1 工程概況
廣東理文造紙有限公司位于東莞市洪梅鎮(zhèn)，以回收的廢紙為原料，生產(chǎn)瓦楞芯紙、掛面箱板紙和牛皮箱板紙。該廠四期擴(kuò)建30萬t/a環(huán)保型牛皮箱板紙生產(chǎn)線，相應(yīng)的造紙機(jī)、廢水處理站及發(fā)電站用水量增加，原有的水廠處理能力無法滿足需要，需增加一套23 000m3/d水處理系統(tǒng)，要求出水電導(dǎo)率＜750μS/cm，脫鹽率≥97％。
系統(tǒng)的取用水源為河水，每年9月～次年4月經(jīng)常受到海水倒灌的影響，含鹽量波動(dòng)較大，電導(dǎo)率為157～23 763μS/cm。
系統(tǒng)采用快濾—超濾—反滲透工藝，設(shè)計(jì)進(jìn)水量為52 000m3/d，超濾產(chǎn)水43 800m3/d，供給一期用水點(diǎn)10 000m3/d，其余供給反滲透系統(tǒng)，反滲透產(chǎn)水23 000m3/d。表1為原水水質(zhì)及設(shè)計(jì)產(chǎn)水標(biāo)準(zhǔn)。
表1 原水水質(zhì)及設(shè)計(jì)產(chǎn)水標(biāo)準(zhǔn)
2 工藝流程與系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 工藝流程
該工程由深圳恒通源水處理科技有限公司設(shè)計(jì)并承建，工藝主要為前處理系統(tǒng)、超濾系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)等，工藝流程如圖1所示。
圖1 工藝流程
2．2 前處理系統(tǒng)
2．2．1 混凝沉淀池
在混凝沉淀池中投加5～20mg/L的絮凝劑PAC去除河水中的濁度和色度，同時(shí)對水中的無機(jī)和有機(jī)污染物亦有一定的去除作用。
因原水中存在較多的膠體、微生物等雜質(zhì)，為了更好地殺菌和抑菌，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，在混凝沉淀池的出水管加入1～5mg/L的殺菌劑次氯酸鈉，余氯控制在0．2～0．5mg/L。
2．2．2 快濾池
快濾池采用S型濾磚過濾工藝，其為雙側(cè)渠設(shè)計(jì)，設(shè)有水恢復(fù)水道，以確保穩(wěn)定持續(xù)的水流從上部的孔口流出，重新回到濾磚的水流可以補(bǔ)償?shù)蛪簠^(qū)域，使得濾磚的性能得到顯著改進(jìn)。
快濾池設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為52 000m3/d。設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)濁度＜10NTU，出水水質(zhì)濁度≤2NTU。
2．2．3 自清洗過濾器
配備7臺(tái)以色列Arkal自清洗過濾器。外殼為防海水襯膠涂層＋合金處理，濾元縫隙為100μm的不銹鋼S31603楔形濾網(wǎng)，可自動(dòng)清洗、連續(xù)工作，單臺(tái)過濾器設(shè)計(jì)出水水量為365m3/h，可有效截留大于100μm的顆粒。原反洗設(shè)計(jì)為壓差反洗，但實(shí)際上，由于反洗壓差過低，無法達(dá)到預(yù)期效果，后更改為定時(shí)反洗，效果更佳。
2．3 超濾系統(tǒng)
2．3．1 超濾裝置
系統(tǒng)配置8套，采用旭化成UNA 620A中空纖維外壓式超濾膜PVDF材質(zhì)，每套64支膜組件，每個(gè)膜組件的有效膜面積為50m2，膜公稱孔徑為0．1μm，設(shè)計(jì)通量82L/（h·m2），凈通量為75．4L/（h·m）。每套出力為228m3/h。設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)為：SS≤5mg/L、濁度≤10NTU、COD≤30mg/L。
2．3．2 清水泵
超濾裝置配置了5臺(tái)肯富來清水泵，3用2備，型號為KCC250×200 400，單臺(tái)出力730m3/h，其中1臺(tái)為變頻控制。原水經(jīng)混凝、沉淀和過濾后進(jìn)入清水池，再經(jīng)清水泵進(jìn)入自清洗過濾器和超濾裝置。
2．3．3 反洗和清洗裝置
超濾裝置需定期進(jìn)行反洗，8套超濾裝置合用1套反洗系統(tǒng)。系統(tǒng)的反洗由PLC控制并依次執(zhí)行并按要求依次加入各類化學(xué)藥品，反洗用水采用超濾產(chǎn)水，反洗系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)反洗水泵，1用1備，型號為KCC200×150 315，變頻控制，泵出口加裝過濾器。反洗水中添加1～5mg/L的次氯酸鈉，出水中余氯濃度保持在0．1～1mg/L。
