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【技术资料】沈阳莱特莱德水处理设备技术应用介绍(一-三章)

 海德能反渗透RO膜
海德能RO反渗透水处理设备RO膜

(一)集成膜系统( IMS )
引言

对于反渗透( RO )和纳滤( NF )系统的用户们来说,现在该认真考虑膜法(微滤( MF )和超滤( UF ))预处理的操作费用和性能优势了。特别是在我们要面对那些地表水、废水以及开放抽提海水等高污染性水源的时候,这种优势就更加明显。所谓集成膜系统( IMS ),就是指在反渗透系统的预处理工艺中采用了其他的膜系统。与采用传统预处理工艺的反渗透系统相比, IMS 设计具有明显的优势。
● MF/UF 滤液质量更好。 SDI 和浊度更低,明显降低了反渗透的胶体污染负荷。

● 由于膜在这里是污染物的绝对屏障, MF/UF 滤液的高质量可以保持稳定。即便是地表水和废水等水质波动异常频繁的水源,这种稳定性也不会改变。

● 由于胶体污染减少,反渗透系统的清洗频率明显降低。

● 与一些传统过滤工艺相比, MF/UF 系统操作更容易,耗时更少。

● 与采用大量化学品的传统工艺相比, MF/UF 浓缩废液的处置比较容易。

● 占地面积更小,在一些大系统中,有时只相当于传统工艺的 1/5 。

● 有利于系统的扩大增容。

● 运行费用基本相当,在一些情况下会较少。

● 设备投资基本相当,在一些情况下会较少。

历史回顾

对于采用 MF/UF 作为高污染性原水(比如地表水和废水)反渗透的预处理工艺的兴趣可以追溯到十九世纪八十年代。微滤、超滤的确在当时无法取代传统预处理。比较明显的理由是:

● 设备投资: MF/UF 的设备投资是地表水处理所无法接受的。单算 MF/UF 系统的投资便相当于反渗透系统的 100 %,而传统预处理系统(如澄清、重力过滤、石灰软化、多介质过滤、碳过滤等)只有反渗透系统的 20 - 50 %。

● 操作费用:没有来自现场试验装置的原始数据积累,无法确认和保证 MF/UF 工艺能够比传统工艺节省运行费用。

● 需要现场试验:小系统和工业用户在政府对其没有特别要求的情况下,从时间和费用等方面考虑,一般不愿意接受现场试验。

● 性能保证: OEM 对于系统的整体性能要全面负责。没有现场试验数据来确保 MF/UF 系统在投标条件下的优势,默认的预处理系统自然是传统预处理的各种组合。

● 对于未确认技术的恐惧:那时超滤、微滤工艺的确是一个新的技术。购买这样一套系统便意味着在许多方面要冒先吃螃蟹的危险:只有很少可选择的 MF/UF 供应商, MF/UF 膜及组件的设计为各公司独家所有,将来的换膜和服务也别无选择。

当前的状况

在过去两年的市政用水市场上,微滤、超滤技术在水过滤工艺中的应用呈爆炸性增长趋势。世界各地有数百套 MF/UF 系统在运行之中,微滤、超滤处理水量超过了 200mgd (每天百万加仑)。在市政用水市场上 MF/UF 的迅速崛起,得益于对以地表水源为主的自来水水质指标日益增长的严格控制。在美国, MF/UF 作为高质量饮用水制造设备得到了普遍的认可,因为能够有效控制病原微生物和有潜在致癌危险的消毒副产物( DBP )。这些微生物和 DBP 控制指标的提出是联邦政府行为,已经被确定为今后的“地表水处理规则( SWTR )”、“改进地表水处理规则( ESWTR )”和“消毒剂 / 消毒副产物规则( D/DBPR )” 的一部分。

市政市场大量采用微滤、超滤工艺,无论是在技术是还是商业上,都获得了明显的收益,其他水处理市场也开始对 MF/UF 产生了巨大的兴趣。市政用水市场的巨大容量引起了私人资本的注意,对于微滤、超滤技术的投资也增加了。现在对 MF/UF 的投资使我们回忆起过去的两次投资高潮,一次在上世纪七十年代电力工业引起的,另一次是上世纪八十年代电子工业引起的。本次投资高潮带来了诸多好处:

● 膜生产厂商开发出了先进的毛细管和卷式微滤、超滤膜。

● 微滤、超滤膜制造商及其 OEM 开发出了先进的运行技术,将污染速度和化学清洗频率降低到了可以接受的程度。

● 目前 MF/UF 膜产品的巨大销售量降低到了制造系统所需的 MF/UF 的制造成本,可以于传统预处理进行竞争。

● 市政市场的需求能够允许进行大量经过仔细设计的现场试验,这些现场试验能够得到高水平工程咨询公司的指导。广泛的现场试验评价数据促进了膜供应商的能力,能够为变化的水质条件、清洗频率和滤液质量提供更好和操作参数方案。

