使反渗透膜系统运行更稳定

作者:王桂河 雷永刚 文章来源:《流程工业》 发布时间:2016-06-13
RO保安过滤器有机物污染源分析及防治——RO保安过滤器是RO系统的标配保护性设备,其性能直接影响RO膜的运行稳定性。RO保安过滤器的污染物主要来自源水和前处理设备,有机物污染是经常困扰RO保安过滤器使用的一个重要因素,因此有机物污染源的分析和防治对RO保安过滤器就显得尤为重要。

超滤膜(RO)系统广泛用于纯水系统、海水淡化、饮用水及污水处理系统等。保安过滤器是用于保障RO使用性能的过滤器,是RO前的最后一道保护性屏障。RO保安过滤器的主要作用是保护RO膜和后续抛光阶段的交换树脂等设备,尤其是RO膜,大量的杂质会导致RO膜孔隙堵塞,产水率降低,能耗增加,严重还会划伤RO膜。因此RO保安过滤器就显得非常重要,但是如果大量颗粒物或有机物导致RO保安过滤器失效,RO膜就不能得到有效保护。

RO保安过滤器的进水一般要经过多道预处理工艺,预处理工艺的作用是去除原水中的多种污染物,比如固体颗粒物、悬浮污染物、胶体物质、纤维、天然有机物及细菌微生物等。根据原水水质不同,预处理工艺也不相同。源水有很多种,比如地表水—河流、湖泊、水库水,地下水—井水、市政自来水等。每种水源中的污染物种类,污染物含量都不相同,因此预处理工艺和设备会有区别。

RO保安过滤器前处理设备

前处理工艺一般有絮凝工艺,气浮,多介质过滤器,活性炭过滤器,软水器,自动反冲洗过滤器,微滤膜/超滤膜及加药系统,根据源水水质和处理要求,上述工艺会有不同的选择和搭配,比如针对地下水/自来水,最常用的工艺是“自动反冲洗篮式过滤器+UF+RO保安过滤器”,对于地表水,可以用“絮凝+多介质过滤器+活性炭过滤器+软水器+RO保安过滤”,也有其他搭配,比如“絮凝+多介质过滤器+超滤+RO保安过滤”。因为预处理工艺会影响到保安过滤器进水水质,影响到污染物种类和水平,对于有机物污染,不同的源水含有的有机物种类和含量是不一样的,不同的前处理设备对于不同有机物的选择性和去除效率也不一样,以下分别对预处理设备做简单介绍。

絮凝工艺

絮凝工艺用于除去或降低水中浊度或悬浮物,使其产生大颗粒的凝聚体,加快水中杂质和污泥沉降速度。通过絮凝工艺加多介质过滤器,可以有效去除水中悬浮的细小颗粒物及胶体类物质,效率高达80%以上,可以有效较低浊度。絮凝的效果跟添加的絮凝剂类型、絮凝工艺(无机+有机复合)、絮凝剂用量、絮凝时间及搅拌水平等都有关系。

普通混凝对有机物去除效率不高,通过强化混凝工艺,降低PH值,加强混凝剂量,可以有效控制天然有机物,控制THMs,有机物更多地以分子态存在,较容易吸附到大量存在的Fe(OH)3或Al(OH)3等颗粒上。

多介质过滤器

多介质过滤器是利用一种或几种过滤介质,在一定的压力下把浊度较高的水通过一定厚度的粒状或非粒材料,从而有效除去悬浮杂质使水澄清的过程,常用的滤料有石英砂,无烟煤,活性炭等,主要用于去除水中的悬浮或胶态杂质,能有效地去除沉淀技术不能去除的微小粒子和细菌等,对BOD和COD等有机物和微生物也有某种程度的去除效果。添加活性炭还能够有效吸附色素,气味和一些有机物。

多介质过滤器出水TSS可以降到10 mg/L以下,浊度可以降到5 NTU以下。

多介质过滤器可以通过反向气洗和水洗实现自清洁,寿命较长。当多介质过滤器压差,产量或出水水质浊度达到设定值时,需要进行反洗或者更换滤料,否则就会影响出水水质或者流量。

多介质过滤器由于深层过滤原理,对于原水中的颗粒物有很好的去除效果,对于大分子量(大于10 000 Dalton)的去除效率较高,对溶解有机物DOC也有一定的去除率,约为百分之十几,对于小分子量有机物没有去除效率。

活性炭过滤器

活性炭过滤器是一种较常用的水处理设备,作为水处理脱盐系统前处理能够吸附前级过滤中无法去除的余氯,可有效保证后级设备使用寿命,提高出水水质,防止污染,特别是防止后级反渗透膜,离子交换树脂等的游离态余氧中毒污染,余氯可降至0.1 ppm。

