关于内压式超滤膜在北方低温地区使用的研究佟思年

2017年第9期化学工程与装备2017年9月ChemicalEngineering&Equipment117关于内压式超滤膜在北方低温地区使用的研究佟思年（大庆油田水务公司东风水厂，黑龙江大庆163311）摘要：内压式超滤膜在中国北方地表水处理上的主要难题之一就是冬季低温水粘度大,造成超滤膜跨膜压差增加，这导致了超滤膜的药耗、能耗、自耗水的增加，减少了超滤膜的运行寿命。本文通过监测某水厂4.5万吨超滤膜项目冬季运行情况，针对内压式超滤膜在低温进水运行时所产生的问题，在生产运行方面做出了系统的描述和分析。昀终通过调整超滤装置的运行负荷实现了冬季低温水处理期间超滤装置的稳定运行，并对北方低温地区超滤膜的选择与使用给出了建议。关键词：膜技术；内压膜；低温水处理；跨膜压差1概述目前，膜分离技术已经广泛应用于水处理、医药、食品及化工等领域［1］。近几年来，为了提高城镇居民饮用水质量，中国北方地区开始引入超滤膜处理技术，其中内压式超滤膜因其占地面积小、操作简单、结构紧凑、纳污量小等特点［2］，被部分水厂所采纳。然而内压式超滤膜不但对进水水质要求较高［3］，相较于外压式超滤膜，内压式超滤膜膜丝材质较脆，绝大多数无法实现气洗［4］，造成物理反洗自耗水较高，且内压膜运行时的跨膜压差上限较低，这两个问题在北方低温地区内压式超滤膜使用时暴露的尤为明显。现以北方某水厂2014年建成的日处理水量为4.5万吨/天的超滤膜组实际运行情况为例，谈谈在低温进水条件下内压式超滤膜运行所面对的问题及解决方式。2工艺简介2.1水厂工艺该水厂原水取自地表水库，原设计供水能力5.0万立方米/天,当前日供水量在4.5万立方米左右。该水库由嫩江引水，其水质特点为：存在轻度的有机物污染，高锰酸盐指数高时可达6.5mg/L；冬季冰冻期达6个月左右，水厂原水取自冰下，昀低水温0.9℃，夏季昀高水温26.6℃。水厂水处理工艺流程图如下：图1水厂净水流程图2.2超滤工艺该水厂建有超滤装置9组，采用卧式内压中空纤维膜，材质为PES(聚醚砜)，过滤方式为全流过滤。超滤装置采用8寸压力容器，在每个压力容器中，放入4支膜组件，每个组件长度1.5m，毛细管式，每个膜组件膜面积40㎡，设计运行通量为50L/m2h，单组装置设计处理水量约为190~200m3/h，日常运行需投加絮凝剂以增加膜的过滤效果。超滤装置及配套系统的工艺流程简图详见图2。2.3超滤装置设计运行参数该超滤装置设计进水条件为：常规处理砂滤池出水经臭氧—活性炭滤池处理后的水质。同时也考虑下列水质条件：●进水温度在2ºC～27ºC之间；●低水温期（进水温度在2ºC～10º之间）150～180天；●pH：7～9；●进水浊度正常情况下≤1NTU，特殊情况下≤3NTU；●进水CODMn正常情况下≤3mg/L，特殊情况下≤5mg/L；●原水余氯：≤0.5ppm；●锰含量：≤0.1mg/L；●铁含量：≤0.3mg/L。水厂超滤装置部分设计运行参数：●产水能力单组210m3/h;●物理反洗150m3/次；●CEB（维护性化学清洗）8天/次；●CIP（恢复性化学清洗）3个月/次；●跨膜压差报警值0.5bar；●跨膜压差停机值0.6bar；因卧式超滤膜每根压力容器中放入4支超滤膜，且超滤膜连接部分较为脆弱，所以该超滤装置跨膜压差上限较低。DOI:10.19566/j.cnki.cn35-1285/tq.2017.09.036118佟思年：关于内压式超滤膜在北方低温地区使用的研究图2超滤装置及配套系统流程图3冬季超滤装置的运行与调整通过几年的实际运行发现，该超滤装置运行的昀大问题为冬季低温进水造成的跨膜压差快速增高，水耗、能耗、药耗的增加和化洗效果下降。这些问题都直接揭示了北方地区在选择和建设超滤装置及建成运行时的考虑重点之一应该是进水温度。下面就以该水厂9组超滤装置中的1组实际运行数据为例，阐述低温进水条件下的内压式超滤膜的运行状态。