超滤技术及其在火电厂水处理工艺中的应用.pdf

第 3 O卷第4期 湖南电力 H U N A N E L E C T R I C P O WE R 2 0 1 0年 8月 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 1 9 8 ． 2 0 1 0 ． 0 4 ． 0 0 7 超滤技术及其在火电厂水处理工艺中的应用 王凌 湖南省电力公 司试验研究院，湖南 长沙4 1 0 0 0 7 摘要 介绍超滤膜工艺理论、制膜材料、应用状况及发展 前景，论述 了膜的污染及处 理 方 法 。 关键 词 超 滤 ；水处理 中图分类号T M 6 2 1 ． 8 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 - 0 1 9 8 2 0 1 0 0 4 - 0 0 2 6 - 0 4 人 口的不断增长及工业的快速发展使水环境受 到的污染愈加严重 ，因此造成水资源短缺和水环境 ‘ 污染现象 日趋严峻。火力发 电工业中，随着机组向 大容量高参数特点发展 ，火 电机组对补给水品质及 生产稳定性的要求越来越高 。对环境问题的日益重 视也要求火电厂对降低各类水工艺的排污率及减少 酸碱耗量提出了更高的要求 ，因此传统的 “ 混凝 沉淀 一 过滤 一离子交换树脂”工艺面对这些更高 的要求已力不从心。目前国内外火力发电厂中，水 处理过程中愈来愈多采用的是膜分离技术 ，其中超 滤技术是应用最为广泛的水处理新技术之一。 1 超滤技术简介 传统的水处理工艺运行周期短 ，成本高 ，操作 复杂，运行产生的废酸废碱对环境污染大的缺点越 来越影响到火电厂化学运行的安全性、经济性和环 保性。超滤技术具有设备 占地面积小，处理水量 大， 处理后水质优良，操作简单、运行成本低廉， 环保等特点。有研究表明，在产水量小于 4 0 0 0 m 的工艺要求下，采用超滤水处理技术的生产成本远 低于传 统工 艺。在 火 电厂 水处 理 工 艺 中，超 滤 U F 通常作为反渗透 R O或离子交换器的预 处理工艺。 1 ． 1 超滤技术原理 超滤膜多数为非对称膜 ，分离层为表皮层 0 ． 1 1 m，下为支撑层厚度大于 1 0 0 m，起支撑和 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 5 - 0 5 增加膜的抗压强度的作用。在火电厂水处理中，主 要用来去除水中有机物、微生物、胶体和无机氧化 物等。对于大于膜孔径的溶质分子或微粒 ，超滤主 要起机械筛分截留的作用 ，而分离小于膜孔径的溶 质分子及微粒则是由膜材料对溶质的吸附作用来完 成。 1 ． 2 超滤膜及其装置分类 1 ． 2 ． 1 超滤膜 中空纤维膜按膜管过滤方 向可 分为外压式和内压式 ，外压式过滤是指进水由膜表 面经滤膜过滤至膜内部 ，汇流至产水管道 ，内压式 则相反 。外压式超滤膜元件 的特点是膜丝外空间 大，膜表 面积较大 ，水通量较大 ，运行 时纳 污量 大、抗堵塞 ，对原水水质要求低 ，适用水质范围较 广 ，适用于污水处理或原水水质波动较大的系统 ， 但膜内死角多 ，不易清洗，需空气擦洗辅助 ；内压 式超滤膜元件膜丝 内部孔道小 ，膜表面积和水通量 较小 ，对进水悬浮物含量要求较严 ，适用于原水水 质较好的水处理 系统 ，在相 同流量下与外压式相 比，错流过滤效果好 ，污染物质不易沉积。 