北小河污水处理厂反渗透系统的调试运行和保存

1、运行与管理北小河污水处理厂反渗透系统的调试运行和保存张 静(北京城市排水集团有限责任公司 北小河污水处理厂 , 北京 100012摘 要 : 北小河污水处理厂采用反渗透系统处理市政污水 , 规模为 1 104m 3/d, 以 MBR 工 艺作为预处理 。 在北京奥运会期间 , 反渗透产水供给鸟巢等奥运场馆 。 结合一年多的运行实践 , 分 析了膜通量 、 进水电导率 、 温度 、 SD I 值 、 水量波动 、 产水 p H 值 、 产水率 、 阻垢剂投加等因素对反渗透 系统的影响 ; 对反渗透前保安过滤器的运行模式 、 滤芯更换故障进行了探讨 ; 结合清洗实例 , 分析了 系统的污堵和运行情

2、况 , 对清洗效果进行了评价 ; 对系统停运后的保存方法进行了探讨 , 提出了反 渗透工艺的合理运行模式及改造思路 , 可为今后市政污水处理反渗透系统的稳定运行提供参考 。 关键词 : 反渗透 ; 膜通量 ; 膜保存 ; 阻垢剂 ; 化学清洗中图分类号 :X703. 1 文献标识码 :C 文章编号 :1000-4602(2010 02-0093-06Co mm issi oni ng Operati on and Conservation of R everse O s mosisSyste m i n Beixi aoheWW TPZ HANG Jing(Bei x iaoheWWTP, B

3、eijing D rainage G roup Co . L t d ., B eijing 100012, China Abst ract : Be i x iaohe WWTP uses reverse os m osis syste m to treatm un icipa l se w age , the capac ity is 1 104m 3/d, andM BR is pretreat m ent process . Duri n g the peri o d o fB eiji n g O ly m pic Ga m es , t h e efflu ent was supp

4、lied to O l y m p ic stadi u m s li k e B ird s Nes. t Co m b i n ed w ith the operati o n practi c e for one m ore than year , the influence on reverse os m osis syste m is analyzed i n ter m s o fm e mbrane fl u x , i n fluen t conducti v ity , te m perature , SD I value , flo w fluctuation , effl

5、 u ent pH, y iel d and sca le i n hi b ito r dosage . The operation m ode of security filter before reverse os m osis and core rep lace m ent fa ilure are d iscussed . Co m bined w ith a clean i n g case , the fouli n g and operati o n o f t h e syste m are analyzed , and the cleaning effect o f eva

6、 l u ated . The conservation m ethod o f the syste m after the shutdo w n is d iscussed , the reasonable operation m ode o f the reverse os m osis syste m and t h e reconstr uction idea are put for w ard . A ll t h ese pro vide a re ference for stable operati o n of reverse os m osis syste m in trea

7、t m ent ofm un icipal w aste w ater .K ey words : reverse os m osis ; m e m brane fl u x ; m e m brane conser vati o n; sca l e i n h i b itor ; che m ical c lean i n g反渗透技术的应用领域包括海水淡化、 食品加 工、 医药卫生、 饮料、 纯净水制取以及工业供水等 , 是 一项成熟的高新技术 , 可用于脱盐 , 在除盐的同时去 除了几乎所有的 细菌、 病 毒、 重金属 和有机污染物 等。北小河污水处理厂反渗透系统以市政污水为处 理

8、对象 , 出水水质在理论上超过自来水 , 但是考虑到 人们的心理接受程度 , 暂不作为饮用水。自 2008年 4月建成安装以来 , 该系统运行一年 有余 , 在奥运会期间反渗透产水作为高品质再生水第 26卷 第 2期 2010年 1月 中 国 给 水 排 水CH I NA W ATER &WA STE WAT ERV o. l 26No. 2 Jan . 2010向鸟巢等奥运场馆供水。在不影响供水的前提下解 决系统突发故障 , 如系统的急停、 不启动、 不进入产 水程序等 , 在运行和管理上寻找合理的方式以适应 污水厂从排水向供水的角色转换 , 为今后市政污水 系统反渗透工艺的设计、