系統(tǒng)運(yùn)行壓力在0．1～0．3MPa，膜組件長期運(yùn)行后，會(huì)受到如菌類、有機(jī)物和無機(jī)物的污染，膜通量將下降，為恢復(fù)其正常的過濾能力，系統(tǒng)配置了1套清洗系統(tǒng)，由1個(gè)清洗藥箱、2臺(tái)不銹鋼清洗泵和1臺(tái)清洗過濾器組成。
2．4 反滲透系統(tǒng)
2．4．1 反滲透裝置
反滲透作用是脫除水中的可溶性鹽分。系統(tǒng)設(shè)有4套反滲透膜組件，每套出力為240m3/h，回收率為60％～75％，每年脫鹽率不小于97％，系統(tǒng)采用的膜型號為美國DOW公司的BW30 400FR/34i膜。
2．4．2 反滲透供水泵系統(tǒng)
經(jīng)泵將超濾出水送至反滲透系統(tǒng)的保安過濾器，系統(tǒng)配置了6臺(tái)反滲透供水泵，4用2備。
為保護(hù)反滲透膜元件不被氧化，需加入還原劑降低原水中余氯的含量，控制進(jìn)水ORP不大于170mV。另外，系統(tǒng)還加入了由納爾科提供的阻垢劑N7320，投加濃度為2～3mg/L，由加藥系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)濃度。每星期進(jìn)行1次殺菌操作，投加非氧化性殺菌劑pc191T，投加量為55mg/L。
2．4．3 保安過濾器
每套反滲透裝置前設(shè)置不銹鋼S31603保安過濾器，采用RIZONFLOW的5μm大流量濾芯單套系統(tǒng)出水360m3/h，壓差大于0．1MPa時(shí)進(jìn)行更換。
2．4．4 高壓泵及增壓泵系統(tǒng)
高壓泵為反滲透膜提供足夠的進(jìn)水壓力，維持反滲透的正常運(yùn)行，4套反滲透系統(tǒng)共設(shè)置8臺(tái)國產(chǎn)SULZER（ZA/ZE150 4400）不銹鋼臥式單級離心高壓泵作前級高壓泵，每兩臺(tái)水泵串聯(lián)或并聯(lián)使用；4臺(tái)國產(chǎn)SULZER（ZE100 2250）不銹鋼臥式單級離心高壓泵作段間增壓用。
2．4．5 反滲透清洗及沖洗系統(tǒng)
反滲透系統(tǒng)設(shè)有1套清洗及沖洗系統(tǒng)，一般情況下，每3～6個(gè)月清洗1次，每次約1～2h。在反滲透短時(shí)間內(nèi)停止運(yùn)行時(shí)，為保護(hù)反滲透膜元件不受處理水的污染，需把膜殼的積水置換出來。
2．5 配套的壓縮空氣系統(tǒng)
工程單獨(dú)配置了1套壓縮空氣系統(tǒng)，以確保純水站的儀控用氣。其中系統(tǒng)配有螺桿式空氣壓縮機(jī)2臺(tái)（1用1備）與工藝用氣共用，1臺(tái)冷凍干燥機(jī)，三級過濾系統(tǒng)及空氣儲(chǔ)罐1個(gè)。
2．6 自控系統(tǒng)
本系統(tǒng)采用GCK型低壓配電柜作為設(shè)備動(dòng)力柜，中控室設(shè)置PLC柜以及上位機(jī)，現(xiàn)場設(shè)置控制柜，以西門子PLC及力控監(jiān)控軟件為控制核心。
自控系統(tǒng)的主要功能為：系統(tǒng)程序控制，包括系統(tǒng)的啟停、聯(lián)鎖、保護(hù)、監(jiān)測、控制等；系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集及處理功能，將現(xiàn)場模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，上傳至上位機(jī)監(jiān)控；系統(tǒng)的自診斷功能提供系統(tǒng)的故障信息以及相關(guān)報(bào)警，對于系統(tǒng)的維護(hù)及維修起了重要的輔助作用。
3 工況分析
該工程于2011年9月1日開始調(diào)試，2012年3月底順利通過業(yè)主驗(yàn)收，持續(xù)7個(gè)月的調(diào)試運(yùn)行歷經(jīng)進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)、水廠前三期輸水總管爆管導(dǎo)致極大的產(chǎn)水壓力等困難，通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)和超濾反滲透的清洗方案，以達(dá)到最佳的運(yùn)行效果。
3．1 快速過濾系統(tǒng)
調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，快濾系統(tǒng)靠單純的氣洗或水洗效果不佳，約4h小時(shí)就會(huì)堵。需要再次反洗，后改為氣水反沖洗。但系統(tǒng)設(shè)計(jì)的氣水反沖洗由于沒有壓力和流量控制，很難控制反沖洗水量和氣量，效果不易控制、能耗較大，建議增加測量裝置。
3．2 超濾系統(tǒng)
