將微濾、超濾、反滲透和電去離子(EDI)等4 種膜分離技術有機地組合在一起應用于工業水處理，達到高效去除污染物和脫鹽目的技術，稱之為全膜水處理技術。近幾年，全膜法因在水處理過程中不需酸、堿，操作方便，出水水質好和性能穩定等突出的優點，在許多電廠中得到應用〔1〕。筆者以某電廠鍋爐補給水系統為例，就全膜法水處理技術在電廠中的應用做初步分析和探討。
1 鍋爐補給水處理系統工藝
1.1 系統工藝流程
某電廠鍋爐補給水處理系統采用全膜法水處理工藝，設計為兩套系統，每套系統產水能力為34m3/h，其工藝流程為：機械加速澄清池出水→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，水質為：K+ 6.58 mg/L，Na+16mg/L，Ca2 + 17.2 mg/L，Mg2 + 7.0 mg/L，Fe3 + 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。經機械加速澄清池處理，保證其出水懸浮物≤10 mg/L 后，再進入鍋爐補給水處理系統。
1.2 系統工藝特點及運行方式
1.2.1 纖維過濾器
纖維過濾器為MPCF150 孔隙調節型，單臺處理能力150 m3/h，過濾器采用韓國曉林產業株氏會社生產的PP 材質纖維絲纏繞濾芯，過濾精度為5 μm。
纖維過濾器運行方式為程控自動運行，在過濾過程中對纖維絲施以回轉機具壓榨，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。當過濾器內被截留的懸浮污物(雜質)增多，處理水量下降，壓差達到設定值，自動進入反沖洗過程;反洗時讓過濾器的壓榨機具放松，使過濾纖維的孔隙在舒張的狀態下，用羅茨風機來空氣和反洗水合洗，將污物通過排放管排除，然后又自動進入過濾程序。工作原理如圖 1 所示。
圖 1 纖維過濾器運行原理
(1)纖維過濾器在初期運行時，當壓差為0.08 MPa時進行自動反洗，反洗壓差設定范圍為0.05 ～0.12 MPa，反洗壓差不能設定過高，設定過高會造成過濾水質惡化、水量減少、排管異常等。設備運行7 個月后，發現當設備壓差達到0.05 MPa 前系統出水懸浮物已經超出設計值5 mg/L，對纖維絲進行了人工清洗，反洗改為根據時間自動進行，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，反洗進風量為19.5 m3/min，壓力為0.05 MPa，進氣采用底部進氣有兩個目的：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，持續放松25 s 后旋緊纖維絲5 s，再放松纖維絲25 s，運行初期，放松、旋緊過程為4 次，運行7 個月后放松、旋緊過程為7～8 次。
1.2.2 超濾系統
超濾系統運行方式為錯流過濾，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 公司生產的Aquaflex SXL225 FSFC 中空纖維膜組件。
超濾系統的啟動、運行、沖洗、停機備用等過程均由超濾PLC 實現自動控制。原水在中空纖維的內部流動，而產水則是在原水流經膜的過程中逐漸由內壁向外壁透過(稱為內壓式)，收集后，成為超濾產水從產水端排出。超濾運行過程中控制膜過濾壓差(TMP)小于0.08 MPa，TMP 比較大不能超過0.10 MPa否則會導致在膜的表面形成無法反洗掉的污垢。超濾運行一段時間后被截留的懸浮物、細菌、大分子有機物、膠體等就堆積在纖維內表面，此時膜的進水側與產水側的壓差會逐漸增加，需要進行水力清洗。
(1)系統設定每運行30 min 后進行一次水力清洗，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將所有污物不僅僅是清除出膜組件，而且要保證清除出膜系統。
(2)為了清除水力清洗無法除去的所有污物，在系統進行水力清洗30 個周期后，進行一次化學加強反洗，化學加強反洗分為堿洗(NaOH+NaClO)和酸洗(HCl)，堿洗的目的主要除去有機物，酸洗的目的主要除去金屬氧化物，運行過程中3 次堿洗后進行一次酸洗，堿洗過程中控制pH 為12，NaClO 質量濃度為200 mg/L，酸洗過程中控制pH 為2，整個化學加強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)預處理系統運行結果如表 1 所示。
表 1 預處理系統運行結果 注：以2012-08-07~2012-08-16 十天運行數據為例。
由表 1 可見，預處理系統出水濁度為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
反滲透脫鹽系統由兩級膜處理裝置組成，一級反滲透裝置設置2 個系列，每列產水量42 m3/h，每列配置60(6：4 排列)支陶氏BW30-400 型聚酰胺復合膜元件，系統設計脫鹽率≥97%，回收率為75%。二級反滲透裝置設置2 個系列，每列產水量36 m3/h，每列配置36(4：2 排列)支陶氏BW30-365 型聚酰胺復合膜元件，系統設計脫鹽率≥99%，回收率為85%。一、二級保安過濾器濾元過濾精度均為5 μm。