9、建设、 调试、 运行提供思路。 1 反渗透工艺介绍1 1 全厂工艺流程全厂工艺流程如图 1所示。图 1 工艺流程F ig . 1 F l ow chart o fw aste w ate r treat m ent processM BR 膜池的出水 (6 104m 3/d经过 UV 消毒 后进入 RO 加压泵的取水总管中。 RO 系统的规模 为 1 104m 3/d, 其余 MBR 出水进入 M B R 清水池 , 经配水泵房加压后进入厂外市政再生水管网。在市 政再生水用量减小时 , 经 MBR 系统出水溢流管溢流 外排。1 2 基本参数反渗透是利用半透膜两侧的压力差脱除水中的 盐类 和低

10、分子 物质 , 采 用陶 氏 抗污 染膜 B W 30-365FR 。设计平均膜通量 (20 为 19L /(m 2! h, 自 2008年 4月安装调试以来共运行 2400h 。 RO 系统的基本参数见表 1。表 1 反渗透装置的基本参数T ab . 1 Basic pa rame ters of RO基本参数 数值一段膜数量 /支 432二段膜数量 /支 216膜元件排列方式 1级 2段压力容器排列方式 24#12反渗透膜壳 /支 36每个压力容器中膜数量 /支 6最大运行压力 /M P a 1. 6系统脱盐率 /% 97设计平均膜通量 /(L ! m -2! h -1 18. 9膜类型

11、聚酰胺复合膜 最大给水浊度 /NTU1连续运行 p H 112最大给水污染指数 S D I 5游离氯容忍量 /(mg ! L -1 0. 1RO 系统共设 3套 , 每套产水能力为 138m 3/h, 进水量为 185m 3/h, 回收率为 75%。低压抽升水泵 将原水提升通过保安过滤器 , 然后进入高压泵 , 经过 加压后进入反渗透膜组件。反渗透产水输送至 RO 清水池 , 浓液则排入厂区污水系统再处理。MBR 出水 (50000m 3/d排入 城市 再生水 管 网 , 执行 %城市 污 水再 生 利用 城市 杂 用水 水 质 & (GB /T18920 2002 车辆冲洗水质标准

12、; RO 系统 出水 (1 104m 3/d作为奥运公园高品质用水 , 参照 %地表水环境质量标准 &(GB 3838 2002 中 (类水 体的部分标准 (除 TN 外 , 如表 2所示。表 2 产水量及出水水质T ab . 2 Y ield w ater and effluent qua lity项 目 数 值RO 系统净产品水量 /(m 3! d -1 3000BOD5/(m g ! L -1 4COD /(m g ! L -1 20总氮 /(mg ! L -1 2(25 1(13 总磷 /(mg ! L -1 0. 2浊度 /NTU0. 2溶解氧 /(m g ! L -1 2p

13、 H 69脱盐率 /% 97总大肠菌群 /(个 ! L -1 32 膜通量的控制在实际生产中控制膜通量不超过设计值 19L / (m 2! h ,一般膜通量小可减少污染物在膜表面的 沉淀 , 降低污染速度 , 减少清洗次数。膜通量是反渗 透的关键参数 之一。高压泵 克服渗透压和 运行阻 力 , 为进入反渗透膜元件的原水提供足够的压力 , 定第 26卷 第 2期 中 国 给 水 排 水 www. w ate rgasheat . com期核算膜通量并通过调整高压泵频率以达到额定的 进水流量 , 高压泵满频为 50H z , 调试运行以来该值 为 3035H z , 与之 对应 的运行 压力为 0

14、. 70. 8 M Pa 。进水温度对反渗透的影响较为显著 , 夏季 7、 8月进水温度最高为 26 , 系统的膜通量、 产水量、 产 水率都上升 , 高压泵频率为 30H z 可满足进水量要 求 , 冬季 12月水温最低可 到 10 , 高压泵频率为 35H z 可满足目前的水量要求。这是因为温度上升 时水分子的粘度下降 , 扩散能力增加 , 同时盐透过膜 的扩散速率也加快 , 导致脱盐率降低。膜通量增加与进水压力增加存在直线关系。此 外 , 进水含盐量、 回收率也会对通量产生影响。进水 压力恒定时 , 进水含盐量和回收率增加 , 会导致产水 通量下降。3 系统的调节3 1 根据进水电导率进