超濾（UF）是一種以壓力為推動(dòng)力的膜分離技術(shù)，利用中孔（20～50nm）篩分作用實(shí)現(xiàn)分離[1]，能截留水中固體懸浮物、膠體和部分細(xì)菌，降低SDI，使出水水質(zhì)穩(wěn)定，降低對反滲透系統(tǒng)的膜污染[2]。本工程采用中空纖維外壓式膜，膜表面積較大，水通量較大，在運(yùn)行時(shí)納污量大、抗堵塞[3]。而且其PVDF材質(zhì)采用TIPS熱法制備，具有結(jié)晶度高、強(qiáng)度高以及強(qiáng)耐藥性等優(yōu)點(diǎn)。
3．2．1 運(yùn)行效果
調(diào)試期間，個(gè)別情況下進(jìn)水壓力峰值達(dá)到300kPa，平均進(jìn)水壓力達(dá)到250kPa，除了極個(gè)別閥門及連接處漏水外，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。在調(diào)試結(jié)束后對膜絲進(jìn)行檢測，未發(fā)現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。
為了掌握超濾的運(yùn)行狀況，對超濾系統(tǒng)的產(chǎn)水流量、濃水流量、進(jìn)水壓力、產(chǎn)水壓力和濃水壓力進(jìn)行了監(jiān)測，由于通過同一根母管進(jìn)水，從調(diào)試過程及收集的數(shù)據(jù)來看，每套超濾的參數(shù)差異較小，所以選取1＃超濾系統(tǒng)進(jìn)行研究。對大多數(shù)的超濾系統(tǒng)而言，初始運(yùn)行性能跟穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的性能有較大差異，所以選取的數(shù)據(jù)為2012年1月1日～1月7日的數(shù)據(jù)，此時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行了3個(gè)多月，系統(tǒng)參數(shù)和處理效果分別見表2和圖2。
表2 超濾系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)
圖2 超濾系統(tǒng)進(jìn)膜壓力、TMP、產(chǎn)水流量曲線
從圖2中可知，產(chǎn)水量為130～391m3/h，進(jìn)膜壓力在100～200kPa，TMP在35～130kPa。一般情況下，進(jìn)水壓力上升，產(chǎn)水量隨之上升，TMP也增大。產(chǎn)水量的波動(dòng)范圍比較大，在短時(shí)清洗后膜性能恢復(fù)較快，說明其抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。分析上述數(shù)據(jù)，其進(jìn)膜壓力、TMP均遠(yuǎn)低于規(guī)定值300kPa。實(shí)際上，產(chǎn)水量上升特別明顯的階段是在做完EFM（通量增強(qiáng)維持）的12h內(nèi)，單純的增加進(jìn)膜壓力對于產(chǎn)水量的上升并非特別有效，說明EFM清洗方式對于這種膜的清洗效果很好。
3．2．2 清洗方法
設(shè)計(jì)超濾系統(tǒng)的運(yùn)行包括過濾、反洗、CEB（化學(xué)加強(qiáng)洗）、CIP（在線清洗）4個(gè)步驟。
運(yùn)行方式和持續(xù)時(shí)間分別為：過濾（1 700s）→加氯堿反洗/氣洗（60s）→正沖（40s）→過濾。30min/周期，24h連續(xù)運(yùn)行。
反洗或清洗加入的藥劑為檸檬酸、氫氧化鈉及次氯酸鈉，檸檬酸能去除金屬氧化物、膠體污染物；氫氧化鈉能去除有機(jī)物污染；次氯酸鈉可去除微生物污染，可根據(jù)具體情況靈活選用。
3．2．2．1 CEB
①清洗頻率：1次/d；②化學(xué)藥劑：檸檬酸（2％）或氫氧化鈉（0．1％），酸洗可有效去除金屬離子，堿洗可有效去除有機(jī)污染物；③運(yùn)行方式和持續(xù)時(shí)間：正沖氣擦（15s）→上排反洗加堿（90s）→堿浸泡（8min）→反洗沖堿（120s）→上排反洗加酸（90s）→酸浸泡（2min）→反洗沖酸（120s）→過濾。
從實(shí)際運(yùn)行情況看，清洗效果不佳，主要原因有：進(jìn)水水質(zhì)較預(yù)期差，而且水質(zhì)變化較大；反洗管道過長，系統(tǒng)設(shè)置的加藥泵過小，導(dǎo)致反洗藥劑濃度不夠，效果不佳。后調(diào)整為：過濾、反洗、EFM、CIP4個(gè)步驟，其中調(diào)試前CEB用的是反洗管路，調(diào)整后的EFM用的是清洗管路。
3．2．2．2 EFM
