將微濾、超濾、反滲透和電去離子（EDI）等4 種膜分離技術(shù)有機(jī)地組合在一起應(yīng)用于工業(yè)水處理，達(dá)到高效去除污染物和脫鹽目的技術(shù)，稱之為全膜水處理技術(shù)。近幾年，全膜法因在水處理過程中不需酸、堿，操作方便，出水水質(zhì)好和性能穩(wěn)定等突出的優(yōu)點(diǎn)，在許多電廠中得到應(yīng)用〔1〕。筆者以某電廠鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)為例，就全膜法水處理技術(shù)在電廠中的應(yīng)用做初步分析和探討。
1 鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)工藝
1.1 系統(tǒng)工藝流程
某電廠鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)采用全膜法水處理工藝，設(shè)計為兩套系統(tǒng)，每套系統(tǒng)產(chǎn)水能力為34m3/h，其工藝流程為：機(jī)械加速澄清池出水→纖維過濾器→清水箱→清水泵→自清洗過濾器→超濾裝置→超濾水箱→超濾水泵→保安過濾器→一級高壓泵→一級反滲透裝置→一級淡水箱→保安過濾器→二級高壓泵→二級反滲透裝置→二級淡水箱→二級淡水泵→EDI→除鹽水箱→除鹽水泵→主廠房。該工程水源為水庫來水，水質(zhì)為：K+ 6.58 mg/L，Na+16mg/L，Ca2 + 17.2 mg/L，Mg2 + 7.0 mg/L，F(xiàn)e3 + 0.41 mg/L，Al3+ 0.016 mg/L，Cl- 24.6 mg/L，SO42- 7 mg/L，SiO2（全）7.55 mg/L，總硬度70.9 mg/L，COD 5.92 mg/L，懸浮物24，pH 8.48。經(jīng)機(jī)械加速澄清池處理，保證其出水懸浮物≤10 mg/L 后，再進(jìn)入鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)。
1.2 系統(tǒng)工藝特點(diǎn)及運(yùn)行方式
1.2.1 纖維過濾器
纖維過濾器為MPCF150 孔隙調(diào)節(jié)型，單臺處理能力150 m3/h，過濾器采用韓國曉林產(chǎn)業(yè)株氏會社生產(chǎn)的PP 材質(zhì)纖維絲纏繞濾芯，過濾精度為5 μm。
纖維過濾器運(yùn)行方式為程控自動運(yùn)行，在過濾過程中對纖維絲施以回轉(zhuǎn)機(jī)具壓榨，使其纖維絲縱向之間孔隙變小，水中的懸浮物均被擋住留在纖維絲外，過濾后得到清潔的處理水。當(dāng)過濾器內(nèi)被截留的懸浮污物（雜質(zhì)）增多，處理水量下降，壓差達(dá)到設(shè)定值，自動進(jìn)入反沖洗過程；反洗時讓過濾器的壓榨機(jī)具放松，使過濾纖維的孔隙在舒張的狀態(tài)下，用羅茨風(fēng)機(jī)來空氣和反洗水合洗，將污物通過排放管排除，然后又自動進(jìn)入過濾程序。工作原理如圖 1 所示。
圖 1 纖維過濾器運(yùn)行原理
（1）纖維過濾器在初期運(yùn)行時，當(dāng)壓差為0.08 MPa時進(jìn)行自動反洗，反洗壓差設(shè)定范圍為0.05 ～0.12 MPa，反洗壓差不能設(shè)定過高，設(shè)定過高會造成過濾水質(zhì)惡化、水量減少、排管異常等。設(shè)備運(yùn)行7 個月后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)設(shè)備壓差達(dá)到0.05 MPa 前系統(tǒng)出水懸浮物已經(jīng)超出設(shè)計值5 mg/L，對纖維絲進(jìn)行了人工清洗，反洗改為根據(jù)時間自動進(jìn)行，每70 min自動反洗一次。
（2）在反洗時，采用氣水合洗，反洗水量控制為130～150 m3/h，反洗水壓力0.15 MPa，反洗進(jìn)風(fēng)量為19.5 m3/min，壓力為0.05 MPa，進(jìn)氣采用底部進(jìn)氣有兩個目的：一是空氣擦洗；二是利用空氣上升的動力使纖維絲抖動，纖維絲之間產(chǎn)生摩擦，這樣黏附的固體就比較容易去掉。擦洗過程中，纖維絲為脈沖式的放松和旋緊，持續(xù)放松25 s 后旋緊纖維絲5 s，再放松纖維絲25 s，運(yùn)行初期，放松、旋緊過程為4 次，運(yùn)行7 個月后放松、旋緊過程為7～8 次。
