純水設(shè)備解讀：陶瓷超濾膜的特性、中試數(shù)據(jù)和工程運行效果分析
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(shè)有化學水處置系統(tǒng)對河水進行深度處置。其處置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(dǎo)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)
化學水處置系統(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)動搖較大，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。
02預(yù)處理工藝
化學水處置系統(tǒng)反滲透前的預(yù)處置工藝為河水→混凝澄清→多介質(zhì)過濾器→網(wǎng)式過濾器→超濾。其中混凝廓清池處投加PA C10mg/L和NaClO1mg/L
有機超濾膜是電廠化學水處置系統(tǒng)全（雙）膜分離技術(shù)中預(yù)脫鹽系統(tǒng)的核心，實際使用中產(chǎn)水水質(zhì)滿意足要求、斷絲等問題屢有報導(dǎo)。 純水設(shè)備該項目中，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90m3/h降至45m3/h且出水SDI高達4~5導(dǎo)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，以提高處置效果。此措施增加了額外的藥劑費用，但仍無法為反滲透系統(tǒng)繼續(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(yù)期的高達333L/m2h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(jié)構(gòu)，支撐層資料采用三氧化二鋁（A2O3過濾層資料為α型三氧化二鋁，經(jīng)高溫燒結(jié)緊密熔合在一起。形成的膜孔徑穩(wěn)定在30nm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)采用無機陶瓷資料，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(shè)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(shè)備采用納諾斯通水務(wù)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30~60min反洗時間40s
05存在問題與討論
1階段1河水經(jīng)混凝廓清和多介質(zhì)過濾器后進入陶瓷超濾膜，運行通量為300~330L/m2h此階段CM陶瓷超濾膜的運行效果見圖1
首先測試目標運行通量300L/m2h共13d過濾周期為30min陶瓷超濾膜進水PA C投加量為1.4mg/L由圖1可見，跨膜壓差在0.04~0.08MPa呈現(xiàn)周期性變化，且后期跨膜壓差（0.04~0.06MPa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(shè)置等。此組運行數(shù)據(jù)證實陶瓷超濾膜在目標通量300L/m2h下運行穩(wěn)定。之后提高運行通量至316L/m2h可見在7d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330L/m2h并運行5d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316~333L/m2h結(jié)合階段1數(shù)據(jù)，沿用階段1預(yù)處理工藝（混凝廓清和多介質(zhì)過濾）開展了過濾時間的優(yōu)化測試，結(jié)果見圖2
從圖2可知，316333L/m2h運行通量下， 純水設(shè)備過濾時間分別調(diào)整為4050min跨膜壓差的變化趨勢依然平穩(wěn)和規(guī)律（0.04~0.06MPa333L/m2h運行通量下繼續(xù)延長過濾時間至60min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(fù)良好。
3河水直接進入陶瓷超濾膜，運行通量167~366L/m2h此階段將不經(jīng)混凝廓清和多介質(zhì)過濾器預(yù)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(fù)性。過濾時間30minPA C加藥量8mg/L運行4d運行數(shù)據(jù)見圖3
167250L/m2h運行通量下，跨膜壓差分別在0.02~0.030.03~0.04MPa區(qū)間動搖，陶瓷超濾膜運行平穩(wěn)。運行通量提升至330L/m2h跨膜壓差波動加大；至366L/m2h后，跨膜壓差動搖則進一步加大，但均能在CEB后恢復(fù)至接近起始值。陶瓷超濾膜的抗污染性和清洗恢復(fù)性得到驗證。同時，河水不經(jīng)預(yù)處置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250L/m2h整個中試期間無需進行恢復(fù)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
由圖4可見，預(yù)處置后陶瓷超濾膜的進水濁度在0.2~0.4NTU之間動搖，產(chǎn)水濁度則在0.046~0.093NTU之間，穩(wěn)定＜0.1NTU優(yōu)于后續(xù)反滲透系統(tǒng)對進水濁度的要求。
二、工程應(yīng)用及運行情況介紹
滿足項目經(jīng)濟性要求的前提下，最終選擇260L/m2h運行通量作為設(shè)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(wù)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
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(shè)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(yīng)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， 純水設(shè)備繼續(xù)提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)水，SDI＜2濁度＜0.1NTU4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標明，陶瓷膜超濾系統(tǒng)的跨膜壓差主要在0.04~0.07MPa動搖，不超過0.1MPa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(jié)論
1河水經(jīng)混凝澄清、多介質(zhì)過濾器處置并投加1.4mg/LPA C后進入陶瓷超濾膜，陶瓷超濾膜在運行通量300~330L/m2h下運行平穩(wěn)（過濾時間30min
2中試階段2陶瓷超濾膜在333L/m2h運行通量和50min過濾時間下運行穩(wěn)定，僅在333L/m2h運行通量、過濾時間60min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(fù)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250L/m2h
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(shè)施得到充分利用。實際運行通量高于260L/m2h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＜0.1NTUSDI＜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(yīng)用提供了借鑒。
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