因药耗在此工艺段里占据的净水成本相对较少，所以在本文里不做详细介绍。3.1超滤装置进水温度图3超滤装置进水温度图3记录了该组超滤装置在2015年10至2016年3月及2016年10至2017年3月两时段的进水温度数据，每个月均选了4个时间点作为绘制温度曲线的依据。从图中可以看出，该超滤装置进水温度在11月中旬会快速下降至2~3摄氏度，至次年3月中旬以后温度才会恢复至5摄氏度左右。整个冬季低温运行期（10ºC以下）近6个月，2~5ºC运行期近5个月。3.2超滤装置跨膜压差图4超滤装置跨膜压差图4是与图3对应时期的超滤装置跨膜压差，从图中可CIPCEB自活性炭滤池超滤原水池原水提升泵加药装置自清洗过滤器超滤装置清水池/反洗水池物理清洗系统化学清洗系统中和系统废水池至市政污水空气动力系统佟思年：关于内压式超滤膜在北方低温地区使用的研究119以看出，2015年，随着冬季超滤装置进水温度的不断下降，超滤装置的跨膜压差持续上升，并昀终维持在一个很高的范围内，直至次年水温回升后，跨膜压差才会逐渐降低。在该过程中，各膜组会出现跨膜压差升高至报警上限的情况。表1显示了2015年冬季超滤装置进水温度与跨膜压差的对应关系，从表中可以看出，该超滤装置冬季进水水温介于1.5~14℃，在日常运行负荷下，单组膜堆处理水量在180~200m3/h，当进水温度在10℃以上时，超滤膜完全能够按照设计要求运行，进水产水水质合格。然而当冬季水温不断降低，造成水的粘度持续增大，当超滤膜进水温度低于5℃时，超滤膜的跨膜压差开始大幅度上升，当超滤膜进水温度在2℃左右时，过大的跨膜压差会导致超滤装置的运行通量在一个物理反洗周期内持续下降，此时超滤装置已无法达到设计产水量。且必须依靠提高物理反洗频率，缩短化学清洗周期等手段来维持超滤膜的正常运行。高频的反洗与化学清洗也会占用大量超滤装置的运行时间，依旧降低了超滤装置的总产水能力，且造成超滤装置冬季运行自耗水、电耗，药耗的升高。表12015年进水温度与跨膜压差项目2015.102015.112015.122016.012016.022016.032016.04进水温度（℃）148~33~21.822~55~9跨膜压差（bar）0.18~0.250.25~0.330.33~0.50.35~0.520.35~0.50.3~0.40.35~0.25从上述数据可以看出，该超滤装置因为冬季长期的低温进水，导致无法实现设计中的产水能力。3.3超滤装置自耗水与化学清洗为了让超滤装置能够在低温进水的条件维持运行，冬季来临时，需要将超滤装置物理反洗调整为120m3/次，CEB调整为6~7天/次，CIP调整为1月/次。调整后膜堆自耗水量昀高可达10%，整个冬季自耗水均高于8%，这不但使水厂净水成本升高，也增加了水厂污水的排放量。表2超滤装置自耗水超滤自耗水2015（%）2016（%）2017（%）1月88.748.62月8.69.518.63月9.89.528.64月8.358.617.85月8.376月76.57月6.868月76上表为2015~2017年超滤装置运行各月份自耗水对比。从表中可以看出，内压式超滤膜运行自耗水普遍较高，特别是冬季运行自耗水要远远高于其他季节，昀大差距将近4个百分点，普遍要高2个百分点以上。以该水厂日处理水量为4万m3/天计算，冬季较夏季每天要多消耗800~1000m3清水用来对超滤装置进行物理清洗。过高的自耗水大大增加了水厂净水成本，低温水粘度大造成提升泵能耗的增加，这说明该超滤装置冬季运行是缺乏经济性与合理性的。3.4超滤装置低温期运行调整超滤膜随着使用时间的增加，跨膜压差与透过率都会出现不可逆的损失[6]。如何减缓这种损失就是超滤膜使用寿命的关键。为了使低温进水条件下运行的超滤膜寿命能够延长，厂方通过调整低温运行期单组超滤膜运行负荷来实现超滤装置的平稳运行。从图4中可以看出2016年10月至2017年3月的跨膜压差曲线从2017年1月开始超滤装置的跨膜压差较2016年同期要低很多，且运行比较平稳。