1.2.2 超濾系統(tǒng)
超濾系統(tǒng)運(yùn)行方式為錯流過濾，配置為兩套，每套處理能力為56 m3/h，系統(tǒng)回收率≥95％，每套超濾裝置的核心部分為15 支荷蘭NORIT 公司生產(chǎn)的Aquaflex SXL225 FSFC 中空纖維膜組件。
超濾系統(tǒng)的啟動、運(yùn)行、沖洗、停機(jī)備用等過程均由超濾PLC 實(shí)現(xiàn)自動控制。原水在中空纖維的內(nèi)部流動，而產(chǎn)水則是在原水流經(jīng)膜的過程中逐漸由內(nèi)壁向外壁透過（稱為內(nèi)壓式），收集后，成為超濾產(chǎn)水從產(chǎn)水端排出。超濾運(yùn)行過程中控制膜過濾壓差（TMP）小于0.08 MPa，TMP 最大不能超過0.10 MPa否則會導(dǎo)致在膜的表面形成無法反洗掉的污垢。超濾運(yùn)行一段時間后被截留的懸浮物、細(xì)菌、大分子有機(jī)物、膠體等就堆積在纖維內(nèi)表面，此時膜的進(jìn)水側(cè)與產(chǎn)水側(cè)的壓差會逐漸增加，需要進(jìn)行水力清洗。
（1）系統(tǒng)設(shè)定每運(yùn)行30 min 后進(jìn)行一次水力清洗，水力清洗主要分為正沖擦洗和反洗，正沖擦洗控制正沖流量為56 m3/h，壓縮空氣壓力為0.1 MPa，空氣流量為150 m3/h，時間為10 s，反洗過程中控制流量為240 m3/h，TMP 小于0.25 MPa，時間為30 s，反洗時間要保證能夠?qū)⑺形畚锊粌H僅是清除出膜組件，而且要保證清除出膜系統(tǒng)。
（2）為了清除水力清洗無法除去的所有污物，在系統(tǒng)進(jìn)行水力清洗30 個周期后，進(jìn)行一次化學(xué)加強(qiáng)反洗，化學(xué)加強(qiáng)反洗分為堿洗（NaOH+NaClO）和酸洗（HCl），堿洗的目的主要除去有機(jī)物，酸洗的目的主要除去金屬氧化物，運(yùn)行過程中3 次堿洗后進(jìn)行一次酸洗，堿洗過程中控制pH 為12，NaClO 質(zhì)量濃度為200 mg/L，酸洗過程中控制pH 為2，整個化學(xué)加強(qiáng)反洗過程中控制流量為120～150 m3/h，同時注意控制TMP 不能超過0.25 MPa。
（3）預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如表 1 所示。
表 1 預(yù)處理系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果 注：以2012-08-07~2012-08-16 十天運(yùn)行數(shù)據(jù)為例。
由表 1 可見，預(yù)處理系統(tǒng)出水濁度為0.02～ 0.05 NTU，SDI＜2，完全滿足反滲透入水要求。
1.2.3 反滲透系統(tǒng)
反滲透脫鹽系統(tǒng)由兩級膜處理裝置組成，一級反滲透裝置設(shè)置2 個系列，每列產(chǎn)水量42 m3/h，每列配置60（6：4 排列）支陶氏BW30-400 型聚酰胺復(fù)合膜元件，系統(tǒng)設(shè)計脫鹽率≥97％，回收率為75％。二級反滲透裝置設(shè)置2 個系列，每列產(chǎn)水量36 m3/h，每列配置36（4：2 排列）支陶氏BW30-365 型聚酰胺復(fù)合膜元件，系統(tǒng)設(shè)計脫鹽率≥99％，回收率為85％。一、二級保安過濾器濾元過濾精度均為5 μm。
反滲透脫鹽系統(tǒng)的運(yùn)行和監(jiān)控由PLC、儀表、計算機(jī)系統(tǒng)和工藝流程模擬屏執(zhí)行。系統(tǒng)運(yùn)行過程中高壓泵啟動時，為了防止高壓水源直接沖擊膜元件，造成膜元件的破裂，高壓泵出口電動慢開門逐漸打開，使膜系統(tǒng)水壓逐漸穩(wěn)定升高，同時加藥泵自動啟動（一級反滲透入口加還原劑和阻垢劑，二級反滲透入口加NaOH），反滲透系統(tǒng)正常運(yùn)行時，給水／ 濃水流沿著反滲透膜表面以一定的流速流動，污染物很難沉積下來，但是如果反滲透系統(tǒng)停止運(yùn)行，這些污染物就會立即沉積在膜的表面，對膜元件造成污染。所以在反滲透系統(tǒng)停運(yùn)前設(shè)置了自動沖洗，利用干凈水對膜元件表面進(jìn)行停運(yùn)沖洗，以防止這些污染物的沉積。一級反滲透沖洗流量為56 m3/h，二級反滲透沖洗流量為45 m3/h，沖洗時間為10 min。
