中国分类号∶TM621.8文献标识码∶B文章编号∶1001-408X(2013)02-0019-04
1.概述
随着环保压力的不断增大，膜分离技术越来越受到各国的重视，全膜法系统在水处理设计领域的应用也越来越广泛。本文就某工程除盐水站全膜法系统进行简要介绍，并提出在系统设计中一些应注意的事项。
1.1项目的基本概况
工程总项目位于贵州山区，冬季气温较低。除盐水处理站为其自备动力车间配套的共用工程。
1.2水源水质
本工程补给水为地下水。地下水水质资料主要数据如表1。
从水质分析的数据来看，本工程水质含盐量较高。
1.3水汽质量控制标准
根据工程需要，脱盐水处理系统出水水质分为一级脱盐水和深度脱盐水两种，水质要求如下：
(1)一级脱盐水水质要求见表2。
(2)深度脱盐水水质要求见表3。
2.工程设计原则及特点
由于本工程原水含盐量较高，如采用常规离子交换系统，会出现离子交换设备的运行周期短，酸碱再生耗量大，再生频繁，排放的废酸碱也相对较多，对环境的影响也比较大。故本工程水处理系统优先选择全膜法处理工艺。
2.1工艺系统流程
根据本工程水源水质资料，以及设计边界出单元条件对系统出水水质的要求，脱盐水处理系统采用“锰砂过滤器+超滤+一级反渗透+二级反渗透+EDI"方案设计，原则性系统流程如下：
本工程原水==>锰砂过滤器==>清水箱==>超滤升压泵==>叠片过滤器==>超滤装置==>超滤产水箱==>一级反渗透供水泵==>一级反渗透保安过滤器==>一级反渗透高压泵==>一级反渗透装置==>除CO2器==>一级反渗透产水箱==>二级反渗透供水泵==>二级反渗透保安过滤器==>二级反渗透高压泵==>二级反渗透装置==>二级反渗透产水箱==>EDI供水泵==>EDI保安过滤器==>EDI装置==>除盐水箱。
其中一级反渗透出水作为一级脱盐水，通过水泵送往厂区管网，EDI出水作为深度脱盐水，通过水泵送往厂区管网。
2.2工艺系统特点
水处理系统采用全膜法工艺，酸碱耗量很少，对环境影响小，且系统自动化程度较高，劳动强度低，运行方便。
3.本工程全膜法设计中应注意的问题
全膜法系统的设计有其共性，但工程条件的不同，系统设计也存在一定的差异。以下根据本工程的实际条件，提出设计中一些应注意的事项。
3.1原水预处理的问题
从本工程的水质资料看，原水铁的含量还比较高，如果不除掉，会对后续的膜处理造成污染。另外，从超滤膜本身结构的特点看，超滤膜本身是一种娇贵的过滤介质。当水体中存在较大颗粒物质的时候，容易产生污堵，或者划伤膜，对膜本身造成不可修复的伤害，故超滤系统前的预处理就显得非常重要。大部分水处理系统中超滤装置运行效果不佳，都和预处理系统运行不好有直接的关系。本工程在设计过程中，根据原水的水质情况，在超滤前设置一级锰砂过滤器，既可有效降低原水中铁离子的含量，又起到去除悬浮物的作用，保证超滤系统的正常运行。
3.2全膜系统中加药系统的设计
全膜系统运行过程中，通常要伴随着药剂的加入，如：絮凝剂、助凝剂、氧化剂、阻垢剂、还原剂、酸和碱等。药剂的正确使用对系统的安全、稳定运行有着非常重要的作用，加药方式不正确或者其它原因，就有可能危及系统的安全。