反滲透脫鹽系統的運行和監控由PLC、儀表、計算機系統和工藝流程模擬屏執行。系統運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，使膜系統水壓逐漸穩定升高，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)，反滲透系統正常運行時，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停止運行，這些污染物就會立即沉積在膜的表面，對膜元件造成污染。所以在反滲透系統停運前設置了自動沖洗，利用干凈水對膜元件表面進行停運沖洗，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出口壓差小于0.2 MPa，若大于0.2 MPa 需要更換濾芯。同時運行中注意控制產品水的壓力永遠不會超過給水或濃水的壓力。
(2)為了保證高壓泵安全運行，高壓泵運行過程中設置了入口壓力低和出口壓力高保護，當低壓信號或高壓信號觸發保持3 s 后，高壓泵自動停止，設置值為壓力低≤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，在一級反滲透入口設置了還原劑加藥管路，同時安裝了ORP 表，用于控制和調整加藥量，還原劑采用NaHSO3，藥劑質量分數為10%，通過加藥裝置控制加藥量。當ORP 表顯示≤150 mV 時，停止加藥泵;當150 mV
(4)在二級反滲透入口設置了加堿系統，投加的堿液為質量分數20%的NaOH，質量濃度過高pH 不好調節，控制二級反滲透入口pH 為8.3 左右。主要有以下兩個目的：，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的關系中可見，當pH 約為8.3 時溶液中幾乎只含有HCO3-，這樣HCO3-通過反滲透系統全部去除，間接實現了去除CO2的目的，提高反滲透的脫鹽率。第二，當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水pH 在8.0 以上〔2〕。
(5)反滲透系統運行結果如表 2、表 3 所示。
表 2 一級反滲透運行結果 注：以2012-08-07~2012-08-16 十天運行數據為例。
表 3 二級反滲透運行結果
由表 2、表 3 可見，一級反滲透出水電導率為5.1～7.2 μS/cm，脫鹽率≥97%;二級反滲透雖然脫鹽率不高，但產水電導率一直保持在≤5 μS/cm，出水水質穩定。
1.2.4 EDI 系統
EDI 系統設置2 個系列，每列產水量為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 運行采用自動控制，工作過程如圖 2 所示。
圖 2 EDI 運行原理
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，水中電解質沿樹脂顆粒構成的導電傳遞路徑遷移到膜表面并透過離子交換膜進入濃水室;(3)樹脂、膜與水相接觸的擴散層中的極化作用使水解離為H+和OH-，除部分參與負載電流外大多數對樹脂起再生作用。離子交換、離子遷移、電再生相伴發生、相互促進，實現了連續去除離子的過程〔3〕。
(1)EDI 啟動時，為了防止水錘導致的嚴重損壞，EDI 給水泵設計為變頻泵，給水壓力和流量緩慢上升至運行壓力和流量的時間為1.5 min。同時啟動和運行過程中設置了產品水、濃水和極水低流量保護，當3 個流量低信號其中任何一個觸發并保持3 s，EDI 模塊自動斷電，保護值為產品水流量≤27.5m3/h，濃水流量≤2.2 m3/h，極水流量≤660 L/h。運行過程中每個模塊電壓控制為60～65 V，電流為2～3 A。
(2)因為EDI 模塊系統為直通逆流設計，即淡水及極水進口設置在模塊底部，出口都設置在頂部，極水流由淡水流進口供給，濃水進口設置在模塊頂部，因此運行過程中，為了防止濃水竄入產品水，通過控制濃水進口閥來調節濃水進口與淡水出口之間的壓力差，嚴格控制淡水產水壓力至少比濃水進口壓力大0.035 MPa，EDI 系統示意如圖 3 所示。
圖 3 EDI 系統示意
(3) EDI 運行結果如表 4 所示。
表 4 EDI 運行結果
由表 4 可見，EDI 系統出水電導率≤0.10 μS/cm，SiO2≤5 μg/L。由運行結果可見，全膜法水處理技術出水完全能滿足電廠鍋爐補給水水質的要求。
3 全膜法工藝及經濟性評價
與傳統的離子交換法相比，全膜法水處理工藝有以下優點：(1)無酸堿廢液排放，對環境無污染。(2)系統簡單、占地面積少，安裝、運行操作和維護工作量小。(3)系統運行穩定，連續制水能力強，不需單獨再生。(4)水的回收率高，當進水硬度小于0.02mmol/L 時，回收率可達90%～95%〔4〕。
全膜法裝置運行費用包括電耗、水耗、藥劑費及設備折舊等費用，其中設備一次性投資約略高于傳統離子交換處理方式，每產1 t 水，水費以1.5 元計，電費以1.0 元計，藥劑費計0.25 元，人工費計1.5 元，總運行費用為4.25 元/t，以每年運行6 500 h 計算，年運行費用為187.85 萬元〔5〕。和同規模的離子交換處理技術(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用，運行費用明顯降低，約一年即可收回一次性投資差額，另外與同等產水量的離子交換系統相比，廠房面積可節約40%，廠房高度可降低1/3。具體參見http://www.dowater.com更多相關技術文檔。
4 結論
全膜法水處理技術在電廠中應用，其出水水質穩定優良，出水電導率小于0.1 μS/cm，含硅量小于5 μg/ L，完全能滿足電廠鍋爐補給水水質的要求。與傳統的離子交換處理技術相比，全膜法因其獨特的技術特點在電廠中應用將會越來越廣泛。
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