（1）運(yùn)行過程中控制反滲透入口壓力為1.0 MPa，同時注意保安過濾器進(jìn)出口壓差小于0.2 MPa，若大于0.2 MPa 需要更換濾芯。同時運(yùn)行中注意控制產(chǎn)品水的壓力永遠(yuǎn)不會超過給水或濃水的壓力。
（2）為了保證高壓泵安全運(yùn)行，高壓泵運(yùn)行過程中設(shè)置了入口壓力低和出口壓力高保護(hù)，當(dāng)?shù)蛪盒盘柣蚋邏盒盘栍|發(fā)保持3 s 后，高壓泵自動停止，設(shè)置值為壓力低≤0.1 MPa，壓力高≥1.8 MPa。
（3）反滲透膜雖然能夠承受短期的氯和次氯酸根的攻擊，但若連續(xù)接觸將會破壞膜的分離能力，由于氧化性破壞引起膜性能的下降，反滲透膜入口余氯的含量一般要求控制＜0.1 mg/L，為了防止游離氯超標(biāo)，在一級反滲透入口設(shè)置了還原劑加藥管路，同時安裝了ORP 表，用于控制和調(diào)整加藥量，還原劑采用NaHSO3，藥劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，通過加藥裝置控制加藥量。當(dāng)ORP 表顯示≤150 mV 時，停止加藥泵；當(dāng)150 mV＜ORP≤250 mV 時，加藥泵頻率自動控制25 Hz；當(dāng)250 mV＜ORP＜300 mV 時，加藥泵頻率自動調(diào)整至50 Hz；當(dāng)ORP>300 mV 時，停止運(yùn)行所有反滲透組件，以防引起膜的嚴(yán)重?fù)p壞。另外系統(tǒng)長時間連續(xù)運(yùn)行時，水中鈣鎂等離子會不斷析出并在反滲透膜表面附著，形成結(jié)垢堵塞膜孔，為延緩鈣鎂等離子的析出和膜面結(jié)垢，在一級反滲透入口水中投加了阻垢劑，因?yàn)闄C(jī)加池用混凝劑為聚合鋁，為了防止與聚合鋁形成不溶聚合物，阻垢劑選用與聚合鋁相兼容的藥劑，阻垢劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，加藥量為2～4 mg/L。
（4）在二級反滲透入口設(shè)置了加堿系統(tǒng)，投加的堿液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的NaOH，質(zhì)量濃度過高pH 不好調(diào)節(jié)，控制二級反滲透入口pH 為8.3 左右。主要有以下兩個目的：第一，由于反滲透膜對水中CO2的透過率幾乎為100%，而從碳酸的電離度與水中pH的關(guān)系中可見，當(dāng)pH 約為8.3 時溶液中幾乎只含有HCO3-，這樣HCO3-通過反滲透系統(tǒng)全部去除，間接實(shí)現(xiàn)了去除CO2的目的，提高反滲透的脫鹽率。第二，當(dāng)pH ＜8 時，溶解硅以硅酸的形式存在，如硅酸的濃度超過其溶解度，硅將沉積出來；當(dāng)水的pH>8時，硅的溶解度增加，此時，硅酸電離為硅酸根SiO32-，為防止硅在膜表面沉積，需保證二級反滲透進(jìn)水pH 在8.0 以上〔2〕。
（5）反滲透系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如表 2、表 3 所示。
表 2 一級反滲透運(yùn)行結(jié)果 注：以2012-08-07~2012-08-16 十天運(yùn)行數(shù)據(jù)為例。
表 3 二級反滲透運(yùn)行結(jié)果
由表 2、表 3 可見，一級反滲透出水電導(dǎo)率為5.1～7.2 μS/cm，脫鹽率≥97%；二級反滲透雖然脫鹽率不高，但產(chǎn)水電導(dǎo)率一直保持在≤5 μS/cm，出水水質(zhì)穩(wěn)定。
1.2.4 EDI 系統(tǒng)
EDI 系統(tǒng)設(shè)置2 個系列，每列產(chǎn)水量為34 m3/h，每列配置11 塊GE E-CELL MK-3 系列EDI 模塊，回收率為95％。EDI 運(yùn)行采用自動控制，工作過程如圖 2 所示。
圖 2 EDI 運(yùn)行原理