1 ． 2 ． 2 超滤装置按过滤方式也可分为全量过滤和 错流过滤 。前者适合 于超 滤进水 浊度 小于 1 7 N T U 的情况 ，特点是过滤面积大 ，产水量大 ，原水利用 率高 ；后者适合于超滤进水浊度在 l 7～ 8 0 N T U的 情况或者原水水质不稳定的情况 ，错流过滤的特点 是减缓了膜内污染，延长了运行周期。 1 ． 2 ． 3 超滤膜按材质分类 ，主要为聚砜 P S u 、 第3 O卷第4期 王凌超滤技术及其在火电厂水处理工艺中的应用 2 0 1 0 年 8月 聚丙烯腈 P A N 、聚醚砜 P E S 、聚偏 氟 乙烯 P V D F 、聚氯乙烯 P V C 和无机 陶瓷等。 1 ． 2 ． 4 超滤膜装置按应用模式可分为浸没式和组 件式 ，其中组件式主要有卧式和立式布置 ，可并联 或串联运行 。立式膜装置在反洗过程中比卧式膜装 置更容易冲洗出沉积 ，流量衰减低于卧式膜装置 。 2 超滤技术运行工艺 2 ． 1 超滤净水工艺 2 ． 1 ． 1 原水超滤技术 原水超滤技术是指将原水直接应用于超滤，此 工艺由于其膜污染严重，制水量衰减较快 ，反洗频 繁 ，对膜本身的损伤较大 ，已较少应用于火电厂水 处理 。 2 ． 1 ． 2 混凝 超滤混凝 超滤工艺 采用传统的混凝工艺，通过混凝剂的絮凝作用 使小分子有机物或微小颗粒杂质结成平均粒径较大 的絮体 ，经超滤处理后 ，改善了出水水质 ，特别是 有机物的含量。由于原水水质 13 益恶化 ，若混凝之 后的水体直接进入超滤，势必造成膜污染严重 ，产 水效率下降，因此，通常采用混凝沉降澄清后 的出 水作为超滤进水。对于制水量要求较大 ，水质要求 较高的大型机组 ，一般在混凝沉降澄清之后加设各 类滤池 ，如空气擦洗过滤器等，既降低了超滤处理 负担 ，也大大缓解 了膜污染 ，是值得推荐 的超滤预 处理工艺。 2 ． 1 ． 3 粉末活性碳 超滤 以粉末活性炭 P A C 工艺作为超滤预处理 。 粉末活性炭对有机物特别是混凝工艺难以去除的小 分子有机物有较强的吸附作用 ，而粉末活性碳 的粒 径约在 1 0～ 5 0 la r n ，即便进入超滤系统，仍可被超 滤膜截 留。被超滤膜截 留的粉末活性碳呈疏松态 ， 容易被超滤常规冲洗去除，对超滤膜 的产水率影响 较小 ，不会增加超滤膜的污染程度。粉末活性碳 超滤工艺的关键在于粉末活性碳的最佳投加量 。投 加量不足，水 中有机物去除率偏低 ；投加量过大 ， 会导致膜孔堵塞 ，加剧膜污染 ，试验证明投加超过 一 定量的粉末活性炭膜反而使膜通量快速下降 。 为更好地去除水中有机物 ，出现 了臭氧 粉末 活性碳 超滤工艺 ， 臭氧可将水中的有机物氧化分 解 ，减缓了膜 的有机物污染 。基于相似的机理还有 高锰酸钾氧化 粉末活性碳 超滤工艺。 2 ． 1 ． 4 混凝 生物预处理 超滤 生物预处理 B A F 是借助于微生物群体的新 陈代谢活动对水中的氨、氮和亚硝酸盐类有机污染 物及铁、锰等无机污染物进行初步去除。而 U F对 水中氨氮及有机物去除率较低。这样既改善了水的 混凝沉淀性能 ，也减轻了常规处理和后续处理过程 的负荷。 