MF/UF 作为反渗透预处理

市政市场上将 MF/UF 技术开发成为商业化过滤工艺的主要活动首先集中在生产适宜于饮用的过滤水方面。接下来的市场开发焦点便是将 MF/UF 工艺用于集成膜系统, MF/UF 用作 RO 的预处理。对于 MF/UF 作为 RO 预处理的市场需求实际上起源于日益增长的低污染水源(比如井水)的不足,以及对更加复杂的原水(如地表水、工业废水和市政排水)进行处理的需求。

MF/UF 膜的特性

市场销售的微滤膜的孔径一般在 0.1 - 0.2 微米。用于反渗透预处理的超滤膜的切割分子量一般在 8 ~ 50 万道尔顿(孔径 0.01 ~ 0.05 微米)。

常见的操作跨膜压差 (TMP) 在 3 - 30psi 。跨膜压差被定义为驱动水透过膜所需的压力,为进水压力和过滤液压力的差值。孔径较小的膜所需的跨膜压差也较大,在水温较低、通量较高以及发生污染时,跨膜压差也较高。

常见的高聚物膜材料包括聚砜、聚烯烃、聚醚砜、聚偏氟乙烯、纤维素类。大多数膜材料具有宽的 pH 忍耐范围,以便于在低和高 pH 条件下进行化学清洗。大多数膜还具有耐游离氯的性能,可以进行周期性或连续杀菌处理。聚合物膜的最大运行温度为 40 ℃,但陶瓷膜可以在较高温度下使用。

MF/UF 膜有许多构型:卷式平板膜、管式、中空纤维和板框式。用于 RO 预处理比较普遍的是中空纤维和卷式,这主要是由于考虑到投资、能耗、耐污染以及在冲洗和化学清洗的情况下的通量恢复性能。

MF/UF 膜的基本分为外置加压式和浸没负压式。

MF/UF 运行特性

MF/UF 膜有两种不同的运行模式:全量过滤和错流过滤。全量过滤模式与筒式滤器相类似,即过滤时只有进水和产水(没有浓排水)。全量过滤可实现水回收率的最大化,达到 95 - 98 %,但一般限于原水的悬浮固体含量较低的情况(比如浊度 <20 NTU )。错流过滤用于进水浊度较高时。

在一些情况下, MF/UF 系统的原水回收率可以达到 99 %以上,需要将浓缩水和周期性反冲洗水收集后进行二次处理。二次处理可以通过采用传统固体沉降或另外一套 MF/UF 系统。

众多的 MF/UF 供应商开发了各种各样的膜和元件设计以及运行技术,用来控制运行期间的污染速度并最大程度地降低完全停车化学清洗频率。然而所有这些设计的共同目的却无外乎在于对膜采用高速的正向冲洗和反向冲洗来去除膜面和原水流道上的污染物。对污染物的反冲洗一般采用透过液,空气或化学药品(如:氯)被用来增强反冲效果。冲洗周期一般少于 2 分钟,设置一定的冲洗频率(一般为 15 - 60 分钟一次)来保持系统的性能的长期稳定。

MF/UF 系统需要简单的预处理,一般预处理精度要求: MF500 微米以下, UF150 微米以下。有时添加铁盐混凝剂,可获得较好的有机物去除效果。

MF/UF 膜的典型通量在 35 - 110 gfd 之间( 60 - 180 l/m2hr )。悬浮物浓度较高或污染倾向较强的料液系统,运行通量也较低;高通量用于处理的悬浮物负载的料液系统(比如地表水的通量可以是 70gfd )。应用研究工作的一个重要方面是,在不进行现场试验的情况下,能够利用原水的污染参数(如浊度、悬浮固体等)设计出合理的通量。

MF/UF 透过液的水质在浊度或 SDI 等指标上明显好于传统预处理水。一般 MF/UF 的产水浊度在 0.04 - 0.1 NTU 之间,而且不随原水浊度波动。典型的 MF/UF 产水的 SDI 为 0.3 - 2 ,较低的 SDI 降低了反渗透的污染速度。

MF/UF 改善反渗透的经济性

利用浊度和 SDI 都非常小的 MF/UF 优质产水,反渗透设计通量会大大提高。采用 MF/UF 的反渗透系统通量可设计为 12 到 20gfd 。采用传统预处理的废水反渗透系统的典型设计通量为:废水处理 8 - 12gfd ,地表水 10 - 15gfd 。采用了更高的通量,需要的膜元件、膜壳和管线都减少了,系统的固定资产投资便降低了。而且提高通量还有一个好处,可以将产水透盐量减少 20 - 50 %。

LFC :一种用于集成膜系统的新型反渗透膜

采用 MF/UF 预处理后增加膜通量设计的一个最大的担心是反渗透膜的有机物污染问题。 MF/UF 对有机物的去除作用很小,最大也只有 20 - 30 %。传统的聚酰胺复合膜带有负电荷,有机物污染会导致操作压力的明显提高。现场观察表明,使用低污染膜对于获得长期稳定的通量和操作压力非常重要。低污染膜具有电中性表面,而且更加亲水,这样便降低了对带有电荷的疏水性有机污染物的吸附,在化学清洗时也能更有效地除去 [3] 。

与传统的聚酰胺膜相比,在污染物为有机物时, LFC 膜在长期的通量恢复稳定性方面具有显著的优势。依靠 LFC 膜的这种耐污染能力,我们在预处理中不需要象从前那样将有机物的去除考虑得非常重要。