同时活性炭还可以吸附从前级泄漏过来的小分子有机物等污染性物质,对水中异味、胶体及色素、重金属离子等有较明显的吸附去除作用,还具有降低COD的作用。可以进一步降低RO进水的SDI值,保证SDI<5,TOC<2.0 ppm。

活性炭过滤器由于其细小孔隙结构(4 µm,95%)和大的吸附面积,使得其对于2 µm以下有机物(3 000 Dalton),具有高效的去除效率。高于3 000 Dalton的有机物由于分子筛作用,不能进入吸附孔隙,去除效率不高,低于500 Dalton的有机物分子,由于较强的亲水性,不容易被吸附。活性炭对于UV254物质的吸附能力强于溶解有机物(DOC)。

超滤

超滤(Ultra-filtration,UF)是一种能将溶液进行净化和分离的膜分离技术。超滤膜系统是以超滤膜丝为过滤介质,膜两侧的压力差为驱动力的溶液分离装置。超滤膜只允许溶液中的溶剂(如水分子)、无机盐及小分子有机物透过,而将溶液中的悬浮物、胶体、蛋白质和微生物等大分子物质截留,从而达到净化和分离的目的。典型的孔径在0.001~0.02 µm,截流分子量在500~50 000 Dalton。

超滤有多种材料,最常用的是PES和PVDF两种膜材料,PES中空纤维膜更多的采用内进外出的流向(PDI),PVDF更多的采用外进内出的流向。PES对水体中氯含量有严格要求,PVDF要求不严。

PES膜和PVDF滤膜对有机物都有一定的去除效果,PES膜具有更好的亲水特性,孔隙更致密,其特殊的孔隙结构,使得其对1 000~3 000 Dalton的溶解有机物DOC具有较高的去除效率,高达20%或更多,PVDF膜由于其疏水特性和宽松的孔隙结构,使得对3 000 Dalton以上的有机物有较高的效率。

当滤膜污堵,跨膜压差升高时,需要进行反冲洗,此外还要定时用盐酸、柠檬酸和次氯酸钠,氢氧化钠进行化学强制反洗CEB;每半年或一年要进行CIP,对沉积污染物进行彻底清洗。超滤膜要进行定期完整性检测,确保膜丝没有破坏。

图1 水体中溶解性有机物分子量分布(参考)

为保证超滤膜不被大的污染物颗粒堵塞或滑伤,超滤前一般要求配置一台自动反冲洗过滤器,精度在200 µm或300 µm(海水)。

超滤的孔隙不是均一孔径,一般有一个尺寸范围,过滤效率是名义精度,对颗粒物,细菌,微生物(0.2 µ细菌,0.5 µ孢子孢囊)和有机物都有去除效率,但非绝对精度去除。出口水SDI指标低于3,浊度低于0.1NTU。

加药系统

杀菌剂:除了絮凝剂,多介质过滤器前,一般会添加NaClO作为杀菌剂,NaClO会溶于水生成HClO,具有强氧化性,可以穿透细胞壁,氧化蛋白质,从而杀死细菌微生物,氧化降解部分有机物,但不能完全矿化。次氯酸钠的杀菌作用跟溶液的PH值(越小越好),浓度(越高越好),温度(越高越好),有机物多少有关。

UV杀菌:紫外杀菌是通过紫外线的照射,破坏及改变微生物的DNA结构,使细菌当即死亡或者不能繁殖后代,达到杀菌的目的。紫外线杀菌的发光谱线主要有254 nm和185 nm两条。254 nm通过照射微生物的DNA来杀灭细菌,185 nm紫外线可将空气中的氧气变成臭氧,臭氧具有强氧化作用,可以有效地灭杀细菌,臭氧的弥散性恰好可以弥补由于紫外线只沿直线传播消毒有死角的缺点。

还原剂(NaHSO3):RO膜对强氧化剂很敏感,容易被氧化造成膜丝破坏,需要用还原剂NaHSO3来中和强氧化剂NaClO或Cl2,反应生成NaSO4和NaCl,又通过RO膜对盐进行脱除。

有机物污染源分析及防治

上面讲述了各种RO前处理设备的原理及对各种污染物的去除能力,接下来我们来重点看一下水体中的有机物和如何有效拦截或杀灭这些有机物。

水体有机物

源水中的有机物大致可分为两类:一类是天然有机物(NOM),包括腐殖质、微生物分秘物、溶解的植物组织和动物的废弃物;另一类是人工合成的有机物(SOC),包括农药、商业用途的合成物及一些工业废弃物,人工合成有机物在RO系统中含量较少,暂时不做分析。

