PROC膜元件在废水回用领域的应用案例

1. 前言

钢铁工业总能耗约占全国的15%,耗水量占工业总量的14%,是耗能、耗水的大户,节水潜力巨大。我国“十一五”规划纲要中,把节能减排和结构调整 作为重要任务。经过几年努力,2009年重点钢铁企业平均吨钢耗新水平均4.43立方米,已经达到《钢铁产业调整和振兴规划》中提出的重点大中型钢铁企业 吨钢耗新水量低于5吨的指标量化要求。

冶金企业污水经过组合工艺的深度处理,回用成为循环冷却水、工艺用水,甚至是企业自备电厂的锅炉补给水,是节水的主要方式之一。而反渗透膜是中水进 行深度脱盐处理的核心技术。自从1997年开发出全球第一支低污染反渗透膜元件以来,美国海德能公司的低污染反渗透技术每天在全球各地将100万m3的污水处理成再生水循环利用。

2006年美国海德能公司在总结国内十几年应用的经验基础上,研发了全新的低污染膜元件PROCÔ系列,平膜耐药性、稳定性提高,组件结构采用了端 板快速排气专利技术和新型34mil(0.86mm)宽进水隔网,增强了膜元件抗污染的能力。其中,PROC10脱盐率高达99.75%,产水水质好,能 缓解后续工艺负荷;PROC20运行压力低至1.0MPa,能明显降低制水成本。

2.        PROC™产品系列增强设计

2.1 34mil宽进水隔网

根据国内外多年应用经验,膜元件污染物当中胶体、微生物污染占3/4左右,这类污染是进水中含有的污染物流入膜元件中,造成堵塞原水流道, 压差上升,产水量下降等问题。PROC™采用独特的自动卷膜技术,采用比传统膜元件宽20%的特殊形状34mil进水隔网,降低进水在膜元件内部流动的阻 力,减少污堵倾向,提高清洗恢复性。在某项目中同时采用了进水隔网为28mil的传统膜元件和PROC™,因预处理工艺效果不好、进水SDI>5导 致一段时间内反渗透系统污染速度较快,见图1。与传统膜相
比,PROC™膜压差上升幅度小,清洗后压差能降到初始状态,说明其污堵速度慢,清洗恢复性能好。

图1 PROC™与传统膜运行压差图

2.2 端板快速排气专利技术

反渗透膜元件有时会受到机械性损坏。主要原因是在系统启动时,水流进入膜元件,导致压力急速上升,膜元件与膜壳之间的空气不易排放,膜元件内部与膜 元件和膜壳间空气的压差可高达1 MPa,造成膜元件的膨胀,导致膜元件破损。PROC™在膜两侧端板上了6个排气槽,加快了排气速度,避免了FRP的爆裂现象,见图2。

图2 端板排气专利技术

2.3 化学清洗稳定性

反渗透膜在运行中主要会受到生物污染、胶体污染和无机盐结垢,在污染达到一定程度时需进行化学清洗。一般来说,酸性药剂用于清洗无机垢类或胶体类污 染,碱性药剂用于清洗生物污染和有机污染。反渗透膜的芳香族聚酰胺材料,在强碱反复清洗情况下可能导致平膜皮层的高分子键的疏松甚至破坏,使透盐率增加、 产水量上升、反渗透膜劣化。PROC™通过平膜增强技术,耐强碱清洗能力大幅度提高,如图3所示,强碱清洗40次,膜元件脱盐率能恢复100%; 清洗90次,脱盐率保持度维持在99.8%以上。如果按冶金中水回用项目的特点,估计每2个月需进行一次清洗,膜运行5年需清洗30次,按图3中显示可 知,强碱液清洗不会对膜元件性能造成负面影响。

图3 PROC™膜强碱清洗恢复性图

3.PROC10在唐山国丰钢铁中水回用项目运行数据

唐山国丰钢铁中水深度处理采用UF与RO双膜的简单流程:原水采用市政污水处理厂达到一级A排放标准的污水,然后经过超滤系统,再进入到反渗透膜系 统;反渗透产水一部分作为各净环系统及软水密闭循环系统的补充水,另一部分经过混床处理后用于中压锅炉的补给水。其中的反渗透系统设计出力:3×200 m3/h,单套排列方式:30:15(6芯膜壳),回收率:75%,设计膜通量:19.9L/m2·h,膜型号为PROC10。

RO系统自07年底投运以来,已稳定运行近三年。进水电导255-995цs/cm,温度为15.9-37.9 ℃,波动较大。为排除温度对运行参数的影响,我们采用换算到25℃标准化数据来进行分析运行状况。图4、图5分别为进水压力、标准化产水量、标准化透盐率 的数据。从中可以看出,在将近三年的运行中,各项运行参数都变化不大,且目前的系统脱盐率还保持在97%以上,说明膜元件性能长期稳定。