低污染反渗透膜

在集成膜系统中使用的降低有机物污染效果最好的膜元件,应该具有电中性的膜表面以及天然的亲水性,这样便能最大程度减少与带电污染物的接触。还可以采用生物杀灭剂来控制生物污染,更高的膜装填面积以降低单位通量,提高错流速率等措施。在过去,醋酸纤维素( CA )膜具有电中性表面性质,而且能够耐受 1ppm 的氯,或 26,280ppm- 小时的耐氯能力, CA 膜在复杂水质的处理方面显示了良好的耐污染性能。然而与一般的负电性聚酰胺复合膜相比, CA 膜的 pH 范围有限,运行压力高,透盐率高。现在我们可以使用新一代低污染聚酰胺复合膜了。 LFC 膜具有独一无二的优越性能,脱盐率和压力与耐久聚酰胺膜相同,与 CA 膜一样具有电中性表面(表- 1 )。 LFC 膜本身是一种聚酰胺材料,耐氯能力与传统聚酰胺膜类似,为 1,000ppm- 小时。

 

表- 1 反渗透的比较

膜类型

LFC

PA

CA

膜聚合物

聚酰胺

聚酰胺

醋酸纤维撒

表面电荷

中性

负电性

中性

NaCl 脱盐率

99 %

99 - 99.7 %

95 - 98 %

有机物脱除率

相似

相似

测试压力

225psi

225psi

420psi

特性通量( gfd/100psiNDP )

13

13

5-6

进水 pH

3-10

3-10

4-6

温度限制(℃)

45

45

40

耐氯能力( ppm- 小时)

1000

1000

26,280

亲水性( ° 接触角)

47

62

50

MF/UF 系统的投资及运行费用

MF/UF 系统的投资及运行费用随情况而定。首先,原水的水质及其对系统设计通量的影响是固定资产投资的一个因素。一种高污染倾向的原水需要设计较低的通量,这样就需要更多的膜组件、更大的反冲洗及化学清洗系统,固定资产的投资自然就高了。影响运行费用的首要因素是系统的设计通量、回收率合原水的污染倾向。运行费用升高的因素有:料液压力的升高、降低回收率导致的料液流速的提高、反冲洗和清洗周期的增加以及清洗组件数目的增加等。

设备投资可以从 0.1mgd ( 70gpm )的系统每 gpd 产水 1.00 美元,到 0.7mgd ( 486gpm )的系统每 gpd 产水 0.50 美元,再到 5 mgd ( 3,472gpm )的系统每 gpd 产水 0.40 美元。小系统的设备投资偏高,其中辅助反冲洗合化学清洗台架所占的比例较大。上述设备投资估算基于系统设计通量为 70gfd 的情况。图- 1 是通量为 70gfd 的 MF/UF 系统以及通量为 15gfd 的反渗透系统的设备投资随规模变化的情况(二者均含有清洗系统)。如果将设计通量从 70 提高到 100gfd ,一个大型的 MF/UF 系统投资将减少 30 %,而将设计通量从 70 降低到 40gfd ,则投资增加 50 %。运行费用估计在每 1000 加仑产水$ 0.10 -$ 0.40 之间,取决于运行费用的计算方法。最简单的算法包括能耗、清洗用化学品以及每 6 年一次换膜费用。

产水量, MGD( 单位产水量的设备费,$ /GPD)

 

(二) LFC1 低污染膜在市政废水回用处理方面的应用

摘要:市政废水回用工程中的膜污染引起人们对废水回用设计和运行的关注。膜污染是因为在进行二级处理之后,市政废水还含有高浓度的悬浮物、胶体和较高的生物活性。使用膜技术处理市政废水需要在反渗透系统之前进行非常好的预处理。建立在消毒、絮凝、澄清和介质过滤基础之上的传统多级处理步骤,仍使反渗透膜有非常高的污染倾向。大量的现场测试和商业反渗透系统应用结果表明不管膜材料是醋酸纤维素还是复合聚酰胺,污染速度都非常快。为维持设计的产水量,膜必须频繁进行清洗。近来一种新的预处理技术用到了市政废水的反渗透工艺上,它由可反洗的中空纤维结构的微滤和超滤膜组成。这种膜预处理系统能处理二级排放水并能保持稳定的过滤水量和操作压力。中空纤维技术可以为反渗透提供高质量给水。中空纤维膜出水中胶体和悬浮物含量比传统的预处理工艺出水低很多。在使用中空纤维膜预处理的废水回用厂,反渗透膜的污染速度大幅下降。采用低污染复合膜 LFC1 之后,反渗透膜污染速度下降得更多。在低污染膜中,脱盐层改进为更具亲水性表面并且降低了其对溶解性有机物的亲合力。在市政水回用系统中使用低污染膜的运行结果表明,其污染速度比清洁地下水源的 RO 系统还低。低污染速度归功于溶解性有机物在 LFC1 亲水性表面较低的吸附力。很明显在低污染膜中,吸附的溶解性有机物层和膜表面之间的亲合力相对较弱。本文描述低污染膜技术的性能并比较传统和中空纤维膜预处理的不同结果。市政废水回用系统的性能将与传统膜技术进行比较。中空纤维超滤膜预处理市政二级排水并使运行参数最优化的结果也将在本文中细述。