天然有机物主要是指动植物在自然循环过程中经腐烂分解所产生的大分子有机物,其中腐殖质在地面水源中含量最高,是水体色度的主要成分,占有机物总量的60%~90%。

腐殖质在天然水体中表现为带负电荷的大分子有机物,具有与水中大多数成分进行离子交换和络合的特性,这样使本来难溶与水的元素和微污染有机物在水环境中增大了溶解度,促使其迁移能力增强,分布范围更为广泛。去除腐殖质的主要方法有膜滤、混凝沉淀、臭氧氧化、活性炭(GAC)吸附及生物降解等。

有机物的防治

水体中的有机物种类较多,分子量分布范围较广,很难通过一级前处理设备完全去除。根据对各种前处理工艺的分析可以看出,不同前处理设备对不同的有机物都有不同程度的去除能力。

通过混凝沉淀加多介质过滤器,可以有效降低浊度,对10 000 Dalton以上分子量的有机物去除率较高,通过强化混凝,降低pH值,可以增强有机物去除率。多介质过滤器需要监控压差,根据入口水质污染物变化和出口水质浊度变化,实时调整反洗参数,必要时更换滤料。

活性炭过滤器通过吸附作用,对500~3000 Dalton分子量的有机物(2 µm以下)有较高的去除率。活性炭过滤器要实时监测进出口压差,并根据污染物含量的不同,调整反冲洗设置。当活性炭效能下降时,更换活性炭。

超滤PES和PVDF的膜孔结构不同,对不同分子量有机物的拦截效率也有所不同,如表所示,PES对1 000~3 000 Dalton分子量的有机物去除率较高,PVDF超滤膜对大于3 000 Dalton分子量有机物去除率都较高。超滤只有保持较高的过滤效率,才可以有效拦截有机物。当效能下降时,需要实时调整反洗工艺参数,进行化学强制反洗或CIP清洗,并作膜丝完整性检查,来确保正常运行。

NaClO和UV可用来杀死一些细菌微生物,但是要根据水质有机物和微生物含量实时调整添加的药剂的剂量,才能有效防止有机物和微生物逃逸到RO保安过滤器。

水体中的有机物或微生物容易聚集,生长,形成膜状物质,这些膜状污染物在过滤器表面就会堵塞滤膜,使得滤膜的纳污能力得不到利用,寿命变短。只有通过各级前处理设备高效的去除掉水体中的有机物和微生物,才能防止RO保安过滤器不会过早堵塞,才能更有效的保护RO膜稳定运行。

3M过滤产品

3M有多种过滤产品可以用于RO保安过滤,最典型的产品是3MHF大流量滤芯。

RO保安过滤器通常要求过滤器具有5 µm的过滤精度,具有较高的过滤效率,高的纳污量和长的使用寿命,能够适应水质变化和污染物变化,同时还能保持过滤性能的稳定性,最后一条就是占地面积小,方便滤芯更换操作。

3MHF大流量滤芯凭借专利的水平打褶技术,具有超大的过滤面积,纳污量和使用寿命。过滤面积是普通垂直打褶大流量的2倍以上,特殊的打褶构造保证滤芯所有的折叠面积都能有效利用,纳污量大大增加。

凭借超大的流量,3MHF滤芯与传统滤芯相比,数量上可以减少90%,滤筒体积减少1/3以上,由此带来的滤芯更换时间大大减少,人工成本、停车时间、滤芯仓储及物流成本等均减少,初期投入成本低。

3MHF大流量滤芯采用外压式结构,相对于内压式大流量滤芯,同样流量选择的滤芯支数较少,滤筒结构也较外压式更加紧凑,如图5所示。3MHF大流量滤芯特殊接口设计,通过旋转锁紧,非常方便更换。

基于3MHF大流量滤芯以上的优势,3MHF大流量滤芯已经成为RO保安过滤器的不二选择,尤其是对于大流量水处理工程,如电厂锅炉补给水、凝结水、电子厂超纯水及化工行业的脱盐水,透平凝液和工艺凝液,海水淡化项目,3MHF大流量过滤器都能为客户大大减少综合过滤成本。3MHF大流量滤芯由于超大的过滤面积和滤材构造,对有机物或微生物,也有一定的拦截效率,但会损失过滤寿命。

除了3MHF大流量过滤器,3M还有多种滤芯选择,满足客户各种过滤需求,比如融喷滤芯、线绕滤芯及折叠滤芯。

结语

3M拥有丰富的RO保安过滤器应用经验,3M实验室详尽的分析数据报告,为客户提供了众多技术解决方案,保障生产线的正常运行。除了提供最佳的过滤产品,3M还帮助客户改进优化工艺,提高产能,节约生产成本。

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