生物 预处理技术可 降解相对分子质量 1 0 0 0 0以上的有机物 ， 对低分子质量有机物去除率低 ，特别是对相对分子 质量 5 0 0的有机物几乎没有去除能力 ，而相对分 子质量小于 3 0 0 0的有机物 ，亲水性 的可生化部分 可用 B A F去除 ，憎水难降解部分 以及细菌和病毒 用 U F去除。因此混凝 生物预处理 超滤 的工艺 组合互为补充 ，是提高产水水质的最佳工艺之一。 2 ． 1 ． 5 胶束强化超滤 胶束强化超滤 ME U F 是将表面活性剂的胶 团增溶作用和超滤膜分离作用结合起来的水处理技 术。表面活性剂分子在水 中进行聚集 ，形成胶束 ， 当胶束浓度达到某一限值 临界胶束浓度 ，则形 成表面活性剂胶 团。胶团对水中不溶或微溶的有机 物和重金属离子有强烈的吸附作用 ，使水中污染物 质转移到胶团中，经过超滤膜过滤时被截留，从而 使水得到净化。胶束强化超滤技术工艺流程简单、 效果优 良，但为达到临界胶束浓度 ，投加的表面活 性剂量较大 ，经济性不佳 。目前 ，胶束强化超滤技 术多应用于受污染原水处理及工业废水处理领域。 2 ． 2 超滤设备运行影响因素 2 ． 2 ． 1 操作压力 超滤过程的动力源来 自进 出水两端 的压力差。 随着操作压力的增加 ，透水量基本呈线性上升 ，但 透水量的衰减速率也随着操作压力的提高而增大， 这是因为操作压力的提高将加剧浓差极化 ，在膜表 面累积的高分子及胶体物质将形成所谓的第二动态 膜 ，即凝胶层 ，严重影响水流状态和增加水分子及 低分子量物质的透过阻力 ，致使外界增加 的压力与 所产生的阻力相平衡，导致透水量急剧下降，因此 超滤宜在尽可能低的操作压力下工作。 2 ． 2 ． 2 膜内水体流速及形态 膜内水体流速过低时，水体流动状态趋 向层 2 7 第 3 0卷第 4期 湖南电力 2 0 1 0年 8月 流 ，造成膜表面凝胶层增厚 ，浓差极化现象更加严 重， 使水分子和低分子量物质透过膜的阻力增大， 导致透水量明显下降。但水体流速过高，会导致膜 面受损及压力损耗 ，有研究表明，水体流速为 1～ 2 m ／ s 时，是 比较经济和有利的运行流速 ，对于错 流过滤 ，可通过提高浓水流量提高流速。 改善膜内水体流动形态也是减轻浓差极化的方 法之一。如改善膜表面材料形态，使表面再与水流 正交方向呈现起伏不平整形态，可有效提高水体湍 流。还有改进膜装置构造 ，使水流方向呈现螺旋状 促进湍流 ，或改稳定水流为脉冲水流促进湍流等。 2 ． 2 ． 3 水体特性 水体的温度是影响超滤膜透水量的重要因素， 水温升高一方面降低了料液的粘度 ，使水流状态得 到改善，另一方面加速了分子的运动，使水分子和 低分子量物质更易透过膜。随着水温的升高 ，透水 量随时问的衰减趋势也逐渐平缓。因此在膜的许可 温度范围提高运行水温与升温成本之间找到最佳运 行温度条件是提高设备运行效率的有效途径。 水体的 p H值会改变溶质的带电状态，影响吸 附膜对水中溶质的吸附；高浓度溶质使溶质本身在 水中的扩散系数增大 ，使膜面的浓差极化和凝胶层 易于形成，增 大了膜污染程度，降低 了膜产水效 率 ；溶液中离子强度增加会改变溶质的分散性及吸 附性能 ，影响该溶质在超滤膜表面的分离特性。 3 超滤膜 的污染及防治 3 ． 1 超滤膜的污染 膜污染是指水体中的各类溶质在与膜的机械作 用或吸附作用过程 中引起的膜表面或膜孑 L 内吸附、 堵塞 ，降低膜通量和分离特性的现象。