这是因为在保证水厂产水水质合格的前提下，调整了超滤装置运行负荷，将单组超滤膜处理水量由180~200m3/h降低至140~150m3/h，同时开启水厂产水主管线的隔断阀（见图5），让超滤产水与活性炭产水混合进入清水池。图5阀门调整示意图通过该措施，大大降低了超滤装置的单位时间的处理水量，低温水流速的降低让超滤装置的跨膜压差能够维持在一个较为安全的范围，且原水提升泵的能耗也有所下降。从表3可以看出，调整超滤装置负荷后，超滤膜的各项运行数据都较调整之前优异。调整后超滤装置运行的跨膜压超滤进水超滤产水产水主管线隔断阀120佟思年：关于内压式超滤膜在北方低温地区使用的研究差虽然依旧高于夏季，但已经远远低于16年同期的运行压差。自耗水也有所降低且维持在一个比较稳定的数值上。化学清洗频率的降低使药剂对膜堆的危害有所减少。单位时间处理的水量的下降，使膜堆内低温水流速下降，提升泵阻力减小，能耗下降。整体运行数据更加趋于合理而稳定。由此可见，冬季适当降低超滤装置运行负荷，可以保证设备的稳定运行，且能够降低水、电单耗。表3调整后超滤装置参数对比项目2017.012017.022017.032016.012016.022016.03自耗水（%）8.68.68.68.749.519.52跨膜压差（bar）0.25~0.30.27~0.330.27~0.330.35~0.450.35~0.50.35~0.5物理反洗周期150m3/次120m3/次化学反洗周期8天/次6天/次电耗0.07kWh/m30.08kWh/m34结论与建议通过上述实际案例的分析，笔者得出以下结论：（1）该卧式内压超滤膜在低温进水（2~5摄氏度）运行时，抗低温能力差，跨膜压差呈不可逆性增加，无法达到设计产水量。（2）该超滤装置冬季运行自耗水达到8.5~10%，造成净水成本过高。（3）在保证产水水质的情况下，该超滤装置冬季降负荷运行更加经济合理。综上所述，超滤膜技术的广泛应用是水处理领域未来发展的趋势，内压式超滤膜有其自身的优势和劣势，清楚自身生产工艺需求，懂得扬长避短才是使用者必须做到的事。笔者通过自身工作经验总结认为中国北方低温地区在超滤膜的选择和使用上应该注意以下几点：（1）在超滤膜的选择上一定要把温度作为考虑重点之一，特别是运行期进水温度存在低于5摄氏度情况的地区应选用抗低温能力强的超滤膜。（2）选用内压式超滤膜的厂家，建造超滤装置时应选择富裕量较大的超滤系统，超滤工艺段设计荷载一定要高于前段工艺水处理量，以保证超滤膜冬季能够正常运行。（3）在能保证进水与产水质的前提下，建议在低温运行期对内压式超滤膜进行降负荷运行，这样能够降低水电药耗，并减少设备损耗，延长膜堆寿命。（4）内压式超滤膜自耗水普遍高于外压式超滤膜[4]，特别是在冬季运行时有时会高达10%，建议在选用内压式超滤膜的同时考虑建设物理反洗水回收系统，用以降低运行成本及减少污水排放量。（5）要注重运行管理与维护的人才培养。先进的设备需要负责的员工来管理运行，也需要优秀的团队来保养与维修。大部分超滤装置的自动化程度都非常高，甚至能够达到无人化控制［5］，然而任何一个自动化节点出现问题都可能会导致整个自动化系统的瘫痪，所以一个优秀的运维团队是必须的，在注重工艺、设备先进化的同时，也应该同步培养运维人才。参考文献[1]伍联营,等.超滤水处理系统中膜组件化学清洗方法研究[J].水处理技术,2013,39(1):42.[2]赵江.超滤反洗水回用技术探讨[J].区域供热,2015(4):104-106.[3]周柏青.全膜水处理技术[M].北京:中国电力出版社,2005:40.[4]任立纲,马红刚.内压式与外压式超滤膜在实际应用中的分析比较[J].冶金动力,2009(5):78-80.[5]钱荣.PLC控制在超滤水处理中的应用[J].控制工程,2012(19):168.[6]JuddS.,C.Judd.TheMBRBook:PrinciplesandApplicationsofMembraneBior