15、行调节控制超滤产水作为反渗透进水 , 其电导率一直稳定 在 9001100 S /cm, 自 2008年 11月起逐月上升 , 2009年初电导率出现大幅上升 , 由原来的 1000 S / c m 升至 1700 S /cm, 2月最高达到 1750 S /cm , 3月底恢复正常。这种指标的上升来自于北小河污水 厂的总进水指标上升 , 而非超滤系统产水所致。此 时下调高压泵频率 , 降低进水压力 , 膜通量降低 , 产 水量下降 ; 为防止结垢 , 调节设置在浓水管道上的阀 门 , 通过降低系统回收率来降低浓水中的盐浓度 , 防 止由于盐浓度增加导致的反渗透过程减慢和盐类等 杂质的过饱和而

16、发生沉淀。3 2 用 SD I 值 、 浊度监测控制SDI 参数用来监测进水水 质变化 , 判断反渗透 的预处理 M B R 系统的过滤效果。在低压抽升泵的 进水管道 上测定 SDI 值 , SDI 也是表征膜污染潜在风险的一个参数 , 即一张 0. 45 m 过滤孔径的膜片的污染速度。从 2008年 3月开 始调试到 稳定 运行 , SD I 基 本 无大 的波 动 (1. 0 1. 9, 如果 SD I>3. 0则要考虑超滤工艺的问题了。 超滤产水浊度在线值通常 在 0. 2NTU 以下。通过 在线监测浊度 , 也能帮助正确判断预处理系统不正 常的原因和找到解决办法。2009年初 ,

17、 MBR 膜挂架固定端支架部分的化学 螺栓、 螺母腐蚀松动以及个别膜丝出现断裂现象 , 7、 8号膜池产水浊度异常 (超过 20NTU , 进入保安过 滤器后的 SDI 值严重超标 , 通过及时纠正预处理系 统的问题 , 如更换腐蚀的螺栓 , 并对断裂的膜丝进行 打结处理等恢复进水指标。3 3 进水流量波动的影响控制装置 允许启动的数量与 M B R 产水流量 (400、 600、 800m 3/h对应。除了限制反渗透的运行数量 外 , 流量的波动也是要考虑的因素。调试初期经常 发生数个膜池同时或顺序进入松歇状态 , 瞬间 M BR 产水量减小导致反渗透系 统进水流量低而 报警停 机 , 这种

18、非正常停机使反渗透的膜元件受损概率增 加 , 因为膜元件在压力容器中处于松弛状态 , 频繁启 停会使膜元件在膜壳中撞来撞去 , 受到机械应力的 损伤可能性增加。因为紫外消毒渠容积限制了对水 量波动的缓冲能力 , 所以应尽量使超滤系统的膜池 松歇时间错开。3 4 超滤产水中气体对系统的影响超滤系统膜池冲洗膜丝的大量气体存在于进入 反渗透前的紫外消毒渠和进水管道中 , 对抽升系统 运行有较大影响 , 此时溶解氧为 8mg /L, 大量气体 来不及排出便被低压抽升水泵提升 , 对 2号系统运 行影响最大 , 不能进入正常的产水程序。分析认为 , 低压抽升水泵取水点位于水平布置的进水总管的中 部 ,

19、根据水平管道中间气体最多的理论 , 气体在 2号 抽升管道中聚集最多。解决的办法是在竖向管道上 安装用于排气的快速插头 , 低压泵启动后打开阀门 排掉管道内聚集的气体进入正常的产水程序。建议 今后在占地空间允许的情况下 , 在设计上可考虑延 长此段管线并且增加排气装置。4 产水 p H 的控制反渗透产水 p H 值呈酸性 (5. 36, 低于反渗透 的进水 pH 值 (7. 36, 因此在产水总管道中适量添 加 Na OH 调整出水 pH 值为中性。计量泵满负荷运 行时 N a OH 投加率为 1. 6m g /L, 出水 p H 值 <6. 0, 分析认为加碱计量泵的设计容量 (7.