传统预处理

传统处理市政废水的反渗透系统中,膜污染导致产水通量的降低。这表现为需要明显增加给水压力才能维持设计透水通量。经过二级处理的市政排水含有高浓度的胶体物质、悬浮物和溶解性有机物。二级处理过程通常包括生物处理 ( 活性污泥澄清 ) ,导致排水中较高的生物活性。在进入反渗透系统之前,应降低二级排水中胶体和固体物质并抑制生物活性。传统预处理的一个典型结构如图 -1 所示,是目前建在加州桔县 21 水厂 (WF21) 的 5mgd 反渗透系统的三级预处理流程图。目前的预处理工艺是在原始设计基础上发展、改进和简化后的流程 (1) 。预处理包括絮凝、石灰澄清、用 CO2 再次碳酸化沉淀和慢速重力过滤。采用加氯法控制生物活性。石灰澄清是提高给水水质非常有效的方法,但是太昂贵,占地面积大且产生难以排放的淤泥。在一些更小的系统中,石灰澄清和重力过滤由在线絮凝取代,然后是二级压力过滤和精密过滤。在 21 水厂,回用系统主要选择由醋酸纤维素制成的反渗透膜,这种膜在运行期间污染迅速。图 -2 和图 -3 是 21 水厂醋酸纤维素膜的运行结果。给水压力 ( 图 -2) 最初是 200psi 左右,在一段时间后不得不升至 260psi 以维持正常的透水量,在短时期内给水压力又不得不升至 300psi 以上。尽管每 2 至 3 星期就频繁地进行一次膜清洗,给水压力仍持续上升。与水透过率不同,脱盐率始终稳定在 94 ~ 96% 之间 ( 图 -3) 。在 21 水厂进行过大量的现场试验来评估复合膜在废水回用方面的应用情况。令人鼓舞的实验结果是明显的高水通量、低给水压力、低电能消耗和高脱盐率。超低压复合聚酰胺膜 ESPA 在 21 水厂有代表性的运行结果请见图 -4 、 5 、 6 。 ESPA 膜的给水压力初始为 60psi ,比 200psi 的醋酸纤维素膜低得多 ( 图 -4) 。然而为维持设计水通量,给水压力也不得不升至 300psi 以上,这相当于特性水通量下降 80% 以上。频繁的清洗也没有能够缓和水通量衰减的问题。同醋酸纤维膜的运行一样, ESPA 膜的脱盐率稳定在 97% 左右 ( 图 -5) 。考虑到给水中含有 2 ~ 6ppm 的总氯 ( 以氯胺的形式 ) ,这个结果非常突出。 RO 给水中氯胺的存在似乎控制了生物活性并阻止细菌在 RO 系统中生长。在运行两年间,膜间压降保持稳定 ( 图 -6) 。上述膜快速污染和通量下降等结果清楚表明传统的预处理工艺在处理市政排水时不能提供足够好的水质给 RO 系统。

膜预处理

过去已有使用超滤膜做为 RO 预处理工艺的绝对屏障 (2) 。超滤和微滤膜有能力生产出比传统预处理工艺好很多的水质。传统的预处理工艺包括石灰澄清、介质过滤和精密过滤,然而传统的卷式结构超滤膜不适合处理高污染的废水。膜表面没有严重污染和给水通道没有堵塞时,超滤膜也不能在高水通量下运行。高错流给水流速,需要降低浓差极化,从而导致高电量消耗。频繁膜清洗非常繁琐且不能有效恢复透水通量。近来中空纤维结构的微滤和超滤技术开始出现 (3) 。纤维丝孔内径为 0.7 ~ 0.9mm ,外径为 1.3 ~ 1.9 mm 。新的商业用中空纤维膜有两个新特性:

● 纤维丝频繁、短时、自动地进行冲洗 ( 或一定模式下反洗),使系统在短期脱机时能保持稳定的透水通量;