由圖 2 可見，工作過程一般分為三個步驟： （1）淡水室中的離子交換樹脂對水中電解質(zhì)離子的交換作用，去除水中的離子；（2）在外電場作用下，水中電解質(zhì)沿樹脂顆粒構(gòu)成的導(dǎo)電傳遞路徑遷移到膜表面并透過離子交換膜進(jìn)入濃水室；（3）樹脂、膜與水相接觸的擴(kuò)散層中的極化作用使水解離為H+和OH-，除部分參與負(fù)載電流外大多數(shù)對樹脂起再生作用。離子交換、離子遷移、電再生相伴發(fā)生、相互促進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)去除離子的過程〔3〕。
（1）EDI 啟動時，為了防止水錘導(dǎo)致的嚴(yán)重?fù)p壞，EDI 給水泵設(shè)計為變頻泵，給水壓力和流量緩慢上升至運(yùn)行壓力和流量的時間為1.5 min。同時啟動和運(yùn)行過程中設(shè)置了產(chǎn)品水、濃水和極水低流量保護(hù)，當(dāng)3 個流量低信號其中任何一個觸發(fā)并保持3 s，EDI 模塊自動斷電，保護(hù)值為產(chǎn)品水流量≤27.5m3/h，濃水流量≤2.2 m3/h，極水流量≤660 L/h。運(yùn)行過程中每個模塊電壓控制為60～65 V，電流為2～3 A。
（2）因?yàn)镋DI 模塊系統(tǒng)為直通逆流設(shè)計，即淡水及極水進(jìn)口設(shè)置在模塊底部，出口都設(shè)置在頂部，極水流由淡水流進(jìn)口供給，濃水進(jìn)口設(shè)置在模塊頂部，因此運(yùn)行過程中，為了防止?jié)馑Z入產(chǎn)品水，通過控制濃水進(jìn)口閥來調(diào)節(jié)濃水進(jìn)口與淡水出口之間的壓力差，嚴(yán)格控制淡水產(chǎn)水壓力至少比濃水進(jìn)口壓力大0.035 MPa，EDI 系統(tǒng)示意如圖 3 所示。
圖 3 EDI 系統(tǒng)示意
（3） EDI 運(yùn)行結(jié)果如表 4 所示。
表 4 EDI 運(yùn)行結(jié)果
由表 4 可見，EDI 系統(tǒng)出水電導(dǎo)率≤0.10 μS/cm，SiO2≤5 μg/L。由運(yùn)行結(jié)果可見，全膜法水處理技術(shù)出水完全能滿足電廠鍋爐補(bǔ)給水水質(zhì)的要求。
3 全膜法工藝及經(jīng)濟(jì)性評價
與傳統(tǒng)的離子交換法相比，全膜法水處理工藝有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）無酸堿廢液排放，對環(huán)境無污染。（2）系統(tǒng)簡單、占地面積少，安裝、運(yùn)行操作和維護(hù)工作量小。（3）系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，連續(xù)制水能力強(qiáng)，不需單獨(dú)再生。（4）水的回收率高，當(dāng)進(jìn)水硬度小于0.02mmol/L 時，回收率可達(dá)90%～95%〔4〕。
全膜法裝置運(yùn)行費(fèi)用包括電耗、水耗、藥劑費(fèi)及設(shè)備折舊等費(fèi)用，其中設(shè)備一次性投資約略高于傳統(tǒng)離子交換處理方式，每產(chǎn)1 t 水，水費(fèi)以1.5 元計，電費(fèi)以1.0 元計，藥劑費(fèi)計0.25 元，人工費(fèi)計1.5 元，總運(yùn)行費(fèi)用為4.25 元/t，以每年運(yùn)行6 500 h 計算，年運(yùn)行費(fèi)用為187.85 萬元〔5〕。和同規(guī)模的離子交換處理技術(shù)（陽床+陰床+混床）相比，省去了酸堿消耗，可少用鹽酸650 多t，同時省去了再生用水、廢水處理和污水排放等費(fèi)用，運(yùn)行費(fèi)用明顯降低，約一年即可收回一次性投資差額，另外與同等產(chǎn)水量的離子交換系統(tǒng)相比，廠房面積可節(jié)約40%，廠房高度可降低1/3。具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結(jié)論
全膜法水處理技術(shù)在電廠中應(yīng)用，其出水水質(zhì)穩(wěn)定優(yōu)良，出水電導(dǎo)率小于0.1 μS/cm，含硅量小于5 μg/ L，完全能滿足電廠鍋爐補(bǔ)給水水質(zhì)的要求。與傳統(tǒng)的離子交換處理技術(shù)相比，全膜法因其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)在電廠中應(yīng)用將會越來越廣泛。
