适当降低加药量,以节约药剂成本。

表4 不同阻垢剂效果对比Tab.4 Effects Comparison of Different Scale Inhibitors

表5 不同杀菌剂效果对比Tab.5 Effects Comparison of Different Fungicides

对于预处理良好的反渗透系统,控菌是确保运行稳定的第一要务,一旦出现微生物污染并形成生物膜,难以恢复。张子潇等[4]认为,非氧化杀菌剂每周投加2次时,反渗透月标准化产水量下降得到极大缓解。本项目采用冲击式杀菌和清洗水箱杀菌两种模式,每3 d杀菌1次,按照2次清洗水箱杀菌、1次冲击式杀菌方式交替进行。冲击式杀菌,每3 d杀菌1次,夏季120 mg/L,冬季100 mg/L,冲洗杀菌20 min+浸泡40 min+冲洗杀菌20 min+清水冲洗。清洗水箱杀菌,夏季1 000 mg/L,冬季600～800 mg/L,一段二段分开杀菌同时进药,先二段杀菌1.0 h,再一段杀菌1.5 h,杀菌后冲洗干净。清洗水箱杀菌浓度高、流量大,杀菌效果好。冲击式杀菌,可将保安过滤器一同杀菌。杀菌小试结果如表5所示,几组药剂的灭菌效果为c＞;b＞;d＞;a＞;e,显示溴类杀菌剂效果显著优于异噻唑啉酮,且国产药剂与进口药剂无显著性差别,与薛伟等[5]研究结果一致。日常杀菌剂均用国产药剂,使用溴类杀菌剂2～3个月后,更换为异噻唑啉酮杀菌剂,杀菌2～3次,同时提高异噻唑啉酮杀菌剂质量分数为30%,防止细菌产生抗性。若细菌数量降低,减少杀菌剂浓度而不降低杀菌频率。若细菌数量仍较高,在超滤产水池投加异噻唑啉酮杀菌剂3～5 mg/L,每次杀菌4 h左右,2～3 d杀一次。

3.3 膜更换探讨

膜更换的考量点主要有3个方面:产水量和DR、运行电耗、膜更换费用。当产水量和DR不能满足供水要求时,只能换膜;但本项目此时这两个指标仍能满足用户要求。进一步地,分析延长寿命导致运行费用增加和换膜费用的比较,寻求最优经济平衡点。能耗主要体现在SMF和进水压力方面。对于本厂,DR需维持在96.4%以上。经过4年运行,98%保证率时,系统DR从初始的98.4%降至97.4%,4年平均每年降幅为0.25%,系统DR降至96.4%以下前,将至少可累计运行7年;系统RR为63.0%,与运行第一年水平相当,显示产水量方面较为稳定;MF角度也显示膜产水能力能够满足要求;进水压力稳定在1.19 MPa,PR约为1.20,一段压差与初始值相比仅增大62.5%,但也低于第一年水平。反渗透主要能耗是给水泵和高压泵,给水泵为定频,相对固定;高压泵频率逐年变化如图5 所示。2017年—2020年,高压泵频率分别为37、39、41、42 Hz,若能够运行8年,预测高压泵频率将达到48 Hz,此时电费增幅年费用(相比于第一年)近178万元。若更换膜预计822万元,按4年分摊,年费用约为206万元,且更换后膜电费亦会逐年升高。若从经济角度考虑,则应尽可能长维持膜寿命,延缓换膜时间,获得最大的经济效果。

图5 高压泵频率与电耗关系Fig.5 Relationship between High-Voltage Pump Frequency and Power Consumption

4 结论

1)中水源双膜工艺反渗透稳定运行4年,膜性能保持良好,SDR均值为97.9%,较初始降低0.8%,平均年下降0.2%;98%保证率时,系统DR从初始的98.4%降至97.4%,平均每年降幅为0.25%;系统RR为63.0%,进水压力稳定在1.19 MPa,一段压差相比初始值仅增大62.5%,与运行第一年水平相当,预测膜平均寿命能够达到7年。

2)通过优化自控程序、严格控制进水ORP及总氯、交替采用冲击式杀菌和清洗水箱杀菌、保持在线维护性清洗等综合手段,有效维持了膜性能,减缓膜性能衰减,延长膜寿命。

3)工程电耗核算及预测表明,更换膜费用大大超过膜寿命延长增加的电费,应尽可能长维持膜寿命,延缓换膜时间,获得最大的经济效果。

4)工程运行实践表明,国产阻垢剂、非氧化杀菌剂能够达到进口药剂相同效果,降低运行费用。