● 能在非常低的错流流速下运行,即使在直流过滤模式时也如此。

相比传统过滤器反洗,中空纤维丝超滤膜脉冲清洗的脱机时间非常短。频繁脉冲清洗的结果是稳定的透水通量。给水压力范围是 5 ~ 20psi 。新预处理方式的主要优势在于膜技术的本质:给水与透水之间膜屏障的存在,使胶体物质与病菌下降几个 log 值。在市政废水回用应用中,新型可反洗中空纤维膜预处理取代石灰澄清、介质过滤、保安过滤器。二级排水有非常高的污染倾向,且中空纤维膜技术的应用需要合适的膜种类和运行条件以维持可靠性能。在现场条件下我们发现亲水性聚合物制成的中空纤维丝膜比传统的疏水性材料受溶解性有机物的污染倾向小。但即使是亲水性纤维膜,清洗之间的运行周期也太短,只能持续几天。然而在中空纤维膜系统之前的二级排水中加入絮凝剂,运行周期可以明显延长。图 -7 为海德能 HYDRAcap 中空纤维超滤膜在 San Luis Rey (Oceanside) 废水回用厂的运行结果。该图说明为维持稳定过滤通量所需的压力值。膜组件以直流死端过滤模式运行,水通量为 32gfd 。最初几天内给水压力急速上升。每 3 ~ 5 天需要进行一次膜清洗。然而,在超滤系统给水中加入氯化铁 FeCl3 之后,不进行清洗的运行周期可延长至 30 天以上。这样明显的性能提高的原因目前还不十分清楚,推测为 Fe(OH)3 在纤维丝表面形成高透水的多孔弹性层,吸附有机物和胶体。在反洗步骤中,此层脱离膜表面并从纤维丝中冲掉。目前实验还在进行以便更清楚此过程原理。中空纤维膜能完全除去胶体,但对 TOC 的去除率不高。用中空纤维膜进行预处理,在市政排水系统中使用 ESPA 膜的性能见图 -8 。初始给水压力约 70psi 并且迅速增加到 140psi ,之后稳定下来并且在运行一年半期间随着给水温度的变化而波动。最初透水量衰减约 60% ,然而明显低于采用传统预处理的同种膜水通量 85% 的衰减量。使用中空纤维膜做 RO 系统的预处理使复合膜在废水回用领域得以应用,使之比使用醋酸纤维膜的操作压力更低、脱盐率更高。

低污染反渗透膜

相比传统的复合聚酰胺膜 ,最近推出的低污染复合膜 LFC1 ,具有亲水性膜 表面且膜表面不带电荷。亲水性表面降低了给水中有机物质在膜表面的吸附。 LFC1 膜在 21 水厂和 San Pasqual 水处理设备厂,以中空纤维膜做预处理,处理市政排水。在 San Pasqual 的运行结果见图 -9 。 LFC1 膜的特性水通量小于 ESPA 的特性水通量。因此,初始压力约为 90psi ,稍高于同样运行条件下 ESPA 膜的操作压力。然而在运行期间给水压力始终保持稳定,水通量为 12gfd 。在运行后期水通量逐步升到 17 gfd ,这样的水通量对于废水处理系统来说是非常高的,因为废水反渗透系统通常设计的平均水通量为 10gfd 。图 -10 为特性水通量的计算值。结果表明在初期下降约 15% 后,特性水通量在运行期内一直保持稳定。由于膜性能的稳定性,在这八个月的运行期内,膜元件没有进行清洗。在运行期结束后, LFC1 膜在标准测试条件下进行了一次测试,结果概括在表 -1 中。相比于厂外的测试数据,八个月运行后的平均水通量下降约为 10% 。由 0.5%NaOH 溶液循环的清洗步骤可使水通量完全恢复。

表 -1 San Pasqua 厂经超滤膜预处理的 LFC1 膜运行性能变化表

运行期: 1998 年 4 - 9 月

测试运行时
的位置

出厂

运行后

清洗后

脱盐率 -%

透水量 -gpd

脱盐率 -%

透水量 -gpd

脱盐率 -%

透水量 -gpd

第 1 列

首支元件

99.5

1629

99.6

1512

未清洗

未清洗

中间元件

99.5

1629

99.6

1466

99.4

1788

末支元件

99.5

1684

99.6

1499

99.4

1788

平均

99.5

1647

99.6

1492

99.4

1788

变化 %

+20

-9.4

+20

+8.5

第 2 列

首支元件

99.6

1908

99.5

1629

未清洗

未清洗

中间元件

99.6

1908

99.6

1596

99.2

2317

末支元件

99.6

2082

99.6

1578

99.2

1708

平均

99.6

1966

99.6

1601

99.2

2012

变化 %

0.0

-18.5

+100

+2.3

平均变化 %

+10

-14

+60

+5

膜完整性

在废水回收系统中,膜的完整性和膜去除病菌的能力非常重要。卷式反渗透膜的完整性可以通过真空试验检测,传统的卷式膜只能在膜元件装入反渗透系统前进行此类检测。中空纤维超滤膜和微滤膜可以在组件装入系统中之后进行完整性检测。最普遍的中空膜组件检测是压力保持试验:向系统施压并监测压力衰减情况。在此类研究中,系统的完整性由超滤膜与微滤膜对 MS2 病菌的脱除率确定。试验结果见图 -11 和图 -12 。结果表明每套膜系统可以脱除 5 log 的细菌。

商业应用

使用 LFC 膜的大型系统实例为新加坡的一些废水回用厂, Bedok 水厂于 2000 年 4 月起开始运行。给水是二级市政排水,由微滤系统进行预处理。阻垢剂和硫酸加在微滤系统的出水处,给水 pH 保持在 6 左右。反渗透系统包括两套生产能力各为 5000 吨 / 天的系统,设计通量为 18.7 L/m2/hr(11gfd) 。反渗透设计为 28 : 14 : 8 三段排列,每支压力容器中装 6 支元件,设计回收率是 85% 。在运行初期反渗透第三段会出现结垢现象,其主要是磷酸钙垢,采用柠檬酸清洗后能恢复膜的性能。结垢的原因主要是阻垢剂不适用,在更换阻垢剂后系统将会实现稳定可靠的运行。即使给水源自市政排水, LFC 膜系统的给水压力一直很稳定,维持在设计的 800 ~ 1000 KPa (116 ~ 145psi) 范围内,没有压降增加的现象。生物活性由反渗透系统给水中保持约 2ppm 的余氯进行控制。尽管给水中有余氯存在, LFC 的脱盐率非常稳定并且高于设计值。