20、6L /h偏小 , 导致 出水 p H 值调节范围达不到最低要求 (6. 5 。 如果将 Na OH 的配制浓度由 8%提高到 24%, 则可 弥补计量泵偏小的不足 , 出水 p H 值可达 6. 5, 但浓 碱配制时带来操作上 的安全隐患 , 故不采用此 法。 考虑 3台反渗透设备同时满负荷运行时段较少 , 在 投加冲程不变的情况下 , 改变投加的频率设定 , 将原 1、 2、 3台设备的运转时频率 (分别为 15、 30、 45H z 改为 45、 50、 50H z , 即可安全有效地增加投加率 , 保www . watergasheat . com 张 静 :北小河污水处理厂反渗透系统

21、的调试运行和保存 第 26卷 第 2期证运行 12台设备产水的 pH 值在 6. 56. 7之间 , 基本满足要求。另外 , 向管网中供水时发现管网中 pH 值升至 7. 3左右 , 分析认为是产水中 CO 2析出所致。在密 闭体系内 CO 2、 HCO -3、 CO 2-3、 H +之间存在一个动态 平衡 :CO 2+H 2O HCO -3+H +, RO 膜 可 以 脱除 HCO -3、 CO 2-3, 而 CO 2可以通过 且占产水 的主要部 分 , 此时 p H 值降低 , 产水中的 CO 2在管网中不断析 出 , H +和 HCO -3结合 , 上述平衡向左侧移动 , p H 值 不

22、断降低直至建立新的平衡。N a OH 投加计量泵设计压力为 0. 35M Pa , 由于 药品的投加点低于泵的出口 , 实际计量泵出口运行 压力为零 , 没有背压。长期停运时管道中的 p H 值 会大幅升高 , 最高达到 11。分析认为 , 在停运状态 下药液靠重力向管道中微小渗漏导致管道中的 pH 值不断升高。有待将泵出口的投加管线向上作爬坡 敷设 , 形成一定的出口背压。5 阻垢剂等药品的投加控制5 1 投加依据当浓水侧 可溶解性无机盐被浓缩超出溶解度 时 , 会在膜表面形成硬垢 , 故需在进 水中添加阻垢 剂 ; 同时为避免微生物在膜表面滋生 , 在进水中同时 投加杀菌剂 ; 因为反渗透

23、膜容易氧化 , 所以在进水中 添加还原剂 (亚硫酸氢钠 , 氧化还原电位 >350mV 时报警 , 当 M BR 进行化学清洗时 , 需要加大投量。 5 2 投加率确定和调节阻垢剂投加率需根据超滤出水中易结垢离子浓 度进行 计 算 确 定。 根 据 水 中 的 结垢 离 子 (A l 3+、 Ba 2+、 C a 2+、 Fe 3+、 SO 2-4、 PO 3-4、 H CO -3、 F - 浓 度 , 用 药剂公司专用软件核算碳酸钙结垢的朗格利尔指数 (LSI 以及铁、 锰的污染指数 (FI 、 硫酸钙等的固结 指数 (SI 。LSI 全 年平均值为 1. 35, 运行调 试初期 (2

24、008年 3月 最高为 1. 91, 阻垢剂投加率为 3. 6m g /L。 随着超滤工艺紫外消毒渠的稳定运行 , 以上离子浓 度降低 , LSI 降低 , 浓水侧的结垢趋势减弱 , 投加率 下调为 2. 5m g /L。还原剂和杀菌剂的投加率都在 2 m g /L以下。计量泵冲 程和频率设定遵循少量多次投加原 则 , 可使药液在管道内混合均匀 , 一般冲程的设定小 于频率设定。 6 保安过滤器的运行6 1 滤芯的更换周期保安过滤器位于反渗透系统前 , 截留预处理超 滤工艺产水中粒径 >5 m 的颗粒性杂质 , 防止其划 伤高压泵叶轮以及经高压泵加速后的颗粒击穿膜组 件。滤芯在运转初期更