超滤过程阻 力是表征膜污染程度的重要参数 ，可分为膜本身阻 力、浓差极化阻力、凝胶层阻力和膜孔内阻力。膜 污染通常有如下过程 首先 ，溶剂不断透过膜 ，溶 质在膜表面的浓度逐渐增大 ，形成从溶剂到膜表面 的浓度梯度，即浓差极化现象，此时浓差极化并不 严重 ，膜阻力为超滤过程的主要阻力，继而随着浓 差极化程度的加强，在膜表面形成凝胶层 ，此时浓 差极化和凝胶层 阻力为超滤过程主要阻力 ，最后， 溶质分子进入膜孔道内， 堵塞膜孑 L ，造成膜的孔隙 率逐渐下降，此时膜污染程度已较为严重 ，膜本身 阻力、浓差极化阻力 、凝胶层阻力和膜孔 内阻力共 ． 2 8 ． 同作用， 严重降低了膜通量及膜分离特性。 3 ． 2 浓差极化 超滤分离 过程中，污染物质被膜截 留在膜表 面 ，随运行时间的增加而累积，所 以在膜表面处的 溶质浓度变得比原主体料液浓度高得多，这种现象 称为浓差极化 。对于具体的超滤运行设备 和原水 ， 设定合理的运行方式 ，调整最佳的运行参数，是减 轻浓差极化现象的最主要方法。 3 ． 3 超滤膜的清洗 超滤膜反洗可除去大部分的截留物质 ，去除凝 胶层 ，恢复大部分水通量，但仍有部分的杂质粘附 在膜面或嵌人膜内，并随着运行周期的增长及运行 压力的缓慢上升 ，杂质越来越多并在膜内部及表面 粘附的更为紧密 ，此时反洗 已难以去除这些杂质 ， 应该对超滤膜装置进行化学清洗。 针对污染物质的单一种类来看 ，碱洗剂可去除 有机物 ，酸洗可以确保去除无机沉淀物 ，氧化杀生 剂则对微生物杂质的去除非常有效。可分别采用氧 化杀生剂、酸及碱洗剂对 同一组超滤膜分别进行化 学清洗，根据超滤膜通量的恢复率 ，宏观评价超滤 膜污染物的组分 ，并 以此采用合适的化学清洗剂或 其组合来对超滤膜进行化学清洗。 常用的化学 清洗剂有盐 酸、柠檬酸、次氯 酸 钠、E D T A和氢氧化钠等。清洗的主要方式为浸泡 与循环清洗相结合。清洗时 ，清洗剂的 p H值必须 符合超滤膜的适用范围。 4 超滤技术在火力发 电厂 中的应用 4 ． 1 超滤技术 的应用范围 4 ． 1 ． 1 超滤技术在锅炉补给水处理 中的应用 在锅炉补给水处理中，超滤可有效截留悬浮颗 粒、胶体及微生物 ，但超滤对于低分子量溶解性有 机物去除率较低 ，且对原水水质有一定要求。根据 原水条件及不同参数机组对补给水的要求 ，超滤与 其他水处理工艺技术主要有以下组合 1 常规预处理 工艺 混凝 砂滤 ，下 同 U F 一级除盐 混床 2 常规预处理工艺 U FR O一级除盐 混床 3 常规预处理工艺 u F R O E D I 4 常规预处理工艺 生物预处理 活性碳 过滤器 U F R O 混床 E D I 第3 O卷第4期 王凌超滤技术及其在火电厂水处理工艺中的应用 2 0 1 0 年 8月 超滤在各种水处理工艺 中主要是作为 R O、离 子交换除盐设备或 E D I的预处理工艺 ，超滤通过 截留水中悬浮物、胶体、微生物等污染物质，为下 一 级水处理装置提供优质 的供水，减轻或避免了下 一 级水处理装置的污染 ，减轻 了下一级水处理装置 的处理负担。u FR O终端除盐技术 混床或 E D I 是经典的水处理组合工艺，超滤可有效降低 原水 S D I 、浊度及微生物，大大降低了 R O设备膜 损伤和微生物污染 ，而 R O则可除去大部分溶解性 盐分及小分子量有机物 ，减低 了混床或 E D I的处 理负担及再生消耗 ，混床或 E D I 混床或 E D I 则 去 除水中残余溶解性盐分 ，从而使该水处理工艺组合 出水达到锅炉补给水水质指标。