处理结果

废水回收系统中的膜污染与给水水质和膜材质有关。结果表明两种污染成分:胶体和溶解性有机物在膜表面沉积构成污染层。此污染过程称为复合污染 (4) ,主要影响透水性。表 -2 概括了因采用不同预处理的不同膜元件污染引起的透水通量的衰减。由表 -2 可以明显看出,采用超滤膜进行预处理后,反渗透膜的污染速度下降。采用膜预处理的主要结果是反渗透给水中的颗粒物减少。微滤和超滤处理很少改变给水中的有机物浓度。天然有机物非常容易吸附在疏水性膜材质上 (5 、 6 、 7) ,很大程度上是有机物的吸附导致采用膜预处理的废水系统中复合膜的通量下降。亲水性膜材质很少吸附有机物 (5) ,通量损失也很低,所以亲水性膜可以在较高水通量下运行。废水回收系统中的污染过程不会导致系统压降的明显增加,这是因为给水中的余氯明显降低生物活性。使用中空纤维膜预处理提供进一步的屏障,降低了反渗透给水中的细菌量。采用 LFC 膜处理市政废水的设计观念,通过中试系统研究和开发,在大型商业反渗透系统中得以成功应用。给水压力和脱盐率等性能保持了长期稳定。生物活性,通常是废水回收应用中的主要问题,通过余氯的存在得以控制。

表 -2 不同反渗透膜在特性水通量下的预处理结果

膜种类

醋酸纤维素膜

ESPA1( 聚酰胺 )

ESPA1( 聚酰胺 )

LFC1( 低污染 )

预处理方式

传统

传统

中空纤维膜

中空纤维膜

特性水通量 , 初期

0.07gfd/psi

0.24 gfd/psi

0.24 gfd/psi

0.17 gfd/psi

特性水通量 , 稳定后

0.04 gfd/psi

0.04 gfd/psi

0.10 gfd/psi

0.15 gfd/psi

通量下降

40%

85%

60%

12%

操作压力 , 给水压力在 10gfd/psi(bar)

300 ~ 350(14 ~ 24)

300 ~ 350(20 ~ 24)

140 ~ 180(10 ~ 13)

100 ~ 150(7 ~ 11)

电能消耗 kwhr/m3

5.0 ~ 6.0

5.0 ~ 6.0

2.5 ~ 3.2

1.7 ~ 2.7

( 三) ESPA1 超低压反渗透膜元件应用介绍

1 简介

美国海德能公司 1995 年推出的新型超低压反渗透膜元件, ESPA1 是 ESPA 系列中的第一种膜元件。是它将反渗透运行条件推向了一个新的领域。目前, ESPA 系列的应用范围极广。这部分主要以标准超低压反渗透膜元件 ESPA1 为例,分以下几个部分对超低压反渗透膜元件的应用技术做一个介绍:

● 现场试验总结:运行参数,原水成份,各种离子的透过率和稳定性。

● ESPA1 膜元件的应用。

● ESPA1 膜元件在各种运行参数下的特性。

● ESPA1 膜元件在设备投资与运行费用方面的优势。

● 采用 ESPA1 膜元件的系统设计要点。

● 使用 ESPA1 膜元件时的计算系统设计。

● 相关技术服务文件:膜元件的保管、处理及清洗。

2 ESPA1 膜的现场测试

(1) 各测试点的水源条件

美国海德能公司使用 ESPA1-4040 超低压反渗透膜元件,在美国各地进行了为期几个月的大量现场测试。主要目的是将其置于各种给水条件下来综合评价其性能。本节给出了不同地区的水质数据,测试条件及测试结果。

ESPA1 膜元件在各地运行时前三个月的平均水通量约为 14 GFD ,三个月后将水通量提高到 20 GFD 。操作条件见表 -1 。

表 -1 ESPA1 超低压反渗透膜现场测试数据

地区

水源

平均温度

电导率
μs / cm

TDS
mg / L

水质特点

前三个月

三个月后

压力
psi

水量
GFD

压力
psi

水量
GFD

Dare County

Jupiterl

lndian River

Ft.Myers

Brighton

Miralani

Oceanside

井水

井水

井水

井水

井水

自来水

井水

20

22

25

25

15

18

18.5

6548

6883

1344

580

1254

1113

2167

3572

4087

803

377

890

781

1483

高 TDS

厌氧,高 TDS

厌氧,高 TDS

厌氧,高 TOC ,高铁

高硝酸盐

除氯后的地表水

高铁,高锰

126

137

84

58

100

79

93

14.4

14.6

15.5

10.0

14.4

14.8

12.9

163

162

95

106

144

107

138

20.5

19.2

19.8

20.2

20.3

19.9

20.0

注 1 : Jupiter 采用了多眼水井,其电导率在 4500 - 8500 μ s/cm 之间

各地水源条件的综合比较见图 -1 ,每种成分的浓度以所占总含盐量的百分数表示 ( 总含盐量以 TDS 计 ) 。每个测试点的平均给水 TDS 值(以 mg/L 表示)示于地名旁边的括号内,这些 TDS 是由各溶解离子浓度相加而得的。