25、换周期最长为 1500h , 随着 时间推移 , 更换的周期缩短。随着更换保安过滤器 前后压差的升高 , 反渗透的产水通量下降 , 更换后通 量恢复。2009年初由于预处理 MBR 设备故障 , 产水异 常 , 导致后续进入保安过滤器的负担加重 , 滤芯更换 周期缩短为 400h , 增加了运行成本。6 2 保安过滤器的前后压差保安过滤器的滤芯在短期内截留大量污染物 , 滤芯过压超期使用、 污染严重引起滤芯支撑管变形 , 膜通量下降。此时出现高压泵进水压力低报警 , 无 法进入正常的产水程序。故障修复后系统各项指标 正常 , 膜元件未见受损 , 可见保安过滤器对 RO 系统 的保护作用是非常重

26、要的。当压差达到 0. 12M Pa 时 , 发现通量下降 10%, 更换滤芯后通量恢复正常。6 3 定期清理管道内的杂质MBR 系统调试初期运行尚不稳定 , 且管道中有 未冲洗净的残留杂质。由于紫外消毒渠无泄空 , 故 拆下二氧化氯增压水泵上的 Y 型过滤器 , 使杂质被 水带出系统。定期清理中间环节管道上的杂质以减 轻后续保安过滤器负担。7 维护和化学清洗7 1 膜元件的维护如果 24h 内没有产水 , 就在上位机执行强制冲 洗程序 , 用低压泵冲洗浓水侧以置换系统的存水 , 如 果超过 3d 不产水就需要执行一次产水程序维护。 反渗透装置发出化学清洗请求的时间通过累计 产水时间和段间压差

27、升高比两个参数来控制。段间 压差升高比初始值设定为 2倍。北小河污水厂进行 化学清洗是产水累计时间触发 , 使用相应的化学药 剂以改变污染物的组成或属性 , 然后从膜元件排出 , 恢复膜元件性能。一般 36个月进行一次化学清 洗 , 浸泡、 循环 12h , 如果碱洗时浸泡 24h 效果更 好。7 2 清洗实例和效果分析因为不可预见性的自动清洗 不能保证清洗效第 26卷 第 2期 中 国 给 水 排 水 www. w ate rgasheat . com果 , 所以清洗现场手动进行。采取先碱洗再酸洗的 步骤。碱洗重点清洗一段 , 主要去除微生物膜和有 机污垢胶体 , 氢氧化钠为 8kg 、 十

28、二烷基苯磺酸钠为 250g 、 盐酸少量 , 调 p H 值为 12. 5。一段、 二段分段 清洗循环和浸 泡时间为 3060m i n , 再同时浸泡。 完成后进行清水置换再进行酸洗 , 重点是去除二段 的无机 盐垢 , 取 柠檬酸 200kg 配制后用 氨水调节 p H 值至 3, 时间同上 , 完成后恢复到 +自动 , 产水状 态。一段压差升高时用碱洗 , 因为有机物和金属氧 化物的污堵主要在一段 , 并向二段推进 , 此时表层的 污染物通过大流量的冲洗可以带出系统 , 压实的污 染物经过长时间浸泡变得蓬松 , 然后用大流量冲洗 掉 , 污染严重时重复进行。二段压差升高时表现为 二段结垢

29、 , 并向一段推进 , 结垢时可能是进水结垢离 子增多或阻垢剂投加存在问题、 药品失效。采用柠 檬酸洗时不易快速冲洗 , 因为颗粒易划伤膜的表面 , 所以应用小流量冲洗。随着时间的推移 , 进水压力和产水量缓慢下降 , 系统各段压差和透盐率没有明显变化。根据反渗透 膜污染的一般特征 , 初步判断膜元件污染的主要原 因是胶体污染 , 而有机胶体大多是有机聚合物和微 生物 , 所以在制定清洗方案时认为清洗一段很重要。 清洗前、 后的运行数据对比分别见表 3。表 3 化学清洗前 、 后运行数据记录T ab . 3 D a ta reco rd befo re and after che m ical