图4 进水压力和标准化产水量图

图5 标准化透盐率图

4. PROC20节能抗污染技术特点

在工业污水回用时,一般会根据回用水的不同用途和水质要求来进行分级处理。许多冶金行业的深度处理回用是达到工业水级别,注重节能减排中的运行成 本,并不是以高脱盐率为目标。美国海德能公司以此类需求为方向研发出了节能型低污染反渗透膜PROC20,其在1.05Mpa的标准测试压力下,产水量为 39.7 m3/d,公称脱盐率为99.5%。

4.1 PROC20膜分离皮层表面构造控制技术

它采用了美国海德能公司的第3代平膜构造制备技术,增加了聚酰胺表面分离层的表面积(见图6),从而提高膜的产水性能,降低运行压力。

图6 美国海德能公司不同型号膜分离层构造图

4.2   PROC20 膜表面污染特点

PROC20在受到污染时,由于分离皮层表面积的增加,污染物仅堆积在分离皮层皱褶顶部表面。图7表明一个膜表面污染严重的PROC20膜元件,在 电镜照片下能看清晰看出底部部位没有污染物。平膜表面与污染物间缝隙的存在能减缓膜因受到污染所导致的产水量下降;并且易于通过冲洗和化学浸泡使污染物从 膜表面剥离,提高清洗恢复程度。

图7 PROC20膜污染图

4.3 PROC20应用案例

4.31 系统配置和进水水质

在天野化工项目中,废水水源为循环排污水、工艺废水和生活废水的混合,经过一系列预处理后,采用PROC20膜元件来达到回用要求。系统进水量为每套260m3/h,共2套,回收率为75%,采用(32:16)*6的一级两段排列方式。

华能沁北电厂项目中,来自循环水系统的排污水首先进入旁流弱酸处理系统,去除水中的悬浮物和碳酸盐硬度;再进入锅炉补给水处理系统,即经过超滤、反 渗透、一级复床和混床等处理。超滤采用HYDRAcap60;反渗透系统2010年4月起由原来的LFC1更换为PROC20膜元件,系统产水量为每套 75m3/h,共2套,回收率为75%,采用(8:4)*6的一级两段排列方式。

两个项目的典型进水水质见表1。

表1 两个项目进水水质

水质检测项目 天野化工 沁北
钙(Ca2+)  mg/l 139.19 126.6
镁(Mg2+)  mg/l 55.05 72
可溶性SiO2 mg/l 29.07 51
钠 (Na)mg/l 164.49  
钾  (K)   mg/l 5.84  
碳酸氢根(HCO3)mg/l 188.22 90
硫酸盐(SO42+)mg/l 366.06  
CODMn mg/l 4.06  
PH 7.05 5.54
硝酸盐(NO3-)mg/l 47.78  
氯(Cl-)mg/l 246.28 102.9
电导率  us/cm 2150 1136

4.3.2 节能效果

在沁北电厂项目中,我们根据现有的系统设计和实际水质,采用美国海德能公司IMSDesign按3年运行模拟PROC20和LFC1的系统性 能,PROC20系统的吨水能耗比LFC1降低36.7%(数据见表2)。而且产水水质也更好, PROC20的产水TDS比LFC1低23.8%。天野化工项目中,如果采用低压的LFC1同样设计,所需的能耗要比PROC20的系统高出48.6%。

表2  PROC20与低压膜运行能耗对比

系统设计 1

沁北PROC20

(换膜后设计)

2

沁北LFC1

(换膜前设计)

3

天野PROC20

(实际设计)

4

天野LFC1

(模拟设计)

产水量(m3/h) 75 75 195 195
进水电导率(µs/cm) 1136 1136 2150 2150
平均水通量(lmh) 28 28 18.2 18.2
回收率(%) 80 80 75 75
进水压力(bar) 1.0 1.6 0.7 1.1
泵效率(%) 80 80 80 80
电机效率(%) 93 93 93 93
吨水能耗(kwh/m3) 0.5 0.79 0.37 0.55

4.3.3 运行数据

图8显示沁北电厂 PROC20自今年4月份投入运行以来,表现出优良节能特点。该系统4个月时间的运行中,在产水量达到要求值的情况下,初期运行时水温较低约为15℃左右时,系统的运行压力基本在1.0MPa以下;当水温升至30℃左右时,进水压力仅为0.6MPa。

图8 沁北电厂PROC20进水压力图

图9为天野化工进水压力和标准化透盐率图。该厂运行温度为25-35℃,进水压力较低,仅为0.4-0.6MPa;标准化透盐率不到3%,表明其系统脱盐率为97%以上。

图9 天野化工进水压力和透盐率图

两个项目的运行数据,均说明PROC20在产水量达到设计值的前提下,进水压力不超过1.0MPa,明显比低压膜节省能耗。

5.结论

1. 在同样污染趋势和运行条件下,采用34mil进水隔网的PROCÔ膜元件比传统28mil膜元件耐污染能力强,清洗恢复性好。

2. 采用端板快速排气的膜元件可防止系统启动时膜元件受到冲击,降低破损率。

3. PROC10在主要以市政污水为水源的国丰钢铁项目中,运行近三年之后的系统脱盐率还在97%,性能保持长期稳定。

4. PROC20在两个项目的实际运行中,进水压力低于1.0MPa,表现出优秀节能特点。