例如超滤膜设备前的预处理系统，通常需要加入絮凝剂，絮凝剂主要是带有正(负)电性的基团中和一些水中带有负(正)电性难于分离的一些粒子或者叫颗粒，降低其电势，使其处于不稳定状态，并利用其聚合性质使得这些颗粒集中，并通过物理或者化学方法分离出来。但在实际运行过程中，部分絮凝剂由于未能充分反应，透过超滤膜进入到产水侧，在产水箱中有一定的停留时间，导致这些透过的絮凝剂发生二次絮凝，即后絮凝现象，对反渗透膜产生严重的污染。所以在运行过程中，应根据膜制造商提供的数据，严格控制药剂的投加量，当产生后絮凝现象或其它反常状况时，应停止加药。
全膜系统中，在不同的过程控制水的pH值，可以提高系统的除盐率。例如在一级反渗透进口应设加酸点，可减轻反渗透膜表面的结垢倾向。另外，反渗透膜对水中二氧化碳的去除率很低，这里通过加酸减小进水pH值，并在一级反渗透出口配合除二氧化碳器，对去除水中二氧化碳可以起到很好的效果。
在一级反渗透产水中，仍有少量二氧化碳的残留，二氧化碳对EDI装置运行影响较大，所以应进一步除去水中的二氧化碳。根据以上分析，在二级反渗透进口加碱，调节进水的pH值至8.3以上，使二氧化碳转化为碳酸根或碳酸氢根的形式除去，就能保证后续EDI设备的安全运行。
3.3关于温度的影响
超滤膜、反渗透膜对进水水温的变化十分敏感，一般膜产品较理想的运行温度在15℃～25℃之间。超出这个范围，设备的性能就可能受到一定的影响。例如随着水温的降低，水通量也线性地降低，进水水温每降低1℃，膜产水通量就降低2.5%～3.0%；其原因在于透过膜的水分子粘度下降、扩散性能减弱(水在5℃时的粘度比在25℃时高出70%)。对反渗透膜而言，进水水温的升高同样会导致透盐率的增加和脱盐率的下降，主要是因为盐分透过膜的扩散速度会因温度的提高而加快。
对于EDI装置，提高温度可使水中离子的迁移和移动更加容易，产品水质量通常会提高。但当温度过高时，会由于离子的泄漏而降低产水品质，这是因为吸附到离子交换树脂的离子减少造成的。
本工程地处贵州山区，冬季温度平均温度在0℃左右，这个温度条件下，超滤、反渗透、EDI装置出力会大大降低，为保证冬季水处理系统能正常运行，在超滤进水前设计了蒸汽加热系统，利用自备电厂产生的蒸汽对原水进行加热，使膜系统的进水温度保持在15℃～20℃之间，可以有效保证膜设备的正常出力达到设计要求。
3.4超滤系统按错流运行方式设计
前面提到了超滤膜是一种十分脆弱的水处理产品，由于预处理系统运行不好，或进水水质突然恶化等原因，都会对超滤膜造成污堵。
超滤膜的运行分为死端过滤和错流过滤两种方式，死端(dead-end)过滤是将原水置于膜的上游，在压力差的推动下，水和小于膜孔隙的颗粒透过膜，大于膜孔隙的颗粒则被膜截留。形成压差的方式可以是在水侧加压，也可以是在滤出液侧抽真空。死端过滤随着过滤时间的延长，被截留颗粒将在膜表面形成污染层，使过滤阻力增加，在操作压力不变的情况下，膜的过滤透过率将下降。因此，死端过滤只能间歇进行，必须周期性地清除膜表面的污染物层或更换膜。错流(cross-flow)过滤运行时，水流在膜表面产生两种分力，一种是垂直于膜面的法向力，使水分子透过膜面，另一种是平行于膜面的切向力，把膜面的截留物冲刷掉。错流过滤透过率下降时，只要设法降低膜面的法向力、提高膜面的切向力，就可以对膜进行有效清洗，使膜恢复原有性能。因此，错流过滤的滤膜表面不易产生浓差极化现象和结垢问题，过滤透过率衰减较慢。错流过滤的运行方式比较灵活，既可以间歇运行，又可以实现连续运行。另外，采用错流运行可有效减少膜化学清洗的次数，降低化学药剂的用量。但在设计中值得注意的是，采用错流运行的系统，超滤原水泵的出力应根据需要配置，一般选择错流量在5%～20%之间。