30、 wash i ng项 目 清洗前 (已 1320h/( S ! c m -1 116311971203. 7原水温度 / 181818. 2原水 ORP /mV319329323. 8原水压力 /MP a 0. 80. 7490. 75浓水压力 /MP a 0. 6760. 6180. 629浓 水流量 /(m 3! h -1 44. 242. 442. 7产 水流量 /(m 3! h -1 137. 4145146 /( S ! c m -1 15. 523. 319提升泵电流 /A29. 730. 2高压泵电流、 频率 /A、 H z 210. 3/35214/35进 水流量 /(m 3

31、! h -1 181. 6187. 4188. 7脱盐率 /%98. 798. 198. 4产水率 /%75. 777. 477. 4一段压差 /MP a 0. 0610. 0680. 062二段压差 /MP a 0. 0630. 0630. 059 注 : 经碱洗、 酸洗后产水电导率上升 , 原因 是该数据 采 自清洗后 24h 内 , 系统运行 48h 后均恢复正常。 从以上数据可以看出 , 因清洗前反渗透装置的 运行状态保持良好 , 清洗效果并不是太明显。但碱 洗后 , 在高压泵频率保持在 35H z 时 , 装置进水流量 和产水率有所上升 , 说明碱洗对微生物污染起到了 一定的作用。酸

32、洗后段间压差有所下降 , 说明酸洗 对无机污染的清洗效果较好。根据运行数据 , 将 +反 渗透系统上位机 参数设 定表 , 中 +产水装置发出 C I P 请求的累计产水时间 , 延长为 2160h ; 清洗后装置产水率增至 77. 4%。通 过降低高压泵频率或调节浓水阀的方式 , 将产水率 降至 75%。冬天清洗时需要加热 , 温度以 30 为宜。但发 现加热装置功率 (50k W 偏小 , 加热 10m 3水需要 8 h 左右 , 应考虑改造。8 停运后的膜保存和再次启动8 1 封存方法国内的反渗透装置基本处于 长期稳定运行状 态 , 尚没有长期封存的案例。 2009年 4月北小河污 水厂

33、高品质再生水管网需水量减少 , 为了防止微生 物滋生 , 用充分溶解的 1. 5%的食 品级亚硫酸氢钠 冲洗并低流量向膜组件进药 , 同时排净膜组件里的 水 , 确保膜组件内均匀地充满保护液 , 结束时关闭所 有进、 出口阀门。保安过滤器内滤芯离线或者泄空。 每周检查一次保护液的 p H 值 , 当 pH <3或时间达 一个月时更换一次保护液。8 2 产水取样管漏药补救措施封存一周后产水侧部分 UPVC 取样接头出现断 裂损坏漏药现象 , 一个月内陆续更换了 45个断裂件 (2台总量为 72个 , 漏出的药液腐蚀了 15个紧固 管卡。分析认为在产水和停运之间的转换可能导致 密封橡胶圈受压

34、变形失去弹性。用四氟生料带替代 普通橡胶丁烯密封圈 , 发现其对亚硫酸氢钠的耐受 性较好 , 漏水现象明显改善 (据厂家介绍 , 最初反渗 透系统用生料带密封 , 后为了美观改用密封圈 。 同时 , 产水侧出现负压回水现象 , 表现为产水支 管上侧的膜壳产水软管不满水 , 用另一组反渗透产 水分段循环保存的装置 , 使产水立管、 支管、 膜的中 心管内充满液体 , 再按步骤封存重新配制封存液循 环。8 3 更换压力容器的膜壳以解决端板渗漏问题 2号装置在保存期间端板处渗漏严重 , 记录膜 壳编号 , 将装置内 的药液放掉用 清水置换 , 拆下端www . watergasheat . com 张 静 :北小河污水处理厂反渗透系统的调试运行和保存 第 26卷 第 2期第 26卷 第 2期 中国给水排水 www. w ate rgasheat com . 板, 倒出一支压 力容器内 6 支膜, 观 察膜及膜壳表 面, 基本保持正常形态, 没有腐蚀、 损伤、 干化等现 象, 然后回装。继续检查壳体与端盖密封面, 认为划 伤是造成渗漏的原因, 当 2 号装置由保存转入产水 后, 端板的漏药明显增