(2) 各种不同离子的透过率

在现场试验时进行了定期分析以确定各种离子的透过率,表 -2 所列为每种离子的实际透过率及标准化后的透过率 ( 以 CI - 透过率为基准 ) 。这些数据是各测点在运行三个月后取样并加权平均得出的。这里,膜的水通量为 20 GFD ,换成公制单位为 34 LMH 。

图 -2 和图 -3 提供了三种不同地点的试验结果,这三个地区分别代表给水盐量为低、中、高三类,这些数据是在水通量为 20 GFD ( 34 LMH )条件下取样的结果。

表 -2 ESPA1 膜的平均离子透过率(透盐率)

电导率

Cr

S042-

HC03-

Na+

Ca2+

Mg2+

离子透过率百分比,%

1.6

1 . 1

0 . 1

4 . 3

2 . 3

0 . 3

0 . 2

校准后离子透过率百分比,%

N / A

1 . 0

0 . 1

4 . 1

2 . 7

0 . 4

0 . 2

(3) 性能稳定性

因为 ESPA1 膜呈现出较低的污染速度,所以在各地区可以观察到产水量相当稳定。在佛罗里达州 Ft. Myers 测试运行时,充分证明了 ESPA1 膜的低污染速度。虽然与其他地区相比,该水源的含盐量相对较低( 377 mg/L ),但在 TDS 中 TOC 、铁、碱度及硬度均占很高的百分比。这些物质均会对膜有较为严重的污染,但是 ESPA1 超低压反渗透膜元件经受了考验。表 -3 列出的是佛罗里达州 Ft. Myers 市原水水质。

表 -3 美国佛罗里达洲 Ft. Myers 市原水水质

成分

C1-

S042-

HCO3-

Na+

Ca2+

Mg2+

总铁

SiO2

TOC

浓度, mg/L

61.9

22.2

183.5

39.1

37.7

9.4

0.25

7.5

16.0

百分比,%

16.4

5.9

48.6

10.4

10.0

2.5

0.07

2.0

4.2

在 Ft. Myers 测试时,膜元件开始时在平均水通量为 10 GFD 条件下工作,但在 89 天后增长到 20.1 GFD 给水的平均温度为 25 ℃。图 -4 是以初始特定水通量为基准,进行温度校正后的曲线图。

校正基于方程式:

水通量降低值 = 操作天数 -FDC

式中:水通量衰减指数 FDC 在水通量为 10 GFD 时等于 0.013 ;在水通量为 20 GFD 时等于 0.019 。基于水通量为 10 GFD 和 20 GFD 时所算出的水通量衰减系数可折合成三年后产水量分别下降 9% 与 12% 。

3 ESPA1 超低压反渗透膜的应用及性能

(1) 应用

由于 ESPA1 膜具有高的脱盐率,因而它可应用于芳香聚酰胺膜所适用的所有领域。其应用包括:

● 饮用水生产:各种含盐量的苦咸井水及地表水的脱盐

● 工业应用:工艺用水及锅炉补给水(独立使用反渗透或与离子交换配合使用)

● 超纯水精制工艺

● 轻工业应用:自动售水机、汽车清洗、小型工业系统

● 民用饮水机

在以上所有的应用中,使用 ESPA1 膜的系统产水含盐量与使用传统苦咸水淡化膜的系统产水含盐量类似,但其给水压力降低了 25 - 40% 。由于所需给水压力较低, ESPA1 膜也可应用于饮用水软化。在三卤甲烷生成物不多的场合, ESPA1 膜可用来对部分原水进行脱盐处理,并将产出的淡水与原水按一定的比例混合以获得所需要的饮用水。

(2) 性能

由于 ESPA1 膜的特性产水量( 0.20 GFD/psi )是传统苦咸水淡化膜特定水通量( 0.12 GFD/psi )的约 2 倍,因而出厂试验时的给水压力从 225 psi 降至 150 psi ,同时 8 寸和 4 寸元件的膜面积分别增加到 400 ft2 和 85 ft2 。此外, ESPA1 膜元件的其他应用参数与 CPA2 相同。

在给水压力、平均给水含盐量及给水温度参数相同的情况下, ESPA1 与 CPA2 元件性能相类似。但是,随着压力的增加, ESPA1 膜水通量的增加值平均高出 CPA2 膜一倍。图 -5 至 -8 及表 -4 表示出运行参数变化范围内 ESPA1 膜元件性能的变化。