也可以看出，超滤 对有机物去除能力的不足 ，衍生出在常规预处理工 艺和超滤之间增设生物预处理和活性碳过滤器的工 艺组合。 4 ． 1 ． 2 超滤技术在循环冷却水处理中的应用 火电厂是用水大户 ，也是废水排放大户 ，而循 环冷却水又 占火电厂用水量 的 9 5 ％ ，随着水资源 的 日益紧张和环保问题的突出，循环冷却水处理技 术显得尤为重要。循环冷却水水质有如下特点 1 随着水体不断蒸发浓缩 ，盐含量不断增 高。 2 水质稳定性差 ，循 环水 中各类杂质导致 水体呈现腐蚀性倾 向或结垢性倾向。 3 微生物滋生的现象尤为突出。 4 为缓解循环水 结构 现象 而投 加的阻垢剂 不利于该水体 的混凝澄清处理。 5 悬浮物和灰尘等细小固体杂质较多。 传统的循环水排污水常用冲灰水 ，但高浓度水 力冲灰技术和干除灰技术发展成熟 ，循环水排污水 已过量 ，而且循环排污水水质属于可 回收利用范围 之类 ，因此 ，就 目前来说 ，解决循环冷却水问题的 最佳的途径是循环冷却水排污水集 中处理 ，处理产 水 回流至循环水系统或补给水预处理系统。 就循环水排污水特性来看 ，混凝砂滤 U F是 有效的处理工艺 ，混凝去除大部分悬浮物及大分子 有机物，超滤再进一步去除水体浊度的同时，也去 除水体微生物及藻类。国内已有数个火电厂将循环 水排污水经混凝过滤 U F作 为锅炉补给水系统 的 预处理工艺，超滤及反渗透浓水用于冲灰。 虽然从理论上讲循环冷却水排污水回用是完全 可行 的，但在应用阶段仍有不少困难 ，国内控制循 环冷却水浓缩比率的水平还不高，单用投加阻垢分 散剂的方法难以达到令人满意的效果 ，若浓缩比率 过低 ，循环冷却水排污水量过大 ，用混凝砂滤 超 滤 R O的处理工艺显然成本过高 ，因此 ，循环冷 却水应采用多种途径进行联合处理 ，比如 ，可用循 环冷却水补充水弱酸处理和循环冷却水投加阻垢分 散剂的方式共 同提高水体浓缩比率 ，并 以此降低循 环冷却水排污水量 ，并以混凝砂滤 U F技术处理 ， 产水 回流至循环水系统或补给水预处理系统。 5 结语 超滤技术作为一种新型水处理技术 ，以其强大 的技术优势已逐步取代原有的传统水处理技术 ，特 别是近年来该技术 的应用与推广 ，国产超滤膜及设 备的技术 日益完善 ，其成本已逐年降低的情况下 ， 超滤技术 的应用前景十分看好 。从 国内的火力发电 厂水处理工艺来看，超滤成为主流水处理工艺的趋 势已十分明显 ，但国内的火力发电厂对于超滤的应 用技术 尚不成熟 ，亟待加强 1 超滤运行工 况的优 化超滤运行工 况的 调整优化是充分利用超滤技术优势的先决保障 ，基 于原水水质的地域性 、膜材质的多样性及性能差别 等重要 因素 ，调整超滤的运行方式及工艺参数将成 为超滤技术应用的重要工作 。 2 超滤膜 的污染和防治 超滤膜 的污染和 防治将直接关系到超滤设备 的应用效率 和稳定性 ， 也是超滤技术应用能力的表征。超滤膜的重度污染 将严重降低超滤膜的使用寿命和性能，基于超滤设 备成本主要来 自于超滤膜本身 ，超滤膜的污染和防 治技术十分重要。 参考文献 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