①清洗頻率：1次/d；②化學(xué)藥劑：堿氯洗，即次氯酸鈉（400mg/L）＋氫氧化鈉（0．1％），或酸洗，即檸檬酸（2％）；酸洗還是氯堿洗根據(jù)需要而定；③運(yùn)行方式和持續(xù)時(shí)間：一次藥劑循環(huán)（30min）→藥劑浸泡（30min）→二次藥劑循環(huán)（15min）→正沖氣擦（15s）→上排反洗（30s）→上下排反洗（30s）→正沖（30s）→過濾。
3．2．2．3 CIP
①標(biāo)準(zhǔn)頻率：2個(gè)月1次，同時(shí)當(dāng)跨膜壓差達(dá)到150～200kPa時(shí)需進(jìn)行在線清洗；②化學(xué)藥劑（種類和濃度）氯堿洗用次氯酸鈉（2 000mg/L）＋氫氧化鈉（1％）之后用檸檬酸（2％）酸洗；③運(yùn)行方式和持續(xù)時(shí)間：一次堿液循環(huán)（2h）→藥劑浸泡（4h）→二次堿液循環(huán)（1h）→正沖氣擦（15s）→上排反洗（30s）→上下排反洗（30s）→正沖（30s）→過濾（30min）→一次酸液循環(huán)（2h）→藥劑浸泡（4h）→二次酸液循環(huán)（1h）→正沖氣擦（15s）→上排反洗（30s）→上下排反洗（30s）→正沖（30s）→過濾。
3．3 反滲透系統(tǒng)
3．3．1 運(yùn)行參數(shù)
反滲透系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)如表3所示。
3．3．2 清洗方法
根據(jù)具體情況，采用分段清洗的方法�？梢詥为�(dú)堿洗，也可以單獨(dú)酸洗或采用堿洗＋酸洗的方法。一般情況下，先排空膜內(nèi)積水，用0．1％的氫氧化鈉溶液清洗，然后再用2％檸檬酸溶液清洗。
表3 反滲透系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)
4 調(diào)試結(jié)果
系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，產(chǎn)水性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，水質(zhì)分析結(jié)果如表4所示。
表4 水質(zhì)分析結(jié)果
5 成本分析
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，東莞的供水壓力也越來越大，在四期工程完成以后，廣東理文造紙廠每天的高峰供水量將達(dá)到115 000m3。
理文造紙廠四期工程制水成本主要由設(shè)備折舊、電費(fèi)、膜更換費(fèi)用、濾芯更換費(fèi)、藥劑費(fèi)、維修費(fèi)以及人工費(fèi)和管理費(fèi)組成。該工程四期制水成本如下。具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
5．1 計(jì)算依據(jù)
（1）生產(chǎn)能力：23 000m3/d；
（2）工程投資：2 600萬元；
（3）電費(fèi)成本：0．3元/（kW·h）；
（4）單位能耗：2．4kW·h/m3產(chǎn)水；
（5）維修費(fèi)用：按實(shí)際算；
（6）裝置及配套設(shè)施平均使用壽命：15a；
（7）膜元件平均使用壽命：5a；
（8）化學(xué)試劑用量：PAC：2．39g/m3；NaClO：42．55g/m3；NaHSO3：4．43g/m3；NaOH：1．41g/m3；H3Cit：3．40g/m3；PC 191T：4．65g/m3；N7320：0．58g/m3；
（9）人工費(fèi)（四班三倒八人制）：30 000元/（人·a）。
5．2 成本計(jì)算
（1）折舊成本：0．78元/m3；
（2）電費(fèi)成本：0．72元/m3；
（3）膜更換費(fèi)用：0．32元/m3；
（4）維修費(fèi)用：0．09元/m3；
（5）濾芯更換費(fèi)用：0．07元/m3；
（6）化學(xué)藥劑費(fèi)用：0．36元/m3；
（7）人工費(fèi)和管理費(fèi)用：0．04元/m3；
（8）其他費(fèi)用0．02元/m3。
合計(jì)：2．4元/m3。
綜上可知，每m3淡化水費(fèi)用中折舊和電費(fèi)成本占制水費(fèi)用的62．5％。因此要降低制水費(fèi)用，關(guān)鍵是降低工程投資和能耗。
6 結(jié)論
（1）在超濾前設(shè)置快濾池能有效減慢超濾的TMP上升速度，降低清洗頻率，提高膜的使用壽命。
（2）對于PVDF材質(zhì)的超濾，EFM是一種非常有效的清洗方式。
（3）反滲透系統(tǒng)脫鹽率為99％，產(chǎn)水量大于設(shè)計(jì)值，出水質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，快濾—超濾—反滲透工藝對此類水質(zhì)有良好的處理效果，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