表 -4 ESPA1 超低压反渗透膜元件产水量的温度系数

温度℃

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

5

1.919

1.912

1.906

1.899

1.892

1.886

1.879

1.873

1.866

1.860

6

1.853

1.847

1.841

1.834

1.828

1.822

1.815

1.809

1.803

1.797

7

1.790

1.784

1.778

1.772

1.766

1.760

1.754

1.748

1.742

1.736

8

1.730

1.724

1.718

1.712

1.707

1.701

1.695

1.689

1.683

1.678

9

1.672

1.666

1.661

1.655

1.650

1.644

1.638

1.633

1.027

1.622

10

1.616

1.611

1.606

1.600

1.595

1.589

1.584

1.579

1.547

1.566

11

1.563

1.558

1.553

1.547

1.542

1.537

1.532

1.527

1.522

1.517

12

1.512

1.507

1.502

1.497

1.492

1.487

1.482

1.477

1.472

1.467

13

1.436

1.458

1.453

1.448

1.443

1.439

1.434

1.429

1.425

1.420

14

1.415

1.411

1.406

1.401

1.397

1.392

1.388

1.383

1.379

1.374

15

1.370

1.365

1.361

1.356

1.352

1.348

1.343

1.339

1.335

1.330

16

1.326

1.322

1.317

1.313

1.309

1.305

1.301

1.296

1.292

1.288

17

1.284

1.280

1.276

1.272

1.266

1.264

1.260

1.255

1.251

1.247

18

1.244

1.240

1.236

1.232

1.228

1.224

1.220

1.216

1.212

1.208

19

1.205

1.201

1.197

1.193

1.189

1.186

1.182

1.178

1.175

1.171

20

1.167

1.164

1.160

1.156

1.153

1.149

1.145

1.142

1.138

1.135

21

1.131

1.128

1.124

1.121

1.117

1.114

1.110

1.107

1.103

1.100

22

1.097

1.093

1.090

1.086

1.083

1.080

1.076

1.073

1.070

1.066

23

1.063

1.060

1.057

1.053

1.050

1.047

1.044

1.040

1.037

1.034

24

1.031

1.028

1.025

1.0222

1.018

1.015

1.012

1.009

1.006

1.003

25

1.000

0.997

0.994

0.991

0.988

0.985

0.982

0.979

0.976

0.973

26

0.970

0.967

0.964

0.961

0.959

0.956

0.953

0.950

0.947

0.944

27

0.941

0.939

0.936

0.933

0.930

0.927

0.925

0.922

0.919

0.916

28

0.914

0.911

0.908

0.906

0.903

0.900

0.897

0.895

0.892

0.890

29

0.887

0.884

0.882

0.879

0.876

0.874

0.871

0.869

0.866

0.864

30

0.861

0.857

0.856

0.854

0.851

0.849

0.8486

0.844

0.841

0.839

31

0.836

0.834

0.831

0.829

0.827

0.824

0.822

0.819

0.817

0.815

32

0.812

0.810

0.808

0.805

0.803

0.801

0.798

0.796

0.794

0.791

33

0.789

0.787

0.785

0.782

0.780

0.778

0.776

0.773

0.771

0.769

34

0.767

0.765

0.762

0.760

0.758

0.756

0.754

0.752

0.749

0.747

35

0.745

0.743

0.741

0.739

0.737

0.735

0.733

0.730

0.728

0.726

36

0.724

0.722

0.720

0.718

0.716

0.714

0.712

0.710

0.708

0.706

37

0.704

0.702

0.700

0.698

0.696

0.694

0.692

0.690

0.689

0.687

38

0.685

0.683

0.681

0.679

0.677

0.675

0.673

0.672

0.670

0.668

39

0.666

0.664

0.662

0.660

0.659

0.659

0.655

0.653

0.651

0.650

0.648

0.646

0.644

0.642

0.641

0.639

0.637

0.635

0.634

0.632


(给水温度为 25 ℃)

4 ESPA1 超低压反渗透膜的节能效果

ESPA1 膜元件由于其更低的运行压力以及高的产水通量,可同时节省设备投资及运行成本。

(1) 设备 / 投资的节省

由于膜元件的组装密度增加了约 12% ,且运行压力降低了约 25% - 40% ,投资费用明显减少。 ESPA1 超低压反渗透膜的系统设计有如下的特点:

● 生产特定的淡水需要较少的元件数与外壳数。

● 给水压力的降低,致使给水泵费用及给水管路费用降低。

● 减少了给水泵体积。

● 处理低盐份给水的小型系统可以使用管道压力,无须加压泵。

(2) 降低运行费用

使用 ESPA1 膜元件不仅减少了设备投资,而更明显的节省是由于给水压力需求的降低,在整个膜的使用期内,电能的消耗降低了 25% - 40% 。

费用节省的程度与运行参数、泵的效率及当地的电费有关。与现存的技术相比, ESPA 膜用于高水通量的系统或用于低温给水的场合,可获取最大的节能效益。

5 相关技术服务文件

为对 ESPA1 膜元件进行合理的操作、保存、清洗,可参考以下技术服务说明书:

● TSB 107 :聚酰胺复合膜元件 (ESPA 、 CPA 、 SWC 、 ESNA 、 LFC) 的污染物及其去除方法。

● TSB 108 :聚酰胺复合膜元件 (ESPA 、 CPA 、 SWC 、 ESNA 、 LFC) 与聚乙烯衍生物 (PVC) 膜元件一般贮存方法

● TSB 110 :海德能公司膜元件储存和消毒所用的杀菌剂

沈阳莱特莱德水处理设备技术应用介绍(一-三章)

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