根据大多数超滤系统的运行经验，超滤系统按错流方式设计运行起来比较灵活，可以根据来水的实际情况，决定是否采用错流的方式运行，这对保护膜本身，延长膜寿命，以及保证系统安全运行来说非常重要。
3.5不同类型的超滤膜，反洗设备的出力也不同超滤膜大体可分为外压式和内压式，外压式超滤膜一般采用的材质是聚偏氟乙烯(PVDF)，内压式超滤膜一般采用的材质是聚醚砜(PES)。由于运行方式的不同，内压式超滤膜的反洗水量较外压式超滤膜要大一些，能耗也要高一些。一般内压式超滤膜的反洗水泵的出力是自身出力的4倍左右，外压式超滤膜反洗水泵的出力为自身出力的2～3倍。
3.6关于化学清洗设备的设置
膜系统运行过程中，进水中含有的悬浮物、溶解物质以及微生物繁殖等原因都会造成膜元件污染。当膜元件受到污染时，往往通过清洗来恢复膜元件的性能。清洗的方式一般有两种，物理清洗和化学清洗。物理清洗是不改变污染物的化学性质，通过力量使污染物排出膜元件，恢复膜元件的性能，例如超滤膜的反洗和反渗透膜的冲洗过程就属于物理清洗。
化学清洗是使用相应的化学药剂，改变污染物的组成或属性，恢复膜元件的性能。定期对膜进行化学清洗，对延长膜元件的寿命是非常有必要的。
这里要研究的是化学清洗设备的设置问题。我们知道，超滤膜的化学清洗药剂主要成份是盐酸、氢氧化钠和次氯酸钠，反渗透膜的化学清洗药剂主要是柠檬酸、EDTA等溶剂。设计膜清洗系统时，经常采取的是将超滤膜和反渗透膜的清洗设备合用的方案，这样的方案在运行过程可能会出现以下问题：超滤膜化学清洗过程中，经常会用到次氯酸钠这样的强氧化性药剂，当超滤化学清洗完成后，需要对反渗透进行化学清洗时，但由于化学清洗水箱处理不够彻底，造成配置的反渗透清洗液中氯离子超标，这样的清洗液对反渗透膜会有很大的影响。另外，当膜设备台(套)数量较多的时候，仅设一套共用的清洗装置也会增加运行人员的工作负担。
故在条件允许的情况下，超滤膜和反渗透膜的清洗装置宜分开设置(EDI装置的清洗周期很长，可与反渗透膜的清洗装置合用)，可以有利于系统的安全运行，也能减轻运行人员的工作负担。
3.7关于废水的回收利用
节约用水是工业发展必须面对的课题。本工程膜系统产生的废水可分为：超滤反洗排水、反渗透冲洗水、反渗透浓水、EDI冲洗水。根据不同类别的废水进行回收再利用，可产生循环效应，达到节水的目的。
为尽量提高系统水的回收利用率，本工程在系统设计上有以下考虑：
(1)EDI的极水全部回收至超滤产水箱，二级反渗透的浓水全部回收至超滤产水箱。
(2)将一级反渗透的浓水回收至浓水箱，一部分做为锰砂过滤器的反洗用水；另外设一套浓水反渗透装置，处理剩余的一级反渗透浓水，浓水反渗透装置的产水进一级反渗透产水箱。
(3)超滤反洗排水排至废水池，通过泵输送至循环冷却塔做为循环水的补充水。根据以上设计、优化，可使整个系统水的回收率大于或等于85%，节水的效果非常明显。
4.结语
目前除盐水站已投入运行，一级脱盐水和深度脱盐水的指标均完全满足工程的需要，且系统运行稳定，自动化程度高，对环境影响小，运行方便、灵活，运行人员的劳动强度低。除盐水站的运行情况表明，针对不同的外部条件进行正确分析，合理设计，全膜系统完全能够满足水处理工程的要求。
高效、廉价是水处理发展的趋势，随着膜产品价格的不断降低，膜处理系统与常规水处理系统之间的造价差距也大大缩小了，膜处理技术将越来越广泛的运用在